Astronomie: Zeitreise in die Kindheit des Universums

Seit mehr als einem Jahrzehnt gibt die Galaxie HDF 850.1 den Astronomen Rätsel auf. So konnte kein Forscher ihr Alter bestimmen. Das ist jetzt Fabian Walter vom Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg und Kollegen geglückt. Mit 12,6 Milliarden Lichtjahren ist sie deutlich weiter entfernt als bislang angenommen. Sie besitzt damit auch mehr Masse und strahlt mehr Energie ab, als Forscher zuvor berechnet hatten. Und sie wartet mit einer weiteren Besonderheit auf: Sie erzeugt 800 mal mehr neue Sterne als unsere Milchstraße – im jungen Kosmos, nicht einmal eine Milliarde Jahre nach dem Urknall. Davon berichten die Wissenschaftler im Fachblatt „Nature“.

„Es war bisher nicht möglich, Entfernung, Größe und Masse dieser Galaxie zu bestimmen“, erläutern die Forscher. HDF 850.1 ist zwar die hellste Galaxie im „Hubble Deep Field“, einer der am besten untersuchten Himmelsregionen. Das gilt jedoch nur für den Bereich der Submillimeter-Strahlung, elektromagnetischen Strahlen mit Wellenlängen knapp unter einem Millimeter, die mit Radioteleskopen detektiert werden. Im optischen Licht hingegen ist das Sternsystem selbst mit den größten Teleskopen nicht zu erkennen. Dadurch konnten die Astronomen ihre üblichen Verfahren zur Bestimmung der physikalischen Größen von Galaxien nicht anwenden.

Das Hubble Deep Field ist ein winziger Himmelsausschnitt, etwa so groß wie ein Tennisball, betrachtet aus 100 Metern Entfernung. Es befindet sich im Sternbild Großer Bär. 1995 hat das Weltraumteleskop „Hubble“ diesen Bereich mit einer Belichtungszeit von mehr als 30 Stunden fotografiert, um mit dieser „tiefen“ Aufnahme bis an den Rand des sichtbaren Universums vorzustoßen. Um die physikalischen Eigenschaften der so sichtbar gemachten Himmelsobjekte zu bestimmen, haben die Astronomen das Hubble Deep Field auch in zahlreichen anderen Wellenlängenbereichen untersucht – unter anderem im Submillimeter-Bereich.

In diesem Abschnitt des elektromagnetischen Spektrums strahlen vor allem Galaxien, in denen viele neue Sterne entstehen. Denn die Sternentstehungsregionen sind oft von dichten Staubwolken verhüllt, die die optische Strahlung absorbieren und die so aufgenommene Energie als langwelligere Strahlung wieder abgeben. HDF 850.1 ist das Extrembeispiel einer solchen „Submillimeter-Galaxie“: extrem leuchtstark im Submillimeter-Bereich, im optischen Licht dagegen trotz aller Anstrengungen nicht aufzuspüren.

Und das stellte die Wissenschaftler vor ein großes Problem, denn so konnten sie die Entfernung des Systems nicht bestimmen. Die Expansion des Weltalls seit dem Urknall vor 13,7 Milliarden Jahren dehnt auch die Strahlung ferner Himmelsobjekte auf ihrem Weg zur Erde, sie verschiebt sie zu längeren Wellenlängen. Dieser Rotverschiebung genannte Effekt ist umso stärker, je länger die Strahlung unterwegs, je größer also auch die Entfernung ist. Die Astronomen können daher aus der Rotverschiebung die Entfernung berechnen, und damit auch die anderen Kenngrößen eines Objekts. Doch die Messung der Rotverschiebung war bislang im Submillimeter-Bereich nicht möglich.

Dank der Weiterentwicklung der Detektortechnik konnten Walter und sein Team nun erstmals die Rotverschiebung zwar nicht im Submillimeter-, aber im direkt benachbarten Millimeterwellen-Bereich messen. Sie fanden eine Streckung der Wellenlängen um einen Faktor von 6,2, das entspricht einer Entfernung von 12,6 Milliarden Lichtjahren.

Hatten die Astronomen HDF 850.1 bislang aufgrund ihrer Helligkeit für eine näher gelegene Galaxie mit zwar erhöhter, aber nicht spektakulärer Sternentstehungsrate gehalten, so entpuppte sie sich nun als Gigant: Sie enthält etwa die 130-milliardenfache Masse der Sonne und produziert rund 800 mal so viele neue Sterne wie unsere Milchstraße. HDF 850.1 ist also eine „Starburst-Galaxie“, ein System, in dem explosionsartig neue Sterne entstehen.

Für die Wissenschaftler ist das eine Überraschung, denn HDF 850.1 ist eine junge Galaxie. Ein Blick in die Tiefe des Kosmos ist zugleich ein Blick in die Vergangenheit. Da das Licht der Galaxie 12,6 Milliarden Jahre zur Erde braucht, sehen wir das Sternsystem so, wie es vor 12,6 Milliarden Jahren, also 1,1 Milliarden Jahre nach dem Urknall, ausgesehen hat. Schon damals, so zeigen die Beobachtungen von Walter und seinem Team, waren die im heutigen Kosmos sichtbaren Strukturen wie Galaxien und Galaxienhaufen vorhanden.

Denn HDF 850.1 liegt inmitten einer Region mit sehr vielen weiteren, schwächeren Submillimeter-Galaxien. Die Astronomen vermuten daher, dass diese Region ein junger Galaxienhaufen ist und HDF 850.1 die zentrale Hauptgalaxie dieser Ansammlung – eine bislang unterschätzte Riesengalaxie in der Wachstumsphase. Die Beobachtungen liefern damit einen Einblick in die frühe Entwicklungsphase der großräumigen Strukturen unseres Universums.