Zusammensetzung des jungen Kosmos : Junge Galaxien enthielten nur wenig Staub

Genaue Messungen mit dem Radioteleskop-Verbund "Alma" zeigen, dass die chemische Evolution des jungen Universums unerwartet rasch ablief.

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Chemische Evolution. Die Abbildung zeigt junge Galaxien, rund eine Milliarde Jahre nach dem Urknall. Das Leuchten stammt von ionisiertem Kohlenstoff, der sich im interstellaren Raum zwischen den Sternen befindet. Wenige Jahrmilliarden später gibt es bereits wesentlich mehr schwere Elemente, zeigen etwas ältere Galaxien. Sie verweisen auf eine rasche Entwicklung.
Chemische Evolution. Die Abbildung zeigt junge Galaxien, rund eine Milliarde Jahre nach dem Urknall. Das Leuchten stammt von...Abb.: ALMA (NRAO/ESO/NAOJ), P. Capak; B. Saxton (NRAO/AUI/NSF), NASA/ESA Hubble

Junge Galaxien im frühen Kosmos enthalten zwar bereits viel Kohlenstoff, aber noch sehr wenig Staub. Das zeigen Beobachtungen mit der Radioteleskop-Anlage „Alma“ in der chilenischen Atacama-Wüste. Demnach haben sich die Sternsysteme in der Zeit zwischen einer und drei Milliarden Jahren chemisch rasanter entwickelt als bislang angenommen. Die Messungen zeigen auch, dass die jungen Galaxien bereits ähnlich groß und massereich waren wie die Sternsysteme im heutigen Kosmos, berichten die Wissenschaftler im Fachblatt „Nature“.

„Wir versuchen zu verstehen, wie aus dem ursprünglichen Gas aus Wasserstoff und Helium nach dem Urknall das heutige interstellare Medium mit seinen schweren Elementen und komplexen Molekülen entstanden ist“, fasst Studienleiter Peter Capak das Ziel der Studie zusammen. Alle schweren Elemente – und damit die Bausteine für Planeten und Lebewesen – sind erst durch Kernfusion in Sternen entstanden und durch die Explosion massereicher Sterne in das interstellare Medium gelangt. Demnach sollte es in jungen Galaxien deutlich weniger schwere Elemente und damit weniger Staub geben als in den heutigen Galaxien.

Zwölf Milliarden Jahre brauchte die Strahlung bis zur Erde

Bisherige Analysen haben die Vorhersage aber nicht bestätigt. Capak und Kollegen haben nun mit „Alma“, dem aus 66 Antennen bestehenden „Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array“, neun Galaxien beobachtet, deren Strahlung knapp zwölf Milliarden Jahre zur Erde benötigte. Damit sehen sie die Sternsysteme so, wie sie vor zwölf Milliarden Jahren, also eine Milliarde Jahre nach dem Urknall, ausgesehen haben. Dank der hohen Empfindlichkeit von Alma konnte das Team erstmals einen extrem geringen Staubanteil, zugleich aber auch einen überraschend hohen Anteil an Kohlenstoff in den jungen Galaxien nachweisen.

Da Kohlenstoff eine hohe Affinität zu anderen Elementen besitzt und sich mit diesen schnell zu organischen Stoffen verbindet, ist ein hoher Kohlenstoffanteil ein Indiz für einen sehr geringen Anteil an anderen schweren Elementen. „Bereits zwei Milliarden Jahre später hat sich das Bild komplett gewandelt, dann finden wir wenig Kohlenstoff und viel aus schweren Elementen aufgebauten Staub in den Galaxien“, sagt Capak. In diesem Zeitraum müsse also eine gewaltige chemische Evolution in den Galaxien stattgefunden haben.

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