17.05.2018

Not long after the Big Ban by the light and radiation from massive stars. These hot, ionized atoms then “glowed” brightly in infrared light. As this light traveled the vast cosmic distances to Earth, it became stretched by the expansion of the universe, eventually becoming the distinct millimeter-wavelength light that ALMA is specifically designed to detect and study.

By measuring the precise change in the wavelength of this light – from infrared to millimeter – the team determined that this telltale signal of oxygen traveled 13.28 billion light-years to reach us, making it the most distant signature of oxygen ever detected by any telescope. This distance estimate was further confirmed by observations of neutral hydrogen in the galaxy by the European Southern Observatory’s Very Large Telescope. These observations independently verify that MACS1149-JD1 is the most distant galaxy with a precise distance measurement.

The team then reconstructed the star formation history in the galaxy using infrared data taken with the NASA/ESA Hubble Space Telescope and NASA’s Spitzer Space Telescope. The observed brightness of the galaxy is well explained by a model where the onset of star formation was another 250 million years ago. The model indicates that the star formation became inactive after the first stars ignited. It was then revived at the epoch of the ALMA observations: 500 million years after the Big Bang.

The astronomers suggest that the first burst of star formation blew the gas away from the galaxy, which would suppress the star formation for a time. The gas then fell back into the galaxy leading to the second burst of star formation. The massive newborn stars in the second burst ionized the oxygen between the stars; it is those emissions that have been detected with ALMA.

“The mature stellar population in MACS1149-JD1 implies that stars were forming back to even earlier times, beyond what we can currently see with our telescopes. This has very exciting implications for finding ‘cosmic dawn’ when the first galaxies emerged,” adds Nicolas Laporte, a researcher at University College London/Université de Toulouse and a member of the research team.

“I am sure that the future combination of ALMA and the James Webb Space Telescope will play an even greater role in our exploration of the first generation of stars and galaxies,” said Zheng.

ALMA has set the record for the most distant oxygen several times. In 2016, Akio Inoue at Osaka Sangyo University and his colleagues found the signal of oxygen at 13.1 billion light-years away with ALMA. Several months later, Nicolas Laporte of University College London used ALMA to detect oxygen at 13.2 billion light-years away. Now, the two teams merged into one and achieved this new record. This reflects both the competitive and collaborative nature of forefront of scientific research.

“With this discovery we managed to reach the earliest phase of cosmic star formation history,” said Hashimoto. “We are eager to find oxygen in even farther parts of the universe and expand the horizon of human knowledge.”

The National Radio Astronomy Observatory is a facility of the National Science Foundation, operated under cooperative agreement by Associated Universities, Inc.

Quelle: The National Radio Astronomy Observatory

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ALMA und VLT finden Hinweise auf Sternentstehung nur 250 Millionen Jahre nach dem Urknall

Astronomen haben anhand von Beobachtungen des Atacama Large Millimeter/Submillimeter Arrays (ALMA) und des Very Large Telescope (VLT) der ESO festgestellt, dass die Sternentstehung in der weit entfernten Galaxie MACS1149-JD1 in einem unerwartet frühen Stadium begann, nur 250 Millionen Jahre nach dem Urknall. Gleichzeitig entspricht diese Entdeckung auch dem Nachweis des am weitesten entfernten Sauerstoffs im Universum. Es handelt sich bei MACS1149-JD1 zudem um die am weitesten entfernte Galaxie, die jemals von ALMA oder dem VLT beobachtet wurde. Die Ergebnisse werden am 17. Mai 2018 in der Zeitschrift Nature veröffentlicht.

Ein internationales Astronomenteam hat mit ALMA eine entfernte Galaxie namens MACS1149-JD1 beobachtet. Dabei entdeckten sie ein sehr schwaches Leuchten von ionisiertem Sauerstoff in dieser Galaxie. Auf seinem Weg durch das Weltall wurde dieses Infrarotlicht durch die Expansion des Universums auf eine mehr als zehnmal längere Wellenlänge gedehnt, bis es die Erde erreichte und von ALMA nachgewiesen wurde. Das Team folgerte, dass das Signal vor 13,3 Milliarden Jahren (oder 500 Millionen Jahre nach dem Urknall) ausgesendet wurde, was es zum am weitesten entfernten Sauerstoff macht, der jemals von einem Teleskop erfasst wurde [1]. Die Anwesenheit von Sauerstoff ist ein deutliches Zeichen dafür, dass es noch frühere Generationen von Sternen in dieser Galaxie gegeben haben muss.

"Ich war begeistert, das Signal des entfernten Sauerstoffs in den ALMA-Daten zu sehen", erläutert Takuya Hashimoto, Erstautor des neuen Fachartikels, in dem die Entdeckung beschrieben wird, und Forscher an der Osaka Sangyo Universitätund dem National Astronomical Observatory of Japan. "Diese Entdeckung verschiebt die Grenzen des beobachtbaren Universums."

Neben dem von ALMA aufgenommenen Sauerstoff wurde mit dem Very Large Telescope (VLT) der ESO auch ein schwächeres Signal von Wasserstoff detektiert. Der aus dieser Beobachtung ermittelte Abstand zur Galaxie stimmt mit dem Abstand aus der Sauerstoffbeobachtung überein. Dies macht den MACS1149-JD1 zur entferntesten Galaxie mit einer präzisen Entfernungsmessung und zur entferntesten Galaxie, die jemals mit ALMA oder dem VLT beobachtet wurde.

"Wir sehen diese Galaxie heute so, wie zu der Zeit aussah, als das Universum erst 500 Millionen Jahre alt war - in der sie bereits eine Population entwickelter Sterne enthält", erklärt Nicolas Laporte, ein Forscher am University College London (UCL) in Großbritannien und Zweitautor des Artikels. "Wir sind also in der Lage, mit diese Galaxie in eine noch frühere, völlig unbekannte Periode der kosmischen Geschichte einzutauchen."

Die erste Zeit nach dem Urknall gab es im Universum keinen Sauerstoff; er wurde erst durch die Fusionsprozesse der ersten Sterne erzeugt und dann freigesetzt, als diese Sterne starben. Der Nachweis von Sauerstoff in MACS1149-JD1 zeigt, dass diese früheren Sterngenerationen 500 Millionen Jahre nach Beginn des Universums bereits gebildet und Sauerstoff ausgestoßen haben müssen.

Aber wann kam es zu dieser ersten Sternentstehungsphase? Um dies herauszufinden, rekonstruierte das Team die frühere Geschichte von MACS1149-JD1 anhand von Infrarot-Daten, die mit dem NASA/ESA Hubble Space Telescope und dem NASA Spitzer Space Telescope aufgenommen wurden. Sie fanden heraus, dass die beobachtete Helligkeit der Galaxie durch ein Modell gut erklärt wird, bei dem der Beginn der Sternentstehung nur 250 Millionen Jahre nach der Entstehung des Universums stattfand [2].

Der Zustand der Sterne in MACS1149-JD1 wirft die Frage auf, wann die allerersten Galaxien aus der völligen Dunkelheit auftauchten, eine Epoche, die die Astronomen romantisch als "kosmische Dämmerung" bezeichnen. Durch die Bestimmung des Alters von MACS1149-JD1 hat das Team effektiv gezeigt, dass Galaxien früher existierten als die, die wir derzeit direkt sehen können.

Richard Ellis, leitender Astronom am UCL und Koautor der Arbeit, schließt: "Die Bestimmung, wann die kosmische Dämmerung eintrat, ist sozusagen der Heilige Gral der Kosmologie und Galaxienbildung. Mit diesen neuen Beobachtungen von MACS1149-JD1 kommen wir der Geburt des Sternlichts näher! Da wir alle aus recycelter Sternmaterie bestehen, ist das in Wirklichkeit auch unsere eigene Herkunft."

Endnoten

[1] ALMA hat mehrfach den Rekord für die Detektion des entferntesten Sauerstoffs aufgestellt. Im Jahr 2016 haben Akio Inoue und seine Kollegen an der Universität Osaka Sangyo mit ALMA ein Signal von Sauerstoff entdeckt, das vor 13,1 Milliarden Jahren ausgesandt wurde. Einige Monate später hat Nicolas Laporte vom University College London 13,2 Milliarden Jahre alten Sauerstoff mit ALMA nachgewiesen. Nun haben die beiden Teams ihre Kräfte gebündelt und diesen neuen Rekord erreicht, was einer Rotverschiebung von 9,1 entspricht.

[2] Dies entspricht einer Rotverschiebung von etwa 15.

Quelle: ESO