Gammablitz enthüllt Verblüffendes über zwei junge Galaxien

3. November 2011, 12:12
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Strahlenausbruch verriet ungewöhnliche chemische Zusammensetzung zweier Sterneninseln im frühen Universum

Ein kurzer, gleißender Blitz, der die Erde aus fernen Gefilden des Universums erreichte, hat Astronomen überraschende Erkenntnisse über frühe Galaxien beschert. Die Forscher beobachteten mit dem Very Large Telescope der ESO das Licht eines Gammastrahlenausbruchs in einer 12 Milliarden Lichtjahre entfernten Region. Auf seiner Reise durchquerte der helle Schein zwei Galaxien des noch jungen Weltalls und enthüllte dabei gleichsam ihre Zusammensetzung. Was die Astronomen dabei entdeckten, galt bisher als undenkbar: die beiden kaum zwei Milliarden Jahre alten Galaxien besaßen einen höheren Anteil an schweren Elementen als unsere Sonne.

Gammastrahlenausbrüche (auf Englisch Gamma Ray Bursts, kurz GRBs) sind die hellsten Explosionen im Universum, die mit Supernova-Explosionen von massereichen, jungen Sternen im Zusammenhang stehen. Entdeckt werden sie zumeist von Satellitenobservatorien, die den anfänglichen, kurzen Ausbruch von Gammastrahlung registrieren. Anschließend richten die Astronomen unverzüglich auch erdgebundene Teleskope auf die entsprechende Himmelsposition, um das Nachleuchten des Ausbruchs im sichtbaren und infraroten Spektralbereich zu beobachten, das einige Stunden bis Tage lang anhält. Der Gammastrahlenausbruch mit dem Kürzel GRB 090323, wurde zuerst vom Gammastrahlen-Weltraumobservatorium Fermi der NASA entdeckt. Kurz darauf wurde der Ausbruch auch vom Röntgendetektor auf dem Swift-Satelliten der NASA und vom GROND-System am MPG/ESO 2,2-Meter-Teleskop in Chile (eso1049) nachgewiesen. Bereits einen Tag nach der Explosion konnte der Ausbruch dann sehr detailliert mit dem Very Large Telescope (VLT) der ESO untersucht werden.

Die VLT-Beobachtungen zeigen, dass das helle Licht des Gammastrahlenausbruchs sowohl die Galaxie, in der der Ausbruch stattfand, als auch eine weitere, in der Nähe der ersten befindliche Galaxie durchquert hat. Diese Galaxien sehen wir heute so, wie ihr Zustand vor etwa 12 Milliarden Jahren war. Derart weit entfernte Galaxien werden nur selten vom Licht eines Gammastrahlenausbruchs durchleuchtet.

Überraschende Chemie

"Während wir das Licht dieses Gammastrahlenausbruchs untersuchten, wussten wir noch nicht was uns erwarten würde. Wir waren sehr überrascht, denn das kühle Gas dieser beiden Galaxien im frühen Universum hatte eine völlig unerwartete chemische Zusammensetzung", erklärt Sandra Savaglio vom Max-Planck Institut für Extraterrestrische Physik in Garching bei München, die Erstautorin des Fachartikels in den "Monthly Notices of the Royal Astronomical Society". "Diese Galaxien enthielten mehr schwere Elemente, als je zuvor in einer Galaxie in einer so frühen Phase der Entwicklung des Universums beobachtet wurden. Wir waren bisher davon ausgegangen, dass das Universum damals chemisch noch nicht derart weit entwickelt gewesen sein konnte."

Während das Licht des Gammastrahlenausbruchs die Galaxien durchquerte, wirkte das Gas in den Galaxien wie ein Filter und absorbierte Licht bei ganz bestimmten Wellenlängen. Ohne den Gammastrahlenausbruch wären diese lichtschwachen Galaxien unsichtbar geblieben. Indem die Astronomen die verräterischen Fingerabdrücke untersuchten, die verschiedene chemische Elemente im Licht des Ausbruchs hinterließen, waren sie in der Lage, die chemische Zusammensetzung des kühlen Gases in diesen weit entfernten Galaxien zu analysieren. So konnten sie herausfinden, wie stark die Galaxien bereits mit schweren Elementen angereichert waren.

Allgemein erwartet man, dass Galaxien im frühen Universum weniger schwere Elemente enthalten als heutige Galaxien. Die schweren Elemente werden während des Lebens und Sterbens von Sternen mehrerer Generationen produziert, und reichern sich so nach und nach im Gas der Galaxien an. Astronomen sind daher in der Lage, anhand der chemischen Anreicherung von Galaxien festzustellen, wie weit diese Galaxien in ihrer Entwicklung fortgeschritten sind. Die neuen Beobachtungen zeigen nun aber, dass manche Galaxien schon weniger als zwei Milliarden Jahre nach dem Urknall sehr reich an schweren Elementen gewesen sind. Das erschien bis dahin völlig undenkbar.

Sternenentstehung am Fließband

Um das kühle Gas so stark und schnell anzureichern, müssen sich in dem neu entdeckten Galaxienpaar rasend schnell neue Sterne bilden. Da die beiden Galaxien sehr nahe beieinander liegen, verschmelzen sie möglicherweise gerade miteinander. In den Gaswolken, die dabei miteinander kollidieren, sollten erheblich mehr Sterne entstehen als in normalen Galaxien. Die neuen Ergebnisse stützen auch die These, dass Gammastrahlenausbrüche im Zusammenhang mit der schnellen Entstehung vieler massereicher Sterne stehen.
Die rapide Entstehung von Sternen in solchen Galaxien könnte bereits früh in der Geschichte des Universums wieder abgeklungen sein. Heute, zwölf Milliarden Jahre später, würden die Überreste dieser Galaxien lediglich noch eine große Zahl von Sternleichen enthalten, etwa Schwarze Löcher und viele kühle Zwergsterne. Eine solche Population von "toten Galaxien", die nur noch ein Schatten ihrer eigenen, gleißend hellen Vergangenheit sind, wäre heute nur sehr schwer nachzuweisen.

"Wir hatten großes Glück, dass wir GRB 090323 binnen kürzester Zeit beobachten konnten. Damit war der Ausbruch hell genug, dass wir mit dem VLT hochgenaue Daten gewinnen konnten. Gammastrahlenausbrüche bleiben nur für eine kurze Zeit ausreichend hell, so dass es sehr schwierig ist, gute Beobachtungsergebnisse zu erhalten. Wir hoffen, dass wir solche Galaxien in Zukunft mit sehr viel empfindlicheren Instrumenten erneut beobachten können. Sie wären perfekte Beobachtungsobjekte für das in Planung befindliche europäische Großteleskop E-ELT", schließt Savaglio. (red)

  • Die künstlerische Darstellung zeigt den Gammastrahlenausbruch, der die beiden jungen Galaxien durchleuchtet.
    foto: eso/l. calçada

    Die künstlerische Darstellung zeigt den Gammastrahlenausbruch, der die beiden jungen Galaxien durchleuchtet.

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