(NRAO/AUI/NSF, S. Dagnello) Vor etwa 13,8 Milliarden Jahren entstand irgendwie das Universum. Aber es war nicht komplett ausgestattet. Irgendwann entstanden die ersten Sterne und die ersten Galaxien. Wie und wann dies geschah, ist immer noch ein Rätsel, das Astronomen zu lösen versuchen … aber eine Galaxie könnte einen lebenswichtigen Schlüssel haben.
Sie heißt DLA0817g – auch Wolfe-Scheibe genannt – eine kühle, rotierende, gasreiche Scheibengalaxie mit einer Masse, die etwa 72 Milliarden Mal so groß ist wie die unserer Sonne. Und das Atacama Large Millimeter/submillimeter Array hat es in gewaltigen 12,5 Milliarden Lichtjahren Entfernung aufgenommen – als das Universum gerade einmal 10 Prozent seines heutigen Alters hatte.
Es ist die früheste rotierende Scheibengalaxie, die Astronomen bisher gefunden haben, und ihre bloße Existenz verändert unser Verständnis der Galaxienentstehung im frühen Universum.
Die meisten Galaxien im frühen Universum sind im wahrsten Sinne des Wortes ein heißes Durcheinander. Sie sind alle klecksig, die Sterne fliegen in alle Richtungen und die Temperaturen sind ziemlich hoch. Astronomen haben dies so interpretiert, dass sie um ein Vielfaches größer geworden sind Kollision und Verschmelzung mit anderen Galaxien – ein heißer, chaotischer Prozess.
„Die meisten Galaxien, die wir früh im Universum finden, sehen aus wie Zugwracks, weil sie einer ständigen und oft ‚gewaltsamen‘ Verschmelzung unterzogen wurden.“ erklärte der Astronom Marcel Neeleman des Max-Planck-Instituts für Astronomie in Deutschland.
„Diese heißen Verschmelzungen machen es schwierig, wohlgeordnete, kalte rotierende Scheiben zu bilden, wie wir sie in unserem heutigen Universum beobachten.“
In diesem Szenario dauert es lange, bis sich die Galaxien abkühlen und sich in die geordneteren rotierenden Scheibengalaxien wie die Milchstraße verwandeln. Wir sehen sie im Allgemeinen erst etwa 4 bis 6 Milliarden Jahre später Urknall .
Dies ist der „heiße“ Modus der Galaxienentstehung. Aber Astronomen hatten auch einen anderen Weg vorhergesagt und simuliert – den „kalten“ Modus.
Zuerst müssen Sie mit der Ursuppe beginnen, einer ionisierten Quark-Gluon-Plasma das das Universum vor der Entstehung der Materie erfüllte. Um von diesem homogenen Plasma zu einem Universum voller Materie zu gelangen, haben Astrophysiker Simulationen durchgeführt, die darauf hindeuten Dunkle Materie ist verantwortlich.
Wir wissen nicht, was dunkle Materie ist. Wir können es nicht direkt erkennen, aber es interagiert gravitativ mit normaler Materie . Es trägt dazu bei, Galaxien zusammenzuhalten, und wir glauben, dass es für die Entstehung von Galaxien von entscheidender Bedeutung sein könnte. Klumpen davon ziehen Gas und Sterne zu Galaxien zusammen .
Supercomputersimulationen haben gezeigt, dass ein riesiges Netzwerk dunkler Materie im frühen Universum die Entstehung kühler Galaxien erleichtert haben könnte. Wenn das Gas von Anfang an kühl gewesen wäre, hätte es entlang der Filamente des Netzwerks in die Klumpen dunkler Materie gelangen und sich dort zu großen, kühlen, geordneten Scheibengalaxien ansammeln können.
Aber die einzige Möglichkeit, dieses Modell zu bestätigen, sind Beobachtungsbeweise, also machten sich die Forscher auf die Suche und nutzten das Licht noch weiter entfernter Galaxien, sogenannte Quasare, um den Weg zu erhellen.
Entfernte Galaxien sind sehr schwer zu erkennen, aber Quasare gehören zu den leuchtendsten Objekten im Universum – Galaxien, die von einem aktiven Supermassereichen beleuchtet werden schwarzes Loch , wobei der Raum um ihn herum Strahlung ausstößt, während er sich speist. Das Team nutzte die leistungsstarken Fähigkeiten von ALMA für diese entfernten Quasare und suchte nach Signaturen in ihrem Licht, die darauf hindeuteten, dass ALMA auf seinem Weg durch eine gasgefüllte Galaxie geflogen war.
Sie haben es gefunden. Das Licht eines der Quasare, die sie abgebildet hatten, war durch eine wasserstoffreiche Region gegangen – die Signatur der Wolfe-Scheibe.
Und da war noch etwas anderes. Das Licht auf einer Seite der Scheibe war komprimiert oder blauverschoben. Das sehen wir, wenn sich etwas auf uns zubewegt. Und das Licht von der anderen Seite wurde gestreckt oder rotverschoben – es entfernte sich von uns. Das Objekt drehte sich.
Diese sogenannten Doppler-Verschiebungen ermöglichten es den Forschern dann, die Rotationsgeschwindigkeit der Galaxie zu berechnen: etwa 272 Kilometer pro Sekunde.
Was noch seltsamer ist, ist, dass das Team glaubt, dass die Wolfe-Scheibe nicht einzigartig ist.
„Die Tatsache, dass wir die Wolfe-Scheibe mit dieser Methode gefunden haben, zeigt uns, dass sie zur normalen Population früher Galaxien gehört.“ sagte Neeleman .
„Als unsere neuesten Beobachtungen mit ALMA überraschenderweise zeigten, dass es rotiert, wurde uns klar, dass frühe rotierende Scheibengalaxien nicht so selten sind, wie wir dachten, und dass es da draußen noch viel mehr davon geben sollte.“
Das Team wird seine Suche nach diesen Galaxien fortsetzen, um herauszufinden, wie häufig die Kaltakkretion im frühen Universum vorkam.
Die Forschung wurde veröffentlicht in Natur .