Wie sich im frühen Universum riesige Galaxien bilden konnten

In den vergangenen zwei Jahrzehnten wurden zur Überraschung der Astronomen viele elliptische Galaxien mit älteren Sternen und sehr wenig kaltem Gas, aus dem neue Sterne entstehen können, entdeckt, die nur wenige Milliarden Jahre nach dem Urknall entstanden sind. Mit den existierenden Modellen, die die Entstehung von Strukturen im Kosmos beschreiben, ließ sich das nicht ausreichend erklären.

Das Forschungsteam um Sulzenauer und Axel Weiß vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR) hat mit dem Radioteleskop ALMA (Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array) in Chile das kalte Gas und den Staub im Zentrum des 1,4 Milliarden Jahre alten Protoclusters "SPT2349-56" beobachtet. Als Protocluster werden ausgedehnte Vorläuferstrukturen von Galaxienhaufen mit hoher Materiedichte aus dem frühen Universum bezeichnet.

Die ALMA-Daten zeigten, "wie eine extrem kompakte Gruppe von 40 Galaxien zeitgleich interagiert und zu einem gemeinsamen Zentrum zusammenfällt", erklärte Sulzenauer gegenüber der APA. Die Strukturen mit den höchsten Dichten müssen sich dabei bereits bei nur zehn Prozent des Alters des Kosmos (13,8 Mrd. Jahre, Anm.) von der Expansion des Universums entkoppelt und rasch diesen Protocluster mit kollabierenden Strukturen gebildet haben. Das durch Kollaps verdichtete Gas und die Sternentstehung in diesen Gebieten offenbart sich in einem "kosmischen, unglaublich hellen Feuerwerk im fernen Infrarot- und Millimeterbereich".

Alle 40 Minuten ein neuer Stern

Der beobachtete Protocluster "SPT2349-56" hält den Forschern zufolge den Rekord für die aktivste Sternfabrik: Im Zentrum fanden sie vier eng miteinander wechselwirkende Galaxien, die alle 40 Minuten einen Stern hervorbringen. Zum Vergleich: In der Milchstraße dauert es derzeit ein Jahr, bis sich drei bis vier Sterne bilden.

"Dieses Galaxienquartett stößt riesige, zusammenhängende Gezeitenarme mit einer Geschwindigkeit von 300 Kilometern pro Sekunde aus, die sich über einen Bereich erstrecken, der viel größer ist als die Milchstraße", erklärte Sulzenauer. Die Gasklumpen in den Armen sind wie Perlen einer Kette aufgefädelt und umgeben den Kern des Protoclusters. "Zu unserer Überraschung sind diese Klumpen mit 20 weiteren Galaxien verbunden, die sich in den Außenbereichen der kollabierenden Struktur befinden, was auf einen gemeinsamen Ursprung hindeutet", so Sulzenauer.

Kaskadenartige Verschmelzung

Erstmals konnten die Astronomen den Beginn einer solch kaskadenartigen Verschmelzung beobachten. Anstatt wie bisher angenommen über Milliarden Jahre hinweg langsam Masse anzusammeln, werden voraussichtlich die meisten der 40 gasreichen Galaxien in dem Protocluster zerstört und schließlich in der im kosmischen Maßstab kurzen Zeit von weniger als 300 Millionen Jahren eine einzige, riesige elliptische Galaxie bilden.

Es sei noch zu früh, um zu behaupten, dass man die frühe Kindheit riesiger elliptischer Galaxien vollständig verstehe, betont das Forschungsteam. Beim Verständnis der Verbindung zwischen den Gezeitenarmen in Protoclustern und dem Entstehungsprozess massereicher Galaxien sei man aber schon weit gekommen.

(S E R V I C E - https://doi.org/10.3847/1538-4357/ae2ff0 )