Aktuelle Theorien zur Bildung von Galaxien basieren auf der hierarchischen Verschmelzung kleinerer Einheiten zu immer größeren Strukturen, beginnend mit der Größe eines Sternkugelhaufens und endend mit Galaxienhaufen. Nach diesem Szenario wird angenommen, dass im jungen Universum keine massiven Galaxien existierten.
Diese Ansicht muss jedoch möglicherweise jetzt überarbeitet werden. Mit dem Multi-Mode-FORS2-Instrument am Very Large Telescope in Paranal hat ein Team italienischer Astronomen vier entfernte Galaxien identifiziert, die um ein Vielfaches massereicher als die Milchstraße oder so schwer wie die schwersten Galaxien im heutigen Universum sind. Diese Galaxien müssen sich gebildet haben, als das Universum erst etwa 2.000 Millionen Jahre alt war, also vor etwa 12.000 Millionen Jahren.
Die neu entdeckten Objekte können Mitglieder einer Population alter massereicher Galaxien sein, die bisher nicht entdeckt wurden.
Die Existenz solcher Systeme zeigt, dass der Aufbau massereicher elliptischer Galaxien im frühen Universum viel schneller war als von der aktuellen Theorie erwartet.
Hierarchisches Zusammenführen
Galaxien sind wie Inseln im Universum, die aus Sternen sowie Staub- und Gaswolken bestehen. Sie kommen in verschiedenen Größen und Formen. Astronomen unterscheiden im Allgemeinen zwischen Spiralgalaxien - wie unserer eigenen Milchstraße, NGC 1232 oder der berühmten Andromeda-Galaxie - und elliptischen Galaxien, wobei letztere meist alte Sterne enthalten und sehr wenig Staub oder Gas enthalten. Einige Galaxien liegen zwischen Spiralen und Ellipsen und werden als linsenförmige oder kugelförmige Galaxien bezeichnet.
Galaxien unterscheiden sich nicht nur in ihrer Form, sie variieren auch in ihrer Größe: Einige können so „leicht“ sein wie ein Sternhaufen in unserer Milchstraße (dh sie enthalten etwa das Äquivalent einiger Millionen Sonnen), während andere massereicher sein können als eine Million Millionen Sonnen. Gegenwärtig befindet sich mehr als die Hälfte der Sterne im Universum in massiven kugelförmigen Galaxien.
Eine der wichtigsten offenen Fragen der modernen Astrophysik und Kosmologie ist, wie und wann sich Galaxien ausgehend vom Urgas, das das frühe Universum füllte, gebildet und entwickelt haben. In der populärsten aktuellen Theorie sind Galaxien im lokalen Universum das Ergebnis eines relativ langsamen Prozesses, bei dem kleine und weniger massive Galaxien verschmelzen, um allmählich größere und massereichere Galaxien aufzubauen. In diesem als „hierarchische Verschmelzung“ bezeichneten Szenario wurde das junge Universum von kleinen Galaxien mit geringer Masse bevölkert, während das gegenwärtige Universum große, alte und massive Galaxien enthält - die allerletzten, die sich in der letzten Phase eines langsamen Assemblierungsprozesses bilden.
Wenn dieses Szenario wahr wäre, sollte man im jungen Universum keine massiven elliptischen Galaxien finden können. Mit anderen Worten, aufgrund der endlichen Lichtgeschwindigkeit sollte es keine derart massiven Galaxien geben, die sehr weit von uns entfernt sind. Und tatsächlich war bis jetzt keine alte elliptische Galaxie über eine Funkgalaxie mit Rotverschiebung 1,55 bekannt, die vor fast zehn Jahren entdeckt wurde.
Die K20-Umfrage
Um den Entstehungsprozess von Galaxien besser zu verstehen und um zu überprüfen, ob das hierarchische Verschmelzungsszenario gültig ist, nutzte ein Team italienischer und ESO-Astronomen das Very Large Telescope von ESO als „Zeitmaschine“, um nach sehr entfernten elliptischen Galaxien zu suchen. Dies ist jedoch nicht trivial. Entfernte elliptische Galaxien mit ihrem Gehalt an alten und roten Sternen müssen tatsächlich sehr schwache Objekte bei optischen Wellenlängen sein, da der Großteil ihres Lichts in den infraroten Teil des Spektrums rot verschoben wird. Ferne elliptische Galaxien gehören daher selbst für die größten Teleskope zu den schwierigsten Beobachtungszielen. Dies ist auch der Grund, warum der Rotverschiebungsrekord von 1,55 so lange anhält.
Diese Herausforderung hat die Forscher jedoch nicht aufgehalten. Sie erhielten eine tiefe optische Spektroskopie mit dem Multimode-FORS2-Instrument auf dem VLT für eine Probe von 546 schwachen Objekten, die in einem als K20-Feld bekannten Himmelsbereich von 52 Bogenmin2 (oder etwa einem Zehntel des Vollmondbereichs) gefunden wurden die sich teilweise mit dem Gebiet GOODS-South überschneidet. Ihre Beharrlichkeit zahlte sich aus und sie wurden durch die Entdeckung von vier alten, massiven Galaxien mit Rotverschiebungen zwischen 1,6 und 1,9 belohnt. Diese Galaxien wurden gesehen, als das Universum nur etwa 25% seines gegenwärtigen Alters von 13.700 Millionen Jahren betrug.
Für eine der Galaxien profitierte das K20-Team auch von der Datenbank öffentlich verfügbarer Spektren im Bereich GOODS-South, die vom ESO / GOODS-Team erstellt wurde.
Eine neue Population von Galaxien
Die neu entdeckten Galaxien werden also gesehen, als das Universum ungefähr 3.500 Millionen Jahre alt war, d. H. Vor 10.000 Millionen Jahren. Aus den aufgenommenen Spektren geht jedoch hervor, dass diese Galaxien Sterne mit einem Alter zwischen 1.000 und 2.000 Millionen Jahren enthalten. Dies impliziert, dass sich die Galaxien entsprechend früher gebildet haben müssen und dass sie ihre Versammlung im Wesentlichen zu einem Zeitpunkt abgeschlossen haben müssen, als das Universum nur 1.500 bis 2.500 Millionen Jahre alt war.
Die Galaxien scheinen Massen von mehr als hunderttausend Millionen Sonnenmassen zu haben und haben daher ähnliche Größen wie die massereichsten Galaxien im heutigen Universum. Komplementäre Bilder, die im Rahmen der GOODS-Umfrage („The Great Observatories Origins Deep Survey“) des Hubble-Weltraumteleskops aufgenommen wurden, zeigen, dass diese Galaxien Strukturen und Formen aufweisen, die mehr oder weniger mit denen der heutigen massiven elliptischen Galaxien identisch sind.
Die neuen Beobachtungen haben daher eine neue Population sehr alter und massereicher Galaxien ergeben.
Die Existenz derartiger massiver und alter kugelförmiger Galaxien im frühen Universum zeigt, dass der Aufbau der heutigen massiven elliptischen Galaxien viel früher begann und viel schneller war als von der hierarchischen Verschmelzungstheorie vorhergesagt. Andrea Cimatti (INAF, Florenz, Italien), Leiterin des Teams, sagt: „Unsere neue Studie wirft nun grundlegende Fragen zu unserem Verständnis und Wissen über die Prozesse auf, die die Entstehung und die Evolutionsgeschichte des Universums und seiner Strukturen reguliert haben.“
Originalquelle: ESO-Pressemitteilung
