Neues Fenster zum frühen Universum: Beobachtungsstrategie für extrem weit entfernte Galaxien

Informationen über die Galaxien am Rande des Universums zu erhalten, ist äußerst schwierig. Zu sehr „verdünnen“ sich die Signale dieser Himmelsobjekte bei ihrer viele Milliarden Jahre dauernden Reise durch das All.

Besonders kompliziert ist die Abschätzung, wie viel molekularer Wasserstoff in den Galaxien vorhanden ist. Molekularer Wasserstoff sendet so gut wie keine Strahlung aus. Doch Astrophysiker interessieren sich gerade für die Menge dieses Elements: Molekularer Wasserstoff ist der Grundbaustein für neue Sterne. Je mehr davon in den Gaswolken einer Galaxie enthalten ist, desto mehr Sterne entstehen dort also.

Der Kohlenstoff-Trick

Astrophysiker bedienen sich daher momentan eines Tricks, um die Menge molekularen Wasserstoffs zu bestimmen: Sie messen stattdessen die Kohlenmonoxid-Menge in den Wolken – Kohlenmonoxid leuchtet weitaus stärker als molekularer Wasserstoff. Mit einem komplexen Verfahren lässt sich aus dem Kohlenmonoxid-Signal die Wasserstoff-Menge abschätzen. Diese Methode ist allerdings ungenau und fehleranfällig.

„Wir konnten zeigen, dass sich die Strahlung neutralen Kohlenstoffs viel besser dazu eignet, weit entfernte Galaxien zu beobachten“, sagt Dr. Padelis Papadopoulos von der Universität Cardiff. „Die Messwerte erlauben eine sehr genaue Abschätzung, wie viel molekularer Wasserstoff vorhanden ist.“ Leider wird die Strahlung neutralen Kohlenstoffs nahezu komplett von der Erdatmosphäre absorbiert. Schuld ist der Wasserdampf in der Luft – er wirkt gegenüber dem Kohlenstoff-Signal wie eine starke Sonnenbrille.

Seit einigen Jahren gibt es jedoch in der chilenischen Atacama-Wüste ein neues Radioteleskop, das Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (abgekürzt ALMA). Dort in 5.000 Metern Höhe ist es so extrem trocken, dass das Teleskop die Kohlenstoff-Strahlung ohne Probleme auffangen kann.

Blick 12 Milliarden Jahre in die Vergangenheit

„Nach unseren Berechnungen kann ALMA Galaxien detektieren, deren Signal mehr als 12 Milliarden Jahre zu uns unterwegs war“, sagt Matteo Tomassetti, Doktorand der Universität Bonn und Erstautor der Publikation. „Was noch wichtiger ist: Wir können erstmals genau bestimmen, wie viel molekularer Wasserstoff in diesen Galaxien vorhanden ist.“

Der Bonner Astrophysiker Professor Dr. Cristiano Porciani spricht von einem neuen Fenster zum jungen Universum. „Unsere theoretische Arbeit wird bedeutende Auswirkungen auf die beobachtende Astronomie haben“, betont er. „Sie wird uns helfen, den mysteriösen Ursprung der Galaxien besser zu verstehen.“

Der Erfolg ist auch ein Resultat europäischer Zusammenarbeit: Für die Simulation nutzten die Wissenschaftler zwei extrem schnelle Supercomputer der Universitäten in Edinburgh und Oslo. Dass sie auf diese Rechnerkapazitäten zurückgreifen konnten, verdanken sie einer europaweiten Initiative zur Bündelung von Rechenleistung (Partnership for Advanced Computing in Europe, PRACE). Die Studie wurde durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen des Sonderforschungsbereichs 956 sowie durch die internationale Max Planck Forschungsschule gefördert.

Publikation: M. Tomassetti, C. Porciani, E. Romano-Díaz, A. D. Ludlow, P. P. Papadopoulos: Atomic carbon as a powerful tracer of molecular gas in the high-redshift Universe: perspectives for ALMA; MNRAS Letters; doi: 10.1093/mnrasl/slu137

Kontakt:
Matteo Tomassetti
Argelander-Institut für Astronomie der Universität Bonn
Internationale Max Planck Forschungsschule
Telefon: 0228/73343, E-Mail: mtomas@astro.uni-bonn.de

Professor Dr. Cristiano Porciani
Argelander-Institut für Astronomie
Telefon: 0228/73-3664, E-Mail: porciani@astro.uni-bonn.de