Jun 16

ALMA beobachtet weitest entfernten Sauerstoff im Universum

Right panel: The red galaxy at the center of the image is the very distant galaxy, SXDF-NB1006-2. Left panels: Close-ups of the distant galaxy.
Rechte Bildhälfte: Die rote Galaxie im Zentrum des Bildes ist die ferne Galaxie, SXDF-NB1006-2. Linke Bildhälfte: Nahaufnahmen der fernen Galaxie

Herkunftsnachweis: NAOJ

Ein Team von Astronomen entdeckte mit dem Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) leuchtenden Sauerstoff in einer fernen Galaxie, gerade einmal 700 Millionen Jahre nach dem Urknall. Dies ist die am weitesten entfernte Galaxie, in der Sauerstoff eindeutig nachgewiesen wurde. Das Gas wurde mit hoher Wahrscheinlichkeit durch die intensive Strahlung von jungen Riesensternen ionisiert. Die Galaxie scheint ein Beispiel für jene Art von Quellen zu sein, die in der frühen Phase des Universums für die erneute kosmische Ionisation verantwortlich sind.

Astronomen aus Japan, Schweden, Großbritannien und von der ESO nutzten das Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), um eine der am weitesten entfernten Galaxien im Universum zu beobachten. SXDF-NB1006-2 besitzt eine Rotverschiebung von 7,2, das bedeutet, dass wir die Galaxie nur 700 Millionen Jahre nach dem Urknall beobachten.

Das Team hoffte schwere chemische Elemente [1] in der Galaxie zu finden. Deren Häufigkeit verrät den Grad der Sternentstehung in der Galaxie und gibt in weiterer Folge Aufschluss über die sogenannte Phase der sogenannen Reionisation im Universum.

„Die Suche nach schweren Elementen im frühen Universum ist eine wesentliche Methode zur Erforschung der Aktivität von Sternentstehung in dieser kosmischen Periode“, erläutert Akio Inoue von der Universität von Osaka Sangyo in Japan,Erstautor der im Wissenschaftsjournal Science publizierten Arbeit, und ergänzt: „Die Untersuchung von schweren Elementen lässt uns auch verstehen, wie diese Galaxien entstanden und was die kosmische Re-Ionisation auslöste.“

Vor Entstehung der Sterne und Galaxien war das Universum mit einem elektrisch neutralen Gas erfüllt. Als die ersten Objekte einige hundert Millionen Jahre nach dem Urknall zu leuchten begannen, sandten sie intensive Strahlung aus. Diese Strahlung zerteilte die neutralen Atome und ionisierte damit das Gas. Diese Phase des Universums wird als kosmische Reionisation bezeichnet und veränderte das Universum grundlegend. Darüber, welche Objekte diese Reionisation auslösten, wird viel diskutiert und geforscht. Die Untersuchung der Eigenschaften von sehr jungen Galaxien kann bei der Beantwortung dieser Frage helfen.

Vor der Beobachtung der fernen Galaxie setzten die Forscher Computerprogramme ein, um die Möglichkeit eines Nachweises von ionisiertem Sauerstoff mit ALMA zu simulieren. Dabei berücksichtigten sie auch Beobachtungen von viel näher liegenden Galaxien und schlossen daraus, dass die Emission von Sauerstoff auch bei kosmologischen Distanzen mit ALMA nachweisbar sein müsste [2].

Danach führten sie hochempfindliche Messungen mit ALMA [3] durch und fanden Emission von ionisiertem Sauerstoff in SXDF-NB1006-2. Damit gelang der eindeutige Nachweis von Sauerstoff in der bisher am weitesten entfernten Galaxie des Universums [4]. Dies ist ein klarer Beweis für die Präsenz von Sauerstoff im frühen Universum, nur 700 Millionen Jahre nach dem Urknall.

Bei den Messungen stellte sich heraus, dass die Häufigkeit von Sauerstoff in SXDF-NB1006-2 zehn Mal geringer als in unserer Sonne ist. „Diese geringe Häufigkeit wurde erwartet, da das Universum noch sehr jung war und nur eine kurze Zeit für Sternentstehung zur Verfügung stand”,  bemerkt Naoki Yoshida von der Universität von Tokyo. „Unsere Simulation sagte eine zehnfach geringere Häufigkeit als in der Sonne voraus, aber wir haben auch ein unerwartetes Ergebnis, einen sehr kleinen Anteil an Staub.“ 

Das Team konnte hingegen in der Galaxie keine Emission von Kohlenstoff nachweisen. Die Galaxie besitzt daher wahrscheinlich sehr wenig nicht ionisiertes Wasserstoffgas und auch nur sehr geringe Mengen an Staub, der aus schweren Element besteht. „Etwas Eigenartiges geht in dieser Galaxie vor sich“, schließt Inoue. „Ich vermute, dass fast alles Gas hochgradig ionisiert ist.“

Der Nachweis von ionisiertem Sauerstoff deutet darauf hin, dass sich viele sehr helle Sterne, dutzende Male schwerer als die Sonne, in der Galaxie gebildet haben und durch ihre intensive ultraviolette Strahlung die Sauerstoffatome ionisieren.

Das Fehlen von Staub in der Galaxie erlaubt der intensiven ultravioletten Strahlung, die Galaxie zu verlassen und große Mengen an Gas außerhalb der Galaxie zu ionisieren. „SXDF-NB1006-2 könnte ein Prototyp jener Lichtquellen sein, die für die kosmische Reionisation verantwortlich sind“, sagte Inoue.

„Dies ist ein wichtiger Schritt in Richtung besseres Verständnis, welche Objekte die kosmische Reionisation verursachen“,erklärt Yoichi Tamura von der Universität von Tokyo. „Unsere nächsten Beobachtungen mit ALMA haben gerade begonnen. Eine höhere Auflösung bei den Beobachtungen wird uns erlauben, die räumliche Verteilung und die Bewegung des ionisierten Sauerstoffs in der Galaxie zu analysieren und damit die Eigenschaften der Galaxie besser zu verstehen.“

Endnoten

[1] In astronomischer Terminologie werden chemische Elemente schwerer als Lithium als schwere Elemente bezeichnet.

[2] Der japanische Infrarot-Satellit AKARI fand heraus, dass diese Art der Sauerstoff-Emission in der Großen Magellanschen Wolke sehr hell ist und diese daher eine Umgebung besitzt, die sehr ähnlich der im frühen Universum ist.

[3] Die Wellenlänge von ruhendem, doppelt ionisierten Sauerstoff beträgt 0,088 Millimeter. Die Wellenlänge von SXDF-NB1006-2 wird durch die Ausdehnung des Universums auf 0,725 Millimeter gestreckt und wird daher durch ALMA beobachtbar.

[4] Ältere Arbeiten von Finkelstein et al. schlugen die Anwesenheit von Sauerstoff in einer etwas früheren Periode vor, jedoch gab es keine direkte Beobachtung einer diesbezüglichen Emissionslinie wie in dieser neuen Arbeit.

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