Zum ersten Mal konnten Astronomen die tiefsten optischen Bilder des Universums, die mit dem Hubble-Weltraumteleskop aufgenommen wurden, mit ebenso scharfen Bildern im nahen Infrarotbereich des Spektrums kombinieren, indem sie ein ausgeklügeltes neues Laser-Leitsternsystem für die adaptive Optik verwendeten am WM Keck Observatorium in Hawaii. Die neuen Beobachtungen, die diese Woche auf dem Treffen der American Astronomical Society (AAS) in San Diego vorgestellt wurden, enthüllen beispiellose Details kollidierender Galaxien mit massiven Schwarzen Löchern an ihren Kernen, die in einer Entfernung von etwa 5 Milliarden Lichtjahren zu sehen waren, als sich das Universum befand etwas mehr als die Hälfte seines heutigen Alters.
Die Beobachtung entfernter Galaxien im Infrarotbereich zeigt ältere Sternpopulationen als bei optischen Wellenlängen zu sehen ist, und Infrarotlicht dringt auch leichter in interstellare Staubwolken ein als optisches Licht. Die neuen Infrarotbilder entfernter Galaxien wurden von einem Forscherteam der University of California, Santa Cruz, UCLA und des W. Keck Observatory aufgenommen. Jason Melbourne, ein Doktorand an der UC Santa Cruz und Hauptautor der Studie, sagte, dass die ersten Ergebnisse einige Überraschungen beinhalten und dass die Forscher die Daten in den kommenden Wochen weiter analysieren werden.
"Wir haben dieses Niveau der räumlichen Auflösung im Infrarot noch nie zuvor erreicht", sagte Melbourne.
Neben Melbourne gehören Jennifer Lotz, Claire Max und Jerry Nelson vom UCSC zum Forschungsteam unter der Leitung von David Koo von UCSC und James Larkin von UCLA. Shelley Wright und Matthew Barczys an der UCLA; und Antonin H. Bouchez, Jason Chin, Scott Hartman, Erik Johansson, Robert Lafon, David Le Mignant, Paul J. Stomski, Douglas Summers, Marcos A. van Dam und Peter L. Wizinowich am Keck Observatory.
„Zum ersten Mal können wir in diesen tiefen Bildern des Universums alle Wellenlängen des Lichts vom optischen bis zum Infrarot mit der gleichen räumlichen Auflösung abdecken. Auf diese Weise können wir detaillierte Substrukturen in fernen Galaxien beobachten und ihre konstituierenden Sterne mit einer Präzision untersuchen, die wir sonst möglicherweise nicht erreichen könnten “, sagte Koo, Professor für Astronomie und Astrophysik an der UCSC.
Die Bilder wurden von Wright und dem Keck AO-Team während des Tests des adaptiven Optiksystems des Laser-Leitsterns auf dem 10-Meter-Keck II-Teleskop erhalten. Sie sind die ersten Bilder von entfernten Galaxien in wissenschaftlicher Qualität, die mit dem neuen System aufgenommen wurden. Dies ist ein wichtiger Schritt für das Center for Adaptive Optics Treasury Survey (CATS), das mithilfe der adaptiven Optik eine große Stichprobe schwacher, entfernter Galaxien im frühen Universum beobachten wird, sagte Larkin von der UCLA.
"Wir haben mehrere Jahre lang sehr hart gearbeitet, um Daten über helle Sterne zu sammeln. Wir waren jedoch in Bezug auf die Anzahl und Art der Objekte, die wir beobachten können, sehr eingeschränkt. Nur mit dem Laser können wir jetzt die reichsten und aufregendsten Ziele erreichen. “ Sagte Larkin.
Die adaptive Optik (AO) korrigiert den Unschärfeeffekt der Atmosphäre, wodurch die von bodengestützten Teleskopen gesehenen Bilder erheblich beeinträchtigt werden. Ein AO-System misst diese Unschärfe genau und korrigiert das Bild mithilfe eines verformbaren Spiegels, wobei Korrekturen hunderte Male pro Sekunde vorgenommen werden. Um die Unschärfe zu messen, benötigt AO eine helle Punktlichtquelle im Sichtfeld des Teleskops, die künstlich mit einem Laser erzeugt werden kann, um Natriumatome in der oberen Atmosphäre anzuregen und sie zum Leuchten zu bringen. Ohne einen solchen Laser-Leitstern mussten sich Astronomen auf helle Sterne („natürliche Leitsterne“) verlassen, was die Verwendung von AO am Himmel drastisch einschränkt. Darüber hinaus sind natürliche Leitsterne zu hell, um sehr schwache, entfernte Galaxien im selben Teil des Himmels beobachten zu können, sagte Koo.
"Das Aufkommen des Laser-Leitsterns bei Keck hat den Himmel für adaptive optische Beobachtungen geöffnet, und wir können Keck jetzt verwenden, um uns auf jene Felder zu konzentrieren, auf denen wir bereits wunderbare, tiefe optische Bilder vom Hubble-Weltraumteleskop haben", sagte Koo.
Da der Durchmesser des Spiegels des Keck-Teleskops viermal größer ist als der des Hubble, kann er im nahen Infrarot viermal schärfere Bilder als Hubble erhalten, da das adaptive Optiksystem des Laserleitsterns verfügbar ist, um die Unschärfeeffekte der Atmosphäre zu überwinden.
Die auf dem AAS-Treffen präsentierten Bilder wurden in einem Bereich des Himmels aufgenommen, der als GOODS-South-Feld bekannt ist, wo Hubble, das Chandra-Röntgenobservatorium und andere Teleskope bereits tiefe Beobachtungen gemacht haben. Die Bilder enthalten sechs schwache Galaxien, darunter zwei von Chandra identifizierte Röntgenquellen. Die Röntgenemissionen, kombiniert mit der ungeordneten Morphologie dieser Objekte, deuteten auf eine jüngste Fusionsaktivität hin, sagte Melbourne. Fusionen können große Mengen an Materie in das Zentrum einer Galaxie leiten, und Röntgenemissionen aus dem galaktischen Zentrum weisen auf das Vorhandensein eines massiven Schwarzen Lochs hin, das aktiv Materie verbraucht.
"Wir sind jetzt ziemlich sicher, dass wir Galaxien sehen, die kürzlich fusioniert wurden", sagte Melbourne. „Eines dieser Systeme hat einen Doppelkern, sodass Sie tatsächlich die beiden Kerne der verschmelzenden Galaxien sehen können. Das andere System ist sehr ungeordnet - es sieht aus wie ein Zugunglück - und ist eine viel stärkere Röntgenquelle. “
Fusionen beleuchten nicht nur den galaktischen Kern mit Röntgenemissionen, sondern lösen auch die Bildung neuer Sterne aus, indem sie Gaswolken schockieren und komprimieren. Die Forscher waren überrascht, dass das System mit einem Doppelkern von relativ alten Sternen dominiert wird und nicht viele junge Sterne zu produzieren scheint.
"Wenn wir mit dem Fusionsszenario Recht haben, dann findet diese Fusion zwischen zwei Galaxien statt, die bereits vor Milliarden von Jahren die meisten ihrer Sterne gebildet hatten und nicht viel Gas übrig hatten, um neue Sterne zu bilden", sagte Melbourne.
Wenn zusätzliche Studien zeigen, dass solche Objekte weiter zurück in der Zeit verbreitet sind, könnten diese Beobachtungen helfen, eines der Rätsel der Galaxienbildung zu erklären. Nach der vorherrschenden Theorie der hierarchischen Galaxienbildung werden große Galaxien über Milliarden von Jahren durch Fusionen kleinerer Galaxien aufgebaut. Da Fusionen die Sternentstehung auslösen, war es schwierig, die Existenz sehr großer Galaxien zu erklären, denen signifikante Populationen junger Sterne fehlen.
„Eine Idee ist, dass man eine sogenannte Trockenfusion haben kann, bei der zwei Galaxien voller alter Sterne, aber wenig Gas verschmelzen, ohne viele neue Sterne zu bilden. Was wir in diesem Objekt sehen, steht im Einklang mit einer trockenen Fusion “, sagte Melbourne. "Selbst bei einer trockenen Fusion gibt es möglicherweise noch genug Gas, um das Schwarze Loch zu speisen und Röntgenemissionen zu erzeugen, aber nicht genug, um einen starken Ausbruch der Sternentstehung zu erzielen."
Weitere Beobachtungen bei Wellenlängen im mittleren bis fernen Infrarot, die später in diesem Jahr vom Spitzer-Weltraumteleskop erwartet werden, könnten dies bestätigen. Die Spitzer-Daten werden einen besseren Hinweis auf den Staubgehalt der Galaxie liefern, eine entscheidende Variable bei der Interpretation dieser Beobachtungen, sagte Melbourne.
Das adaptive Leitsystem für Laser-Leitsterne wurde von der W. Keck Foundation finanziert. Das künstliche Laser-Leitsternsystem wurde in einer Partnerschaft zwischen dem Lawrence Livermore National Laboratory und dem W entwickelt und integriert. Der Laser wurde bei Keck mit Hilfe von Dee Pennington, Curtis Brown und Pam Danforth integriert. Die NIRC2-Nahinfrarotkamera wurde vom California Institute of Technology, der UCLA und dem Keck Observatory entwickelt. Das Keck-Observatorium wird als wissenschaftliche Partnerschaft zwischen CalTech, der University of California und der National Aeronautics and Space Administration betrieben.
Diese Arbeit wurde vom Center for Adaptive Optics unterstützt, einem Wissenschafts- und Technologiezentrum der National Science Foundation, das von der UC Santa Cruz verwaltet wird.
Originalquelle: Keck-Pressemitteilung
