Untersuchung von Lyman-α-Galaxien mit Hilfe des starken Gravitationslinseneffektes

1. November 2018

Der starke Gravitationslinseneffekt ist ein extrem leistungsfähiges Hilfsmittel, um die Grenzen der Auflösung aktueller Teleskope zu überwinden und das hoch-rotverschobene, d.h. entfernte Universum zu untersuchen. Wissenschaftler des MPA nutzen diesen Effekt, um eine detaillierte Studie von 17 Lyman-α-Galaxien durchzuführen. Dabei konnten sie die Größen und Sternentstehungsraten aus der rekonstruierten UV-Kontinuumsstrahlung bestimmen.

Bilder des Hubble-Weltraum-Teleskops aller Gravitationslinsensysteme. Die Skala für die Oberflächenhelligkeit ist in Elektronen pro Sekunde angegeben. Die Morphologien der Linsensysteme sind sehr unterschiedlich, von fast vollständigen Einsteinringen bis hin zu sehr kompakten 2-Bild-Systemen.

Lyman-α-emittierende (LAE) Galaxien stellen eine einzigartige Sonde des jungen Universums dar, etwa 1 bis 2 Milliarden Jahre nach dem Urknall. Typische LAEs zeichnen sich durch eine hohe Ionisation und eine starke Sternentstehung bei einem geringen Metallgehalt aus (d.h. es gibt nur wenige Elemente schwerer als Wasserstoff). Gleichzeitig haben diese Galaxien typischerweise nur eine geringe Masse. Die Lyman-α-Emission entsteht, wenn Elektronen mit den ionisierten Wasserstoffatomen rekombinieren. Die oben genannten Eigenschaften, zusammen mit einem geringen Staubgehalt, führen dann dazu, dass ein signifikanter Anteil dieser Photonen die Galaxie verlassen kann. Man geht davon aus, dass diese Emission eine entscheidende Rolle bei der Reionisation des jungen Universums gespielt hat; gleichzeitig ist aber nur sehr wenig über die detaillierte Struktur dieser Galaxien und vor allem über den Mechanismus bekannt, der zur Entstehung dieser energiereichen Photonen führt.

Bisher beschränkte sich die Untersuchung dieser Objekte bei hoher Rotverschiebung auf die Quantifizierung der Eigenschaften ihrer starken optischen Linien. Alternativ wurden Anstrengungen unternommen, lokale Analoga zu identifizieren, d.h. nahegelegene Galaxien mit ähnlichen physikalischen und morphologischen Eigenschaften. Beide Ansätze erfordern jedoch erhebliche Investitionen in die Teleskopzeit.

Diese Bilder zeigen das Linsenmodell eines der Systeme in der Probe, und zwar (von links) die tatsächlichen Daten, das Modell, normierte Residuen sowie die Rekonstruktion der Quelle. Kritische Kurven und Kaustiken sind in Grau dargestellt.

Eine weitere Ressource zur Untersuchung dieser Galaxien sind hochauflösende, bildgebende Studien, die bereits sehr nützlich waren, um mehr über ihre Struktur zu erfahren. LAEs sind nachweislich sehr kompakte Objekte, und es gibt keine Hinweise darauf, dass sie ihre Größe im Laufe ihrer Entwicklung stark ändern. Außerdem sind sie von einem großen Halo umgeben, der ebenfalls Lyman-α-Strahlung emittiert und der im Schnitt zehnmal größer ist als der Bereich mit UV-Kontinuumsstrahlung. Auch dieser Halo zeigt keine Größenentwicklung bei unterschiedlichen Rotverschiebungen. Allerdings sind solche Studien derzeit durch die Winkelauflösung der Beobachtungen begrenzt und es ist schwierig, die detaillierte Struktur dieser Objekte zu bestimmen.

Um diese Limitierungen zu überwinden, kann man den starken Gravitationslinseneffekt zu Hilfe nehmen. Die erste statistisch signifikante Sammlung von Systemen, bei denen LAEs bei z~2,5 von jüngeren Galaxien bei z~0,5 stark gelinst werden, wurde kürzlich durch Beobachtungen mit dem Hubble-Weltraumteleskop erzielt. Da der Linseneffekt auch zu einer Verstärkung um einen Faktor von etwa 20 führt, können wir die detaillierte Struktur dieser Galaxien auf Größenordnungen von etwa 100 Parsec (etwa 300 Lichtjahre) untersuchen.

Die Intensität der Sternentstehungsraten der Objekte aus Abb. 1, basierend auf der jeweiligen Rekonstruktion der Quelle mit einem rasterbasierten Gravitationslinsenmodell. Die Farbskala für jedes Objekt ist in Einheiten der Sonnenmassen pro Jahr in einem Quadrat mit 1 Kiloparsec Seitenlänge angegeben. (Die Rekonstruktion des Objektes J0201+3228 wurde nicht berücksichtigt, da hier starke Residuen auftraten.)

Wir haben die intrinsischen Eigenschaften der UV-Kontinuumsstrahlung dieser LAEs untersucht und festgestellt, dass sie eine mittlere Sternentstehungsrate von 1,4 Sonnenmassen pro Jahr mit Spitzenwerten von bis zu 54 Sonnenmassen pro Jahr aufweisen. (Diese Werte stellen eine untere Grenze dar, da es keine Möglichkeit gab den Effekt von Staub zu korrigieren.) Darüber hinaus konnten wir zeigen, dass diese Galaxien recht kompakt sind, mit einer mittleren Größe von etwa 500 Parsec und Radien, die von 200 bis 1800 Parsec reichen – unsere Milchstraße mit etwa 60 000 Parsec ist demgegenüber ein wahrer Riese. Interessanterweise zeigen die LAEs recht komplexe Morphologien mit mehreren kompakten und diffusen Komponenten; in einigen Fällen scheinen sie sogar miteinander zu wechselwirken. In zwei Fällen sehen wir bei den Galaxien Komponenten neben der Hauptachse, dies könnte auf eine Galaxienverschmelzung hindeuten.

Interessanterweise sind unsere LAEs recht elliptisch, mit einem mittleren Achsenverhältnis von etwa 0,5. Diese Morphologie steht (für drei Viertel unserer Stichprobe) im Einklang mit einer scheibenartigen Struktur, in der Sternentstehung stattfindet, was Modelle ausschließen würde, bei denen die Lyman-α-Emission nur senkrecht zur Scheibe gesehen wird. Stattdessen werden „klumpige“ Modelle bevorzugt. Unsere Ergebnisse sind im Einklang mit den Studien an nicht-gelinsten LAEs bei ähnlichen Rotverschiebungen; aufgrund der besseren Winkelauflösung unserer Analyse und der Tatsache, dass keine Stapeltechniken erforderlich sind, sind sie aber robuster.

Mit 200 Parsec ist unsere untere Grenze für die intrinsische Größe dieser Objekte um einen Faktor zwei kleiner als das, was in nicht-gelinsten LAEs-Studien erreicht wird. Unsere Analyse zeigt somit erneut, dass Gravitationslinsen als leistungsfähige Hilfsmittel zur Analyse und der Auflösung der detaillierten Struktur von Galaxien bei hoher Rotverschiebung eingesetzt werden können. Deren physikalische und morphologische Eigenschaften können somit mit einer Auflösung untersucht werden, die sonst bei nahegelegenen Objekten möglich ist.

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