Galaxienentwicklung: Eine Galaxie tankt auf

Astronomen haben kalte Materieströme von Wasserstoff aus der Frühzeit des Universums beobachtet, die in eine ferne Galaxie fließen und dort als Grundstoff für die Entstehung neuer Sterne dienen. Solche Ströme sind ein wichtiger Bestandteil von Modellen, die eine Ära intensiver Sternentstehung vor rund zehn Milliarden Jahren erklären sollen. Das Team um Neil Crighton (Max-Planck-Institut für Astronomie und Swinburne University of Technology) nutzte einen Zufall: einen fernen, hellen Quasar, der das Gas wie eine Art kosmischer Scheinwerfer von hinten anleuchtet.

Materiefluss_Galaxie — © MPIA, Greg Stinson und Andrea V. Macciò (Ausschnitt)

Bei ihrer Geburt haben Galaxien wie unsere Milchstraße offenbar große Mengen an kosmischer Materie aus riesigen Reservoirs von Wasserstoff an sich gezogen. Dieser Wasserstoff treibt seit der Frühzeit des Universums in den Weiten des intergalaktischen Raums. Vor rund zehn Milliarden Jahren, als der Kosmos nur rund ein Fünftel so alt war wie heute, produzierten die damaligen Protogalaxien massenweise Sterne – mehr als hundert Mal so viel wie es für heutige Galaxien typisch ist. Dafür musste hinreichend Nachschub an Gas existieren.

Über die vergangenen zehn Jahre hinweg haben Computersimulationen solcher Szenarien große Fortschritte gemacht. Sie geben Auskunft darüber, wie Galaxien an den "Treibstoff" für ihre Sternproduktion gelangen dürften: Gas fließt demnach über schmale, kalte Materieströme in die Milchstraßensysteme. Wie Rinnsale aus der Schneeschmelze, die einen Bergsee speisen, wird auf diese Weise immer wieder neues Rohmaterial angeliefert.

Zu überprüfen, ob dieses Szenario der Wirklichkeit entspricht, ist alles andere als einfach. Entsprechendes Gas in den Randregionen und der unmittelbaren Umgebung einer Galaxie ist viel zu stark verdünnt, als dass es nachweisbare Mengen von Licht aussenden würde. Astronomen suchen daher systematisch nach einer ganz bestimmten Sorte von kosmischem Zufall, bei dem Quasare eine Rolle spielen.

Diese Kraftwerke sind Galaxien in einem kurzlebigen Zwischenstadium ihrer Entwicklung. Angetrieben durch Prozesse rund um das supermassereiche schwarze Loch im Zentrum, wird ein solcher Quasar zwischenzeitlich zu einem der hellsten Objekte im Universum überhaupt.

In sehr seltenen Fällen steht ein Quasar aus der Sicht eines irdischen Beobachters zufällig direkt hinter einer der gesuchten intergalaktischen Gaswolken. Dann verschluckt das Gas bestimmte Anteile des Quasarlichts – und im Spektrum erscheinen so genannte Absorptionslinien. Muster und Formen dieser Linien geben Aufschluss über Dichte, chemische Zusammensetzung und Temperatur des Gases.

Auf diese Weise hat jetzt ein Team unter der Leitung von Neil Crighton vom Max-Planck-Institut für Astronomie (inzwischen an der Swinburne University of Technology) das bisher überzeugendste Beispiel für Gas aus einem der intergalaktischen Reservoirs erbracht, das in eine Galaxie fließt. Die Galaxie mit der Katalognummer Q1442-MD50 ist so weit von uns entfernt, dass ihr Licht elf Milliarden Jahre benötigt hat, um uns zu erreichen.

Das einströmende Gas befindet sich, nach galaktischen Maßstäben beurteilt, direkt in der Nachbarschaft, nämlich nur 190000 Lichtjahre von der Galaxie entfernt. Es verrät seine Anwesenheit, indem es einen Teil des Lichts des noch deutlich weiter entfernten Quasars QSO J1444535+291905 absorbiert.

Crighton und seine Kollegen haben in der Gaswolke zudem Spuren von schwerem Wasserstoff nachgewiesen – von Deuterium, in dessen Kern neben dem Proton ein Neutron sitzt. Die Atomkerne dieser und einiger weiterer Sorten von Elementen entstanden nach heutigem Wissen wenige Minuten nach dem Urknall. Alle schwereren Elemente, etwa Kohlenstoff oder Stickstoff, bildeten sich erst im Laufe der Zeit, insbesondere im heißen Innern von Sternen. Deuterium allerdings kann in Sternen nicht erzeugt werden. Ja, es würde sogar unter den dort herrschenden Bedingungen zerstört.

Die Anwesenheit von Deuterium zeigt daher an, dass es sich nicht um eine Wolke von Gas handelt, die jemals Bestandteil eines Sterns war, sondern offenbar um urtümliches Gas: um Materie aus den großen Wasserstoffreservoirs, die seit der Urknallphase chemisch so gut wie unverändert geblieben sind.

"Das ist nicht das erste Mal, dass Astronomen mit Hilfe eines Quasars Gas in der Nachbarschaft einer fernen Galaxie gefunden haben", sagt Neil Crighton. Aber es sei das erste Mal, dass alle Teile des Puzzles zusammenpassen. "In der Galaxie, die wir beobachtet haben, entstehen gerade jetzt enorme Mengen von Sternen. Und für das Gas konnten wir zeigen, dass es sich tatsächlich um urtümliches Gas aus der Zeit direkt nach dem Urknall handelt."

Die Entdeckung des Systems gelang im Rahmen einer großangelegten Durchmusterung, bei der die Forscher gezielt nach Quasaren suchen, die am Himmel in unmittelbarer Nähe von nähergelegenen Galaxien stehen. Koordiniert wird die Durchmusterung von Joseph Hennawi, der am Max-Planck-Institut für Astronomie die ENIGMA-Forschungsgruppe leitet.

"Weil diese Entdeckung Teil einer systematischen Suche ist, können wir daraus schließen, dass derartige kalte Materieströme vergleichsweise häufig sind", sagt Hennawi. "Wir haben nämlich nur zwölf Quasar-Galaxien-Paare ausfindig machen müssen, um auf dieses Beispiel zu stoßen." Das entspreche grob den Vorhersagen der Supercomputer-Simulationen.

Die Astronomen wollen nun etwa zehn ähnliche Beispiele für solche kalten Gasströme finden. Das würde noch wesentlich genauere Vergleiche der Beobachtungen mit den Vorhersagen numerischer Simulationen erlauben. Für die Suche nach weiteren Quasar-Galaxienpaaren nutzen die Forscher das Large Binocular Telescope in Arizona und das Very Large Telescope der Europäischen Südsternwarte (ESO) in Chile.

MPG