Der Stoff, aus dem die Sterne sind

Astronomen entdecken große Mengen an molekularem Gas und Staub in dem am weitesten entfernten bisher bekannten Quasar

Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie (MPIfR) in Bonn haben gemeinsam mit Kollegen aus Frankreich und den USA in dem am weitesten entfernten Quasar J1148+5251 eine gigantische Ansammlung von Gas nachgewiesen. Die Strahlung von Kohlenmonoxid (CO) und Staub kommt aus einer Zeit, als das Universum nur ein Sechzehntel seines heutigen Alters erreicht hatte, also etwa 850 Millionen Jahre nach dem Urknall. Diese Beobachtungen ermöglichen es, erstmals die Bedingungen genauer zu untersuchen, unter denen sich die ersten Sterne und massereichen Schwarzen Löcher im Universum gebildet haben. Die Wissenschaftler berichten über die Entdeckung des Kohlenmonoxids am 24. Juli 2003 in „Nature“ und in einem ergänzenden Artikel in der Fachzeitschrift „Astronomy and Astrophysics“.

„Wir waren sehr überrascht, in diesem so frühen Objekt so kurz nach dem Urknall einen so hohen Anteil an schweren Elementen zu finden,“ freut sich Frank Bertoldi vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie. „Da Kohlenstoff, Sauerstoff und die Elemente, aus denen sich der kosmische Staub zusammensetzt, erst durch Kernfusionen im Inneren der Sterne entstehen, muss die Anreicherung des interstellaren Gases mit schweren Elementen ungewöhnlich schnell erfolgt sein, vermutlich durch gigantische Explosionen der ersten sehr massereichen Sterne.

Das Kohlenmonoxid-Gas (CO) wurde durch Beobachtungen am IRAM-Interferometer auf dem Plateau de Bure in Frankreich und dem Very Large Array (VLA) in New Mexico (USA) nachgewiesen. Die Strahlung des kosmischen Staubs war vorab mit dem MAMBO-Wärmedetektor am 30-Meter-Radioteleskop von IRAM auf dem Pico Veleta (bei Granada/Spanien) entdeckt worden (vgl. „Kosmische Lupe enthüllt Sternentstehung im frühen Universum“, RPRI SP 4 / 2003 (36)).

Der bislang am weitesten entfernte Quasar J1148+5251 (benannt nach seinen Himmelskoordinaten) wurde Anfang 2003 in optischen Aufnahmen des „Sloan Digital Sky Survey“ von Xiaohui Fan (University of Arizona) und seinen Mitarbeitern entdeckt. Dabei handelt es sich vermutlich um eine junge Galaxie, in deren Zentrum ein extrem massereiches Schwarzes Loch sitzt. Das Schwarze Loch ist mehrere Milliarden mal so schwer wie unsere Sonne und strahlt hell im sichtbaren Licht, da große Mengen heißen Gases auf es „herabfallen“. Der Quasar J1148+5251 ist eine der ersten massiven Strukturen im noch jungen Universum und ermöglicht den Wissenschaftlern einen Blick auf die physikalischen und chemischen Bedingungen in der Frühzeit unseres Universums.

J1148+5251 ist einer von nur fünf Quasaren, die im „Dunklen Zeitalter“ (vgl. Abb. 3) des sehr frühen Universums gefunden wurden. Der Nachweis von Staub und molekularem Gas machen J1148+5251 zum ersten Objekt, in dem die Entstehung von Sternen und Schwarzen Löchern in einer Schlüsselepoche des Universums untersucht werden kann. In dieser Zeit wandelte sich das Universum aus einer nebulösen Dunkelheit in einen Raum voller leuchtender Galaxien, Sterne und Schwarzer Löcher. Da J1148+5152 eine intensive Quelle ultravioletter Strahlung ist, trägt der Quasar merklich zur Re-Ionisation des Gases zwischen den Galaxien bei. Diese Lichtung des „kosmischen Nebels“ können Astronomen jetzt erstmals direkt beobachten.

Die Entdeckung von J1148+5251 gelang seinerzeit auf Grund der optischen Helligkeit des heißen Gases, dass auf das Schwarze Loch fällt. Der Nachweis von molekularem Gas und Staub ermöglicht den Astronomen jetzt einen indirekten Blick auf die weitere Umgebung des Schwarzen Lochs, also auf die umliegende Galaxie, die jedoch selber zu schwach ist, um in optischen Aufnahmen sichtbar zu werden. Die Kohlenmonoxid-Strahlung ermöglicht eine Abschätzung von Dichte, Temperatur und Größe der Sternentstehungsregion um das Schwarze Loch. Dort entsteht durchschnittlich alle fünf Stunden ein neuer Stern, womit die Sternentstehungsrate sehr viel höher ist als in jeder bisher bekannten Galaxie im jetzigen Universum.

Obwohl CO und Staub nur ungefähr ein Prozent der Masse des überwiegend aus Wasserstoff bestehenden Gases ausmachen, weist der relativ hohe Anteil dieser Komponenten in J1148+5251 darauf hin, dass dort schwere Elemente sehr schnell und effizient entstanden sein müssen. Kohlenstoff und Sauerstoff, die beiden Bestandteile von Kohlenmonoxid, entstehen durch Kernfusionen im Inneren der Sterne. „Vor nur zehn Jahren hätte niemand geglaubt, dass sich große Massen von Staub und schweren Elementen so schnell nach dem Urknall bilden könnten,“ erinnert sich Dr. Bertoldi. Weil diese Elemente noch nicht in der ursprünglichen kosmischen Materie enthalten waren, müssen diese durch die allerersten Sterne, die sich im Universum gebildet haben, erst „erbrütet“ und dann mit hoher Effizienz in das interstellare Gas „entsorgt“ worden sein. Die Verbreitung könnten die Winde der massereichen Sterne übernommen haben, aber auch gewaltige Supernova-Explosionen, die das Leben solcher Sterne beenden. Doch dass diese Anreicherung mit schwereren Elementen auf ein Niveau vergleichbar dem in heutigen Galaxien so stark und so schnell geschah, erstaunt die Astronomen sehr.

Die Linienbreite (Abb. 1) und die relativen Intensitäten der drei gemessenen Spektrallinien von Kohlenmonoxid in J1148+5251 ermöglichen es den Astronomen, eine Ausdehnung dieser Gas- und Staubansammlung von einigen tausend Lichtjahre zu bestimmen. „Das mag groß klingen,“ erläutert Professor Karl Menten, Direktor am Max-Planck-Institut für Radioastronomie, „das ist aber immer noch zu klein, um es mit unseren Teleskopen erkennen zu können. Die Linienemission gibt uns somit eine einmalige, wenn auch indirekte Methode, die Struktur, Dichte oder Temperatur in dieser sehr aktiven Sternentstehungsregion zu untersuchen.“

Die Forscher haben berechnet, dass dieser Gasvorrat von ca. 20 Milliarden Sonnenmassen in J1148+5251 in weniger als 10 Millionen Jahren komplett in Sterne umgesetzt wird, wenn die Sternentstehung in dem gleichen Tempo weitergeht. Sie vermuten, dass weniger dichtes atomares Gas aus der größeren Umgebung auf die Sternentstehungsregion einfällt. Sollte jedoch dieser Nachschub versiegen, würde auch die Sternentstehung zum erliegen kommen und das Schwarze Loch würde sich mangels Nahrung verdunkeln. „Wer weiß, was als nächstes geschieht,“ rätselt Dr. Bertoldi, „wir sehen nur eine kurze Momentaufnahme des Quasars. Um Ursache und Entwicklung der Entstehung der Sterne und Schwarzen Löcher im frühen Universum zu verstehen, müssen wir noch mehr solche Objekte finden, um sie systematisch miteinander vergleichen zu können.“

Obwohl in den nächsten Jahren weitere Entdeckungen ferner Staub und Molekülemission mit dem IRAM-Interferometer und dem VLA zu erwarten sind, warten die Astronomen schon gespannt auf das weit leistungsfähigere ALMA-Radio-Interferometer, das in internationaler Zusammenarbeit ab 2007 in der chilenischen Atacama-Wüste errichtet wird.

Weitere Informationen erhalten Sie von:

Dr. Frank Bertoldi
Max-Planck-Institut für Radioastronomie, Bonn
Tel.: 0228 – 525-377, Fax.: -229
E-Mail: bertoldi@mpifr-bonn.mpg.de