Ein fernes Ebenbild der Milchstraße

Astronomen finden mithilfe einer Gravitationslinse die am weitesten entfernte Scheibengalaxie

12. August 2020

Forschende am Max-Planck-Institut für Astrophysik haben eine extrem weit entfernte und daher sehr junge Galaxie entdeckt, die unserer Milchstraße überraschend ähnlich sieht. Die Galaxie ist so weit entfernt, dass ihr Licht mehr als 12 Milliarden Jahre gebraucht hat, um uns zu erreichen: Wir sehen sie im Zustand, als das Universum gerade einmal 1,4 Milliarden Jahre alt war. Außerdem ist sie überraschend wenig chaotisch und widerspricht den Theorien, dass alle Galaxien im frühen Weltall turbulent und instabil waren. Diese unerwartete Entdeckung stellt unser Verständnis der Entstehung von Galaxien in Frage und verleiht neue Einblicke in die Vergangenheit des Kosmos.

Kosmischer Ring: Astronomen haben eine extrem weit entfernte und daher sehr junge Galaxie entdeckt, die unserer Milchstraße überraschend ähnlich sieht. Das Licht dieser Galaxie namens SPT0418-47 wird von einer nahen Galaxie gravitativ verzerrt und erscheint am Himmel als nahezu perfekter Lichtkranz, als „Einstein-Ring“.

„Dieses Ergebnis bedeutet einen Durchbruch auf dem Gebiet der Galaxienentstehung und zeigt, dass die Strukturen, die wir in nahen Spiralgalaxien und in unserer Milchstraße beobachten, bereits vor 12 Milliarden Jahren vorhanden waren“, sagt Francesca Rizzo, Doktorandin vom Max-Planck-Institut für Astrophysik und Leiterin der Forschungsgruppe.

Die Galaxie mit der Bezeichnung SPT0418-47 scheint zwar keine Spiralarme zu haben, weist aber mindestens zwei für unsere Milchstraße typische Merkmale auf: eine rotierende Scheibe und einen Bulge – eine große Ansammlung von Sternen, die dicht um das galaktische Zentrum gepackt sind. Zum ersten Mal wurde ein solcher Bulge so früh in der Geschichte des Universums beobachtet. SPT0418-47 darf daher als das am weitesten entfernte Ebenbild der Milchstraße gelten.

„Tatsächlich ist dieses Milchstraßensystem nahe gelegenen Galaxien recht ähnlich. Das jedoch widerspricht den Erwartungen aus den Modellen und früheren, weniger detaillierten Beobachtungen“, sagt Co-Autor Filippo Fraternali vom Astronomischen Institut Kapteyn der niederländischen Universität Groningen. Im frühen Universum befanden sich junge Galaxien noch im Entstehungsprozess. Daher erwarteten die Forscher, dass sie chaotisch sind und nicht die ausgeprägten Strukturen aufweisen, die für weiter entwickelte Galaxien wie die Milchstraße typisch sind.

Die Untersuchung entfernter Objekte wie SPT0418-47 ist grundlegend für unser Verständnis der Entstehung und Entwicklung von solchen Systemen. Diese Galaxie ist so weit entfernt, dass wir sie sehen, als das Universum nur zehn Prozent seines heutigen Alters hatte, weil ihr Licht 12 Milliarden Jahre brauchte, um die Erde zu erreichen. Wenn wir sie studieren, gehen wir in eine Zeit zurück, in der diese Baby-Galaxien erst am Anfang ihrer Entwicklung standen.

Scheibe im All: Die Forschenden rekonstruierten die wahre Form der entfernten Galaxie, die hier gezeigt wird, und die Bewegung ihres Gases aus den ALMA-Daten mithilfe einer neuen computergestützten Modellierungstechnik. Die Beobachtungen deuten darauf hin, dass es sich bei SPT0418-47 um eine Scheibengalaxie mit einem zentralen Bulge handelt und das Material darin um das Zentrum rotiert.

Weil solche Galaxien selbst in leistungsfähigsten Teleskopen sehr klein und lichtschwach erscheinen, nutzten die Forschenden eine nahe Galaxie gleichsam als starkes Vergrößerungsglas: Dabei verzerrt und krümmt die Gravitationskraft der nahen Galaxie das Licht der fernen und lässt sie vergrößert erscheinen. Dank dieses Gravitationslinseneffekts blickten die Astronomen mit hoher Detailgenauigkeit in die Vergangenheit. Dabei nutzten sie das Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array (ALMA), eine Anlage aus 66 Einzelantennen, die das Weltall im Millimeterbereich mustern.

Das gravitativ vergrößerte, weit entfernte System SPT0418-47 erschien dank seiner nahezu exakten Ausrichtung als ein fast perfekter Lichtkranz um die nahe Galaxie. Das Team rekonstruierte die wahre Form der fernen Galaxie und die Bewegung ihres Gases aus den ALMA-Daten mithilfe einer computergestützten Modellierungstechnik. „Als ich das rekonstruierte Bild von SPT0418-47 zum ersten Mal sah, konnte ich es nicht glauben: Eine Schatztruhe öffnete sich“, sagt Rizzo.

„Was wir gefunden haben, war ziemlich rätselhaft. Obwohl sich Sterne mit hoher Geschwindigkeit bilden und daher hochenergetische Prozesse ablaufen, ist SPT0418-47 die am stärksten geordnete Galaxienscheibe, die je im frühen Universum beobachtet wurde“, sagt Mitautorin Simona Vegetti, ebenfalls vom Max-Planck-Institut für Astrophysik. „Dieses Ergebnis ist ziemlich unerwartet und hat wichtige Auswirkungen darauf, wie sich nach unseren Vorstellungen Galaxien entwickeln.“

Die Astronomen merken an, dass SPT0418-47 zwar eine Scheibe und andere Merkmale aufweist, die denen der heutigen Spiralgalaxien ähneln. Aber sie erwarten, dass sie sich zu einer Galaxie entwickeln wird, die sich dereinst von der Milchstraße unterscheidet. Sie reiht sich dann in die Klasse der elliptischen Galaxien ein – einer anderen Art von Galaxien, die neben den Spiralgalaxien heute das Universum bevölkern.

Diese unerwartete Entdeckung deutet darauf hin, dass das frühe Universum vielleicht nicht so chaotisch ist, wie man einst glaubte. Und: Wie konnte sich eine gut geordnete Galaxie so kurz nach dem Urknall gebildet haben? Zukünftige Studien – auch mit dem Extremely Large Telescope der Europäischen Südsternwarte (ESO) – werden versuchen herauszufinden, wie typisch diese Baby-Scheibengalaxien wirklich sind und ob sie weniger chaotisch sind als vorhergesagt. Dies eröffnet den Astronomen neue Wege, um herauszufinden, wie sich Galaxien entwickelt haben.

HAE / HOR

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