Wie entstehen diese Galaxien schnell?

Sternengeschichten Folge 695: Red Nuggets - Galaktische Fossilien aus dem frühen Universum

Die Astronomie ist in der einzigartigen Situation, dass sie nicht nur direkt beobachten kann, was da draußen im Universum passiert, sondern auch sehen kann, was weit in der Vergangenheit passiert ist. Wir können das frühe Universum beobachten und so verstehen, wie es sich zu dem Kosmos entwickelt hat, in dem wir heute leben. Aber manchmal können wir auch heute noch Überbleibsel aus diesem frühen Universum finden; Objekte, die die Jahrmilliarden quasi unverändert überdauert haben. Die "Red Nuggets" sind ein Beispiel dafür. Das erste Mal gesehen hat man sie in der Vergangenheit. Oder besser gesagt: Das erste mal gesehen hat man sie im "Hubble Ultra Deep Field". Von diesem Projekt habe ich schon in Folge 194 der Sternengeschichten ausführlich erzählt. Das Hubble-Weltraumteleskop hat in den Jahren 2003 und 2004 einen kleinen Bereich des Himmels extrem lange und genau beobachtet und dabei unzählige Galaxien sichtbar gemacht, deren Licht Milliarden Jahre bis zu uns gebraucht hat. Oder anders gesagt: Es hat uns einen Blick in das frühe Universum erlaubt und seitdem sind diese Daten immer wieder neu untersucht worden. Zum Beispiel vom französischen Astronom Emanuele Daddi und seinem Team im Jahr 2005. Sie haben dabei sieben ganz besondere Galaxien entdeckt. Sie waren sehr massereich, sie waren circa eine Millarde Jahre alt, sie waren sehr kompakt und quasi tot. Was bedeutet das und warum war das eine überraschende Entdeckung? Gehen wir die Dinge der Reihe nach durch.

Massereich bedeutet, dass die Galaxien ungefähr so viel Masse haben wie die Milchstraße heute oder sogar noch bis zu zehnmal mehr. Gleichzeitig sind sie aber sehr viel kleiner, teilweise nur ein Hundertstel so groß wie die Milchstraße - deswegen sind sie "kompakt". Und "tot" sind sie, weil die Sterne dort alle sehr alt sind und dort auch offensichtlich keine neuen Sterne mehr entstehen. Und wir dürfen nicht vergessen: Das, was Daddi und sein Team auf diesen Bildern gesehen haben, sind Galaxien aus dem frühen Universum. Wir sehen sie zu einem Zeitpunkt, der ungefähr drei bis vier Milliarden Jahre nach dem Urknall liegt, also von uns aus gesehen circa 10 Milliarden Jahre in der Vergangenheit. Das bedeutet: Diese kleinen, kompakten Galaxien müssen sehr schnell entstanden sein; sie müssen sehr schnell sehr viel Masse angesammelt haben und dann muss - ebenfalls sehr schnell - etwas passiert sein, dass dazu geführt hat, dass dort keine neuen Sterne mehr entstanden sind.

Aus damaliger Sicht war diese Entdeckung überraschend. Die Galaxien müssen sich früher und schneller entwickelt haben, als man gedacht hat. Die Sternentstehung in den ersten Galaxien muss sehr effizient gelaufen sein, sonst hätte es nicht so schnell nach dem Urknall so massereiche Galaxien mit so vielen Sternen geben können. Gleichzeitig muss die Entstehung der Sterne dann auch schnell wieder abgewürgt worden sein, denn ansonsten würden wir in diesen frühen Galaxien nicht nur alte Sterne sehen, sondern auch junge. Und, auch das habe ich schon oft in den Sternengeschichten erzählt: Alte Sterne leuchten eher rötlich; junge Sterne dagegen sind tendenziell heiß und leuchten blau. Die kleinen, kompakten, massereichen Galaxien mit ihrem rötlichen Licht hat man deswegen "red nuggets" genannt, aber nicht nur deswegen, wie wir später noch sehen werden.

Die roten Nuggets waren also eine Überraschung, weil sie uns gezeigt haben, dass Galaxien schneller entstehen können und die Sternentstehung schneller beendet sein kann, als man damals dachte. Mittlerweile wissen wir besser Bescheid, was da abläuft. Ich werde jetzt nicht die gesamte Geschichte der Galaxienentstehung erklären; das würde zu weit führen. Aber es geht alles los mit riesigen Gaswolken. In und aus diesen Wolken entstehen Sterne und am Ende haben wir eine große Ansammlung von Sternen, eine Galaxie. Das ist, wie gesagt, extrem verkürzt, aber wichtig für diese Folge ist die Tatsache, dass die Sternentstehung in Galaxien mit großer Masse schneller aufhört als in denen mit kleinere Masse. Das klingt zuerst einmal seltsam, ist aber plausibel, wenn man ein wenig genauer darüber nachdenkt. Wenn eine Galaxie eine große Gesamtmasse hat, kann sie mit ihrer Gravitationskraft auch früher und schneller sehr große Mengen an Gas in ihr Zentrum ziehen. Sie entwickeln einen kompakten Kern und in diesem Kern können in kurzer Zeit sehr viele Sterne entstehen. Je dichter das Gas ist, desto leichter kann es in sich zusammenfallen und das ist ja genau das, was Gas tun muss, damit daraus ein Stern entsteht. Was aber passiert, wenn wir da auf einmal einen ganzen Haufen junger, heißer, frisch entstandender Sterne haben? Junge Sterne sind sehr aktiv, das heißt sie haben starke Sternwinde. Oder anders gesagt: Sie schleudern jede Menge Material aus ihren äußeren Atmosphärenschichten durch die Gegend. Dieses Material kann das restliche Gas quasi davon pusten. Das selbe passiert, wenn die Sterne am Ende ihres Lebens in einer Supernova explodieren. Und, auch das habe ich schon oft erzählt, je massereicher ein Stern ist, desto schneller entwickelt er sich zu einer Supernova. Wenn wir also sehr viele Sterne auf einmal haben und viele davon auch noch massereich sind, dann führt das dazu, dass das restliche Gas einer Galaxie davon gepustet wird und keine neuen Sterne mehr entstehen können. Gleichzeitig befinden sich in den Zentren der Galaxien ja auch die supermassereichen schwarzen Löcher. Die können mit ihrer Anziehungskraft ebenfalls Material beschleunigen und wild durch die Gegend schleudern, also ihren eigenen "Wind" produzieren, der das Gas einer Galaxie davon bläst. Und auch das geht um so besser, je massereicher eine Galaxie ist, denn je dichter das Material in ihrer Zentralregion ist, desto mehr davon kann sich in die Nähe des schwarzen Lochs bewegen. Ein Teil davon wird hinein fallen und das schwarze Loch anwachsen lassen. Und ein Teil wird davon geschleudert. Und selbst wenn das Gas einer Galaxien nicht komplett davon geblasen wird, wird es von der Strahlung der jungen Sterne und der Strahlung, die in der Umgebung eines schwarzen Lochs freigesetzt wird, aufgeheizt. Heißes Gas bewegt sich schneller und kann nicht so gut kollabieren wie kühleres Material. Kurz gesagt: In massereichen Galaxien laufen die Prozesse, die die Entstehung neuer Sterne verhindern sehr viel effizienter ab.

In den red nugget Galaxien ist genau das passiert; sie sind schnell entstanden, mit sehr viel Masse, haben schnell jede Menge Sterne entwickelt und ein massereiches schwarzes Loch und dadurch die weitere Sternentstehung zum Erliegen gebracht. Das heißt aber nicht, dass das immer so bleiben muss. Wenn sich die red nuggets nicht mehr verändern würden, wo kommen dann die ganzen frischen Sterne her, die wir in den Galaxien heute beobachten? Die roten Nuggets sind nur der erste Schritt auf dem Weg zu einer "modernen" Galaxie. Wenn zwei red nuggets miteinander oder mit anderen Galaxien verschmelzen, dann können die gravitativen Wechselwirkungen dafür sorgen, dass wieder frisches Gas nachgeliefert wird; die gravitative Wechselwirkung bei so einer Kollision kann dann das Gas dann wieder kollabieren lassen, und so weiter. Und solche galaktischen Zusammenstöße kommen nicht nur einmal vor, sondern immer wieder. Es bilden sich riesige Ansammlungen von Sternen, die wir heute als "elliptische Galaxien" bezeichnen. Oder anders gesagt: Die red nuggets sind die Vorläufer der riesigen elliptischen Galaxien, die wir heute beobachten. Die Arbeit von Daddi und seinen Kollegen hat außerdem auch gezeigt, dass sie damals ziemlich häufig waren; sie sind also keine exotischen Einzelfälle sondern ein relevanter Teil der damaligen Galaxienpopulation.

Aber natürlich hat man sich auch gefragt, ob die red nuggets wirklich nur ein Phänomen des frühen Universums sind. Man hat im lokalen Universum nach ihnen gesucht, also unter den Galaxien, die mehr oder weniger "jetzt" existieren und von denen aus das Licht bis zu uns nur ein paar hundert Millionen Jahre unterwegs war. Lange Zeit war diese Suche erfolglos, aber 2013 hat die Astronomin Ivana Damjanov mit ihrem Team neun Stück davon gefunden, die sich in mittlerer Entfernung befinden. Das bedeutet: Es sind keine Galaxien, die wir so sehen, wie sie "jetzt" sind; ihr Licht hat immer noch ein paar Milliarden Jahre bis zu uns gebraucht. Aber Damjanov hat immerhin bestätigt, dass die red nuggets sehr viel länger existiert haben als nur im frühen Universum. Und noch ein paar Jahre später haben wir dann auch red nuggets gefunden, deren Licht wirklich nur ein paar hundert Millionen Jahren bis zu uns braucht.

Das macht die roten Nuggets zu einem Studienobjekt, das für die Astronomie so wertvoll ist, wie ein Nugget aus Gold. Wir können in der Gegenwart, im lokalen Universum, Objekte beobachten, die immer noch so sind, wie sie vor Milliarden von Jahren waren. Wir sehen heute noch das, was damals der Ausgangspunkt für die Entstehung von Galaxien war. Die red nuggets sind mehr als nur tote Fossilien. Sie haben die Jahrmilliarden ungestört überdauert und können uns heute dabei helfen, zu verstehen, wie damals alles angefangen hat.