Als die Sterne leuchten lernten

  • 23. September 2016

Wasserstoffkonzentration im Hubble Ultra Deep Field öffnet Blick auf die Sternentstehung im jungen Kosmos.

Schon seit kurz nach dem Urknall haben Galaxien in unserem Kosmos neue Sterne gebildet. Allerdings hat sich die Gesamt-Stern­entstehungs­rate über die Milliarden Jahre durchaus verändert, und in einigen Epochen war unser Kosmos ungleich produktiver als in anderen. Auf der Spur dieser Geschichte haben Fabian Walter vom Max-Planck-Institut für Astronomie und seine Kollegen sich daran gemacht, mithilfe des ALMA-Observatoriums heraus­zufinden, wie viel an Rohmaterial für die Stern­entstehung, sprich: wie viel molekularer Wasserstoff den Galaxien zu unterschiedlichen Epochen denn überhaupt zur Verfügung stand.

Abb.: Das Hubble Ultra Deep Field (HUDF) ist eine Fundgrube von Galaxien, die reich an Kohlenmonoxid sind (orange) und damit Potenzial für Sternentstehung haben. (Bild: B. Saxton / NRAO / AUI / NSF / ALMA / ESO / NAOJ / NRAO / NASA / ESA Hubble)

Abb.: Das Hubble Ultra Deep Field (HUDF) ist eine Fundgrube von Galaxien, die reich an Kohlenmonoxid sind (orange) und damit Potenzial für Sternentstehung haben. (Bild: B. Saxton / NRAO / AUI / NSF / ALMA / ESO / NAOJ / NRAO / NASA / ESA Hubble)

Die Astronomen haben dazu eine der am besten untersuchten Himmels­regionen überhaupt beobachtet: das Hubble Ultra Deep Field (HUDF). Dort haben sie unter anderem nach dem charakteristischen Licht gesucht, das die Anwesenheit von Kohlenstoff­monoxid verrät. Wo Kohlenstoff­monoxid, da auch molekularer Wasserstoff. Das lässt sich sogar quantitativ formulieren – Astronomen können aus der Menge an nachgewiesenem Kohlenstoff­monoxid auf die Menge an molekularem Wasserstoff schließen.

Da Sterne entstehen, wenn dichte Wolken aus molekularem Wasserstoff kollabieren, hängt die Stern­entstehungs­rate direkt mit der Verfügbarkeit von molekularem Wasserstoff, dem Rohmaterial für die Stern­entstehung, zusammen. Bislang haben Sternen-Historiker allerdings nicht das Roh­material, sondern andere Indikatoren ausgewertet, um Stern­entstehungs­raten zu bestimmen – insbesondere Licht bei charakteristischen Frequenzen, das ausgestrahlt wird, wenn Molekül­wolken kollabieren, sich dabei aufheizen und die Hitze in Form bestimmter Spektral­linien abstrahlen.

Derartige Studien zeigen interessante Trends bei der Stern­entstehung. In der Vergangenheit haben Galaxien insgesamt deutlich mehr Sterne produziert als heutzutage. Tatsächlich geht die Stern­entstehungs­rate seit einer Blütezeit rund drei bis sechs Milliarden Jahre nach dem Urknall stetig zurück. Während der Phase maximaler Produktivität wurde pro Jahr rund zehn mal mehr Wasserstoff zu Sternen als heute. Die Hintergründe dieser Langzeit­entwicklung sind derzeit noch unklar. Aber die neuen Beobachtungen können unserem Wissen über die Geschichte der Stern­entstehung ein wichtiges Puzzle­teil hinzufügen: Die Menge an molekularem Wasserstoff, die zu gegebener Zeit in Galaxien für die Stern­entstehung zur Verfügung steht.

Abb.: Massendichte für molekularen Wasserstoff, aufgetragen gegen die kosmische Zeit in Form der Rotverschiebung. Die orangen Rechtecke zeigen die ALMA-Messungen an, die Linien sind Vorhersagen von Modellen, die grauen Fläche folgen aufgrund einer Extrapolation verfügbarer Daten. (Bild: R. Decarli, F. Walter et al.)

Abb.: Massendichte für molekularen Wasserstoff, aufgetragen gegen die kosmische Zeit in Form der Rotverschiebung. Die orangen Rechtecke zeigen die ALMA-Messungen an, die Linien sind Vorhersagen von Modellen, die grauen Fläche folgen aufgrund einer Extrapolation verfügbarer Daten. (Bild: R. Decarli, F. Walter et al.)

„Unsere neuen ALMA-Ergebnisse legen nahe: Je weiter wir in die Vergangen­heit zurückblicken, umso mehr Gas finden wir in den Galaxien, die wir sehen" sagt Manuel Aravena, Astronom an der Universidad Diego Portales in Santiago in Chile und der Ko-Leiter des Astronomen­teams. „Diese Zunahme an Gasgehalt dürfte der Grund für die beachtliche Zunahme der Stern­entstehungs­raten sein, die während des Höhepunkts der Galaxien­entstehung vor rund zehn Milliarden Jahre einsetzte."

„Die Kohlenstoffmonoxid-reichen Galaxien, die wir gefunden haben, leisten einen beachtlichen Beitrag zur gesamten Stern­entstehungs­geschichte unseres Kosmos", sagt Roberto Decarli, Astronom am Max-Planck-Institut für Astronomie (MPIA) in Heidelberg und Mitglied des Forscher­teams. „Mit ALMA steht uns jetzt ein neuer Weg offen, die frühe Entstehung und Entwicklung von Galaxien im Hubble Ultra Deep Field zu untersuchen."

Die Fragen danach, wie all dies im Detail funktioniert und welche Faktoren die Verfügbarkeit oder der Mangel molekularen Wasserstoffs beeinflussen, sind Leitfragen des groß­angelegten Beobachtungs­programms (Large Observation Programs) mit ALMA, das Walter und seine Kollegen gerade bewilligt bekommen haben. Bei der Bewilligung haben auch die jetzt veröffentlichten Resultate eine Rolle gespielt. Fabian Walter sagt: „Die genauen Hintergründe der Geschichte der kosmischen Stern­entstehung müssen wir erst noch verstehen. Unser jetzt bewilligtes ALMA Large Program wird die fehlenden Informationen über das Roh­material der Stern­entstehung für Galaxien im berühmten Hubble Ultra Deep Field liefern. Das sind wichtige weitere Puzzlestücke für das Rätsel der Stern­entstehung in unserem Universum."

MPIA / DE

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