Aus einer Caltech-Pressemitteilung:
Wasser ist wirklich überall. Aus einer Entfernung von 30 Milliarden Billionen Meilen in einen Quasar - eines der hellsten und gewalttätigsten Objekte im Kosmos - haben die Forscher eine Wasserdampfmasse gefunden, die mindestens 140 Billionen Mal so groß ist wie die des gesamten Wassers in den Weltmeeren kombiniert und 100.000 Mal massereicher als die Sonne.
Weil der Quasar so weit weg ist, hat sein Licht 12 Milliarden Jahre gebraucht, um die Erde zu erreichen. Die Beobachtungen zeigen daher eine Zeit, als das Universum nur 1,6 Milliarden Jahre alt war. "Die Umgebung dieses Quasars ist insofern einzigartig, als er diese riesige Wassermasse produziert", sagt Matt Bradford, Wissenschaftler am Jet Propulsion Laboratory (JPL) der NASA und Gastmitarbeiter bei Caltech. "Es ist eine weitere Demonstration, dass Wasser bereits zu den frühesten Zeiten im gesamten Universum verbreitet ist." Bradford leitet eines von zwei internationalen Astronomenteams, die ihre Quasarergebnisse in separaten Artikeln beschrieben haben, die zur Veröffentlichung in den Astrophysical Journal Letters angenommen wurden.
Lesen Sie hier die Zeitung von Bradford & Team.
Ein Quasar wird von einem riesigen Schwarzen Loch angetrieben, das ständig eine umgebende Scheibe aus Gas und Staub verbraucht. Während es isst, spuckt der Quasar riesige Mengen an Energie aus. Beide Gruppen von Astronomen untersuchten einen bestimmten Quasar namens APM 08279 + 5255, der ein Schwarzes Loch beherbergt, das 20 Milliarden Mal so massereich ist wie die Sonne und so viel Energie wie tausend Billionen Sonnen produziert.
Da Astronomen erwartet haben, dass Wasserdampf bereits im frühen Universum vorhanden ist, ist die Entdeckung von Wasser selbst keine Überraschung, sagt Bradford. In der Milchstraße befindet sich Wasserdampf, obwohl die Gesamtmenge 4.000 Mal weniger massereich ist als im Quasar, da der größte Teil des Wassers der Milchstraße in Form von Eis gefroren ist.
Dennoch ist Wasserdampf ein wichtiges Spurengas, das die Natur des Quasars offenbart. In diesem speziellen Quasar ist der Wasserdampf in einer Gasregion, die sich über Hunderte von Lichtjahren erstreckt (ein Lichtjahr ist ungefähr sechs Billionen Meilen), um das Schwarze Loch verteilt, und seine Anwesenheit zeigt an, dass das Gas astronomisch ungewöhnlich warm und dicht ist Standards. Obwohl das Gas kühl ist - 53 Grad Celsius - und 300 Billionen Mal weniger dicht als die Erdatmosphäre ist, ist es immer noch fünfmal heißer und zehn- bis hundertmal dichter als in Galaxien wie der Milchstraße üblich.
Der Wasserdampf ist nur eine von vielen Arten von Gas, die den Quasar umgeben, und seine Anwesenheit zeigt an, dass der Quasar das Gas sowohl in Röntgen- als auch in Infrarotstrahlung badet. Die Wechselwirkung zwischen Strahlung und Wasserdampf zeigt die Eigenschaften des Gases und wie der Quasar es beeinflusst. Die Analyse des Wasserdampfs zeigt beispielsweise, wie die Strahlung den Rest des Gases erwärmt. Darüber hinaus legen Messungen des Wasserdampfs und anderer Moleküle wie Kohlenmonoxid nahe, dass genügend Gas vorhanden ist, um das Schwarze Loch zu versorgen, bis es etwa sechsmal so groß wird. Ob dies geschehen wird, ist nicht klar, sagen die Astronomen, da ein Teil des Gases zu Sternen kondensieren oder aus dem Quasar ausgestoßen werden kann.
Bradfords Team machte seine Beobachtungen ab 2008 mit einem Instrument namens Z-Spec am Caltech Submillimeter Observatory (CSO), einem 10-Meter-Teleskop in der Nähe des Gipfels von Mauna Kea in Hawaii. Z-Spec ist ein äußerst empfindlicher Spektrograph, der Temperaturen erfordert, die auf 0,06 Grad Celsius über dem absoluten Nullpunkt abgekühlt sind. Das Instrument misst Licht in einem Bereich des elektromagnetischen Spektrums, der als Millimeterband bezeichnet wird und zwischen Infrarot- und Mikrowellenwellenlängen liegt. Die Entdeckung von Wasser durch die Forscher war nur möglich, weil die spektrale Abdeckung von Z-Spec zehnmal größer ist als die früherer Spektrometer, die bei diesen Wellenlängen arbeiten. Die Astronomen machten Follow-up-Beobachtungen mit dem kombinierten Array für die Forschung in der Millimeterwellenastronomie (CARMA), einer Reihe von Radiogerichten in den Inyo-Bergen in Südkalifornien.
Diese Entdeckung unterstreicht die Vorteile der Beobachtung in Millimeter- und Submillimeterwellenlängen, sagen die Astronomen. Das Gebiet hat sich in den letzten zwei bis drei Jahrzehnten rasant entwickelt. Um das volle Potenzial dieser Forschungslinie auszuschöpfen, entwerfen die Astronomen - einschließlich der Autoren der Studie - jetzt CCAT, ein 25-Meter-Teleskop, das in der Atacama-Wüste gebaut werden soll in Chile. Mit CCAT können Astronomen einige der frühesten Galaxien im Universum entdecken. Durch Messung des Vorhandenseins von Wasser und anderen wichtigen Spurengasen können Astronomen die Zusammensetzung dieser Urgalaxien untersuchen.
Die zweite Gruppe unter der Leitung von Dariusz Lis, leitender wissenschaftlicher Mitarbeiter für Physik bei Caltech und stellvertretender Direktor des CSO, nutzte das Interferometer Plateau de Bure in den französischen Alpen, um Wasser zu finden. Im Jahr 2010 suchte das Team von Lis nach Spuren von Fluorwasserstoff im Spektrum von APM 08279 + 5255, entdeckte jedoch zufällig ein Signal im Spektrum des Quasars, das auf das Vorhandensein von Wasser hinwies. Das Signal hatte eine Frequenz, die der Strahlung entspricht, die emittiert wird, wenn Wasser von einem Zustand höherer Energie in einen Zustand niedrigerer Energie übergeht. Während Lis 'Team nur ein Signal bei einer einzelnen Frequenz fand, ermöglichte die große Bandbreite von Z-Spec Bradford und seinen Kollegen, die Wasseremission bei vielen Frequenzen zu entdecken. Diese mehrfachen Wasserübergänge ermöglichten es Bradfords Team, die physikalischen Eigenschaften des Quasargases und der Wassermasse zu bestimmen.
