ALMA und VLT finden Hinweise auf Sternentstehung nur 250 Millionen Jahre nach dem Urknall

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Hubble- und ALMA-Aufnahme von MACS J1149.5+2223

Astronomen haben anhand von Beobachtungen des Atacama Large Millimeter/Submillimeter Arrays (ALMA) und des Very Large Telescope (VLT) der ESO festgestellt, dass die Sternentstehung in der weit entfernten Galaxie MACS1149-JD1 in einem unerwartet frühen Stadium begann, nur 250 Millionen Jahre nach dem Urknall. Gleichzeitig entspricht diese Entdeckung auch dem Nachweis des am weitesten entfernten Sauerstoffs im Universum. Es handelt sich bei MACS1149-JD1 zudem um die am weitesten entfernte Galaxie, die jemals von ALMA oder dem VLT beobachtet wurde. Die Ergebnisse werden am 17. Mai 2018 in der Zeitschrift Nature veröffentlicht.

Ein internationales Astronomenteam hat mit ALMA eine entfernte Galaxie namens MACS1149-JD1 beobachtet. Dabei entdeckten sie ein sehr schwaches Leuchten von ionisiertem Sauerstoff in dieser Galaxie. Auf seinem Weg durch das Weltall wurde dieses Infrarotlicht durch die Expansion des Universums auf eine mehr als zehnmal längere Wellenlänge gedehnt, bis es die Erde erreichte und von ALMA nachgewiesen wurde. Das Team folgerte, dass das Signal vor 13,3 Milliarden Jahren (oder 500 Millionen Jahre nach dem Urknall) ausgesendet wurde, was es zum am weitesten entfernten Sauerstoff macht, der jemals von einem Teleskop erfasst wurde [1]. Die Anwesenheit von Sauerstoff ist ein deutliches Zeichen dafür, dass es noch frühere Generationen von Sternen in dieser Galaxie gegeben haben muss.

"Ich war begeistert, das Signal des entfernten Sauerstoffs in den ALMA-Daten zu sehen", erläutert Takuya Hashimoto, Erstautor des neuen Fachartikels, in dem die Entdeckung beschrieben wird, und Forscher an der Osaka Sangyo Universität und dem National Astronomical Observatory of Japan. "Diese Entdeckung verschiebt die Grenzen des beobachtbaren Universums."

Neben dem von ALMA aufgenommenen Sauerstoff wurde mit dem Very Large Telescope (VLT) der ESO auch ein schwächeres Signal von Wasserstoff detektiert. Der aus dieser Beobachtung ermittelte Abstand zur Galaxie stimmt mit dem Abstand aus der Sauerstoffbeobachtung überein. Dies macht den MACS1149-JD1 zur entferntesten Galaxie mit einer präzisen Entfernungsmessung und zur entferntesten Galaxie, die jemals mit ALMA oder dem VLT beobachtet wurde.

"Wir sehen diese Galaxie heute so, wie zu der Zeit aussah, als das Universum erst 500 Millionen Jahre alt war - in der sie bereits eine Population entwickelter Sterne enthält", erklärt Nicolas Laporte, ein Forscher am University College London (UCL) in Großbritannien und Zweitautor des Artikels. "Wir sind also in der Lage, mit diese Galaxie in eine noch frühere, völlig unbekannte Periode der kosmischen Geschichte einzutauchen."

Die erste Zeit nach dem Urknall gab es im Universum keinen Sauerstoff; er wurde erst durch die Fusionsprozesse der ersten Sterne erzeugt und dann freigesetzt, als diese Sterne starben. Der Nachweis von Sauerstoff in MACS1149-JD1 zeigt, dass diese früheren Sterngenerationen 500 Millionen Jahre nach Beginn des Universums bereits gebildet und Sauerstoff ausgestoßen haben müssen.

Aber wann kam es zu dieser ersten Sternentstehungsphase? Um dies herauszufinden, rekonstruierte das Team die frühere Geschichte von MACS1149-JD1 anhand von Infrarot-Daten, die mit dem NASA/ESA Hubble Space Telescope und dem NASA Spitzer Space Telescope aufgenommen wurden. Sie fanden heraus, dass die beobachtete Helligkeit der Galaxie durch ein Modell gut erklärt wird, bei dem der Beginn der Sternentstehung nur 250 Millionen Jahre nach der Entstehung des Universums stattfand [2].

Der Zustand der Sterne in MACS1149-JD1 wirft die Frage auf, wann die allerersten Galaxien aus der völligen Dunkelheit auftauchten, eine Epoche, die die Astronomen romantisch als "kosmische Dämmerung" bezeichnen. Durch die Bestimmung des Alters von MACS1149-JD1 hat das Team effektiv gezeigt, dass Galaxien früher existierten als die, die wir derzeit direkt sehen können.

Richard Ellis, leitender Astronom am UCL und Koautor der Arbeit, schließt: "Die Bestimmung, wann die kosmische Dämmerung eintrat, ist sozusagen der Heilige Gral der Kosmologie und Galaxienbildung. Mit diesen neuen Beobachtungen von MACS1149-JD1 kommen wir der Geburt des Sternlichts näher! Da wir alle aus recycelter Sternmaterie bestehen, ist das in Wirklichkeit auch unsere eigene Herkunft."

Endnoten
[1] ALMA hat mehrfach den Rekord für die Detektion des entferntesten Sauerstoffs aufgestellt. Im Jahr 2016 haben Akio Inoue und seine Kollegen an der Universität Osaka Sangyo mit ALMA ein Signal von Sauerstoff entdeckt, das vor 13,1 Milliarden Jahren ausgesandt wurde. Einige Monate später hat Nicolas Laporte vom University College London 13,2 Milliarden Jahre alten Sauerstoff mit ALMA nachgewiesen. Nun haben die beiden Teams ihre Kräfte gebündelt und diesen neuen Rekord erreicht, was einer Rotverschiebung von 9,1 entspricht.

[2] Dies entspricht einer Rotverschiebung von etwa 15.

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