Die Suche nach dem Treibstoff der Sternproduktion

7. Oktober 2013, 13:23
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Astronomen konnten im hellen Licht eines Quasars kalte Materieströme von Wasserstoff in der Nachbarschaft einer fernen Galaxie beobachten

Einem internationalen Team von Astronomen ist es gelungen, kalte Materieströme von Wasserstoff aus der Frühzeit des Universums zu beobachten, die in eine ferne Galaxie fließen und dort als Grundstoff für die Entstehung neuer Sterne dienen. Solche Ströme sind ein wichtiger Bestandteil von Modellen, die eine Ära intensiver Sternentstehung vor rund zehn Milliarden Jahren erklären sollen. Das Team um Neil Crighton vom Max-Planck-Institut für Astronomie und der Swinburne University of Technology nutzte einen Zufall: Ein ferner, heller Quasar leuchtete das Gas wie eine Art kosmischer Scheinwerfer von hinten an.

Gasnachschub für Sterne

Bei ihrer Geburt haben Galaxien wie unsere Milchstraße große Mengen an kosmischer Materie aus riesigen Reservoirs von Wasserstoff an sich gezogen. Der Wasserstoff treibt seit der Frühzeit des Universums in den Weiten des intergalaktischen Raums. Vor rund zehn Milliarden Jahren, als der Kosmos nur rund ein Fünftel so alt war wie heute, produzierten die damaligen Protogalaxien massenweise Sterne – mehr als hundert Mal so viel wie es für heutige Galaxien typisch ist. Dafür musste hinreichend Nachschub an Gas existieren.

Schwierige Überprüfung

Im vergangenen Jahrzehnt wurden derartige Szenarien in zahlreichen Computersimulationen durchgespielt. Sie dienen als Anhaltspunkt dafür, wie Galaxien an den "Treibstoff" für ihre Sternproduktion gelangen könnten: Gas fließt demnach über schmale kalte Materieströme in die Milchstraßensysteme. Wie Rinnsale aus der Schneeschmelze, die einen Bergsee speisen, wird dadurch immer wieder neues Rohmaterial angeliefert.

Ein solches Szenario auch zu überprüfen, war bisher allerdings nicht gelungen. Entsprechende Gasvorkommen in den Randregionen und in der unmittelbaren Umgebung einer Galaxie ist viel zu stark verdünnt, als dass es nachweisbare Mengen von Licht aussenden würde. Astronomen suchen daher systematisch nach kosmischen Zufällen, bei dem Quasare eine entscheidende Rolle spielen.

Ausgeleuchtete Gaswolken

Als Quasar bezeichnet man den Kern einer aktiven Galaxie in einem kurzlebigen Zwischenstadium ihrer Entwicklung. Angetrieben durch Prozesse rund um das supermassereiche schwarze Loch im Zentrum, gehören sie zwischenzeitlich zu den leuchtkräftigsten Objekten im Universum überhaupt.

Die Forscher um Neil Crighton entdeckten nun einen hellen Quasar direkt hinter intergalaktischen Gaswolken. Das Gas verschluckt dabei bestimmte Anteile des Quasarlichts, und im Spektrum erscheinen sogenannten Absorptionslinien. Muster und Formen dieser Linien geben Aufschluss über Dichte, chemische Zusammensetzung und Temperatur des Gases.  Durch diese Beobachtung konnte das bisher überzeugendste Beispiel für Gas aus einem der intergalaktischen Reservoirs erbracht werden, das in eine Galaxie fließt. Die Galaxie mit der Katalognummer Q1442-MD50 ist so weit von uns entfernt, dass ihr Licht rund elf Milliarden Jahre benötigte, um uns zu erreichen.

Das einströmende Gas befindet sich, nach galaktischen Maßstäben beurteilt, direkt in der Nachbarschaft, nämlich nur 190.000 Lichtjahre von der Galaxie entfernt. Crighton und seine Kollegen konnten in der Gaswolke zudem Spuren von schwerem Wasserstoff nachgewiesen - von Deuterium, in dessen Kern neben dem Proton ein Neutron sitzt.

Urtümliches Beschaffenheit

Die Atomkerne u.a. dieses Elements entstanden nach heutigem Wissen wenige Minuten nach dem Urknall. Alle schwereren Elemente, etwa Kohlenstoff oder Stickstoff, bildeten sich erst im Laufe der Zeit, insbesondere im heißen Innern von Sternen. Deuterium allerdings kann in Sternen nicht erzeugt werden, es würde sogar unter den dort herrschenden Bedingungen zerstört.

Die Forscher glauben daher, die Anwesenheit von Deuterium zeige, dass es sich nicht um eine Wolke von Gas handelt, die jemals Bestandteil eines Sterns war. Vielmehr gehen sie von einem urtümlichen Gas aus: Von Materie aus den großen Wasserstoffreservoirs, die seit der Urknallphase chemisch so gut wie unverändert geblieben sind.

Suche nach weiteren Quasar-Galaxienpaaren

"Das ist nicht das erste Mal, das Astronomen mithilfe eines Quasars Gas in der Nachbarschaft einer fernen Galaxie gefunden haben", sagt Neil Crighton. Allerdings würden erst jetzt alle Teile des Puzzles zusammenpassen: "In der Galaxie, die wir beobachtet haben, entstehen gerade jetzt enorme Mengen von Sternen. Und für das Gas konnten wir zeigen, dass es sich tatsächlich um urtümliches Gas aus der Zeit direkt nach dem Urknall handelt."

Die Astronomen suchen nun mithilfe des Large Binocular Telescope in Arizona und das Very Large Telescope der Europäischen Südsternwarte (ESO) in Chile nach weiteren Quasar-Galaxienpaaren, um ihre Erkenntisse zu vertiefen. (red, derStandard.at, 5.10.2013)

  • Diese Abbildung zeigt die Galaxie Q1442-MD50, in die kalte Materieströme von Gas fließen. Einer der Materieflüsse wird von hinten vom Quasar QSO J1444535+291905 beleuchtet.
    foto: mpia/g. stinson/a. v. macciò

    Diese Abbildung zeigt die Galaxie Q1442-MD50, in die kalte Materieströme von Gas fließen. Einer der Materieflüsse wird von hinten vom Quasar QSO J1444535+291905 beleuchtet.

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