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Beobachtungen mit dem VLT und Hubble zeigen, dass die Sternentstehung zuerst im Zentrum von elliptischen Galaxien aufhört
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Astronomen ist es erstmals gelungen zu zeigen, wie die Sternentstehung in „toten“ Galaxien vor Milliarden von Jahren ins Stottern kam. Mit dem Very Large Telescope der ESO und des Hubble-Weltraumteleskops der NASA/ESA konnten die Wissenschaftler enthüllen, dass drei Milliarden Jahre nach dem Urknall zwar noch Sterne im Außenbereich dieser Galaxien entstanden, aber nicht mehr im Inneren. Scheinbar ließ die Sternentstehung zuerst im Kern der Galaxien nach und breitete sich dann in die äußeren Bereiche aus. Die Ergebnisse werden in der Ausgabe vom 17. April 2015 in der Zeitschrift Science veröffentlicht.
Ein wichtiges astrophysikalisches Rätsel basiert auf der Frage, wie massereiche, inaktive elliptische Galaxien, die im heutigen Universum sehr häufig sind, ihre einst hohe Sternentstehungsrate zum Erliegen gebracht haben. Solch riesige Galaxien, die aufgrund ihrer Form oft auch als Sphäroide bezeichnet werden, sind typischerweise in den zentralen Regionen zehnmal so dicht mit Sternen besiedelt wie unsere Heimatgalaxie, die Milchstraße, und haben auch etwa die zehnfache Masse.
Astronomen bezeichnen diese großen Galaxien als rot und tot, da sie eine Fülle von alten, roten Sternen, aber nur wenige junge, blaue Sterne und keinerlei Anzeichen von Sternentstehung aufweisen. Das geschätzte Alter der roten Sterne legt nahe, dass ihre Heimatgalaxie vor etwa zehn Milliarden Jahren aufgehört hat, neue Sterne zu bilden, direkt am höchsten Punkt der Sternentstehungsrate im Universum, als viele Galaxien noch mit einer zwanzig Mal höheren Geschwindigkeit Sterne gebaren als heutzutage.
„Massereiche tote elliptische Galaxien enthalten etwa die Hälfte aller Sterne, die im Universum während seiner gesamten Existenz entstanden sind“, erklärt Sandro Tacchella von der ETH Zürich in der Schweiz, Erstautor des Artikels. „Wir können nicht behaupten zu verstehen, wie sich das Universum entwickelt hat und zu dem wurde, was wir heute von ihm sehen, bis wir wissen, wie diese Galaxien sich entwickelt haben.“
Tacchella und seine Kollegen beobachteten insgesamt 22 Galaxien aus einer Ära etwa 3 Milliarden Jahre nach dem Urknall [1], deren Masse eine ganze Bandbreite umfasst. Das SINFONI-Instrument am Very Large Telescope (VLT) der ESO sammelte Licht von dieser Auswahl an Galaxien und zeigte präzise, wo sie Sterne am laufenden Band produzierten. SINFONI konnte diese detaillierten Messungen der fernen Galaxien nur dank seines Systems adaptiver Optik machen, das die störenden Effekte aus der Erdatmosphäre größtenteils beseitigt.
Das NASA/ESA Hubble-Weltraumteleskop richteten die Wissenschaftler ebenfalls auf diese Auswahl an Galaxien, um die störenden Auswirkungen der Atmosphäre zu umgehen. Hubbles WFC3-Kamera schoss Bilder im Nahinfraroten, um die räumliche Verteilung von älteren Sternen innerhalb der Galaxien mit aktiver Sternentstehung deutlich zu machen.
„Es ist unglaublich beeindruckend, wie SINFONIs System adaptives Optik atmosphärische Effekte weitestgehend ausschalten und Information darüber sammeln kann, wo neue Sterne geboren werden, und das mit genau derselben Präzision, die Hubble für die Bestimmung der Massenverteilung der Sterne erlaubt“, ergänzt Marcella Carollo, ebenfalls von der ETH Zürich und Koautorin der Studie.
Den neuen Daten nach hielten die massereichsten Galaxien in der Stichprobe eine stetige Produktion neuer Sterne in ihren Außenbezirken aufrecht. In ihrem wulstigen, dichtgepackten Zentrum hatte die Sternentstehung allerdings bereits gestoppt.
„Das jetzt nachgewiesene Stoppen der Sternentstehung in massereichen Galaxien von innen nach außen wirft ein neues Licht auf die grundlegenden Mechanismen, die daran beteiligt sind. Das ist etwas, worüber Astronomen lange gestritten haben“, erläutert Alvio Renzini vom INAF - Osservatorio Astronomico di Padova.
Eine gängige Theorie besagt, dass sternbildende Materie von dem reißenden Energiestrom zerstreut wird, der von dem im Zentrum einer Galaxie befindlichen supermassereichen Schwarzen Loch stammt, das Materie in sich hineinschaufelt. Eine andere Idee besagt, dass der Zufluss von frischem Gas in die Galaxie stoppt und deshalb die Galaxie regelrecht verhungert, da der Nachschub für die Entstehung neuer Sterne fehlt und sich die Galaxie infolgedessen in einen roten und toten Sphäroiden verwandelt.
„Es gibt viele unterschiedlichen theoretischen Vorschläge für den physikalischen Mechanismus, der zum Tod der massereichen elliptischen Galaxien führte“ schließt Koautorin Natascha Förster Schreiber vom Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik in Garching. „Die Entdeckung dass die Sternentstehung vom Zentrum ausgehend nach außen verlöscht ist, ist enorm wichtig für das Verständnis dafür, wie es dazu kam, dass das Universum so aussieht, wie es heute der Fall ist.“
Endnoten
[1] Das Alter des Universums beträgt etwa 13,8 Milliarden Jahre, so dass die Galaxien, die von Tacchella und seinen Kollegen untersucht wurden, im Allgemeinen über 10 Milliarden Jahre alt sind.
Weitere Informationen
Die hier vorgestellten Ergebnisse von S. Tacchella et al. erscheinen am 17. April 2015 unter dem Titel „Evidence for mature bulges and an inside-out quenching phase 3 billion years after the Big Bang” in der Zeitschrift Science.
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Die elliptische Galaxie IC 2006
Dieses Bild, aufgenommen mit dem NASA/ESA Hubble-Weltraumteleskop, zeigt eine elliptische Galaxiemit dem Namen IC 2006. Massereiche elliptische Galaxien wie diese sind gewöhnlich im modernen Universum, aber wie die einst hohe Sternentstehungsrate zum Erliegen kam, ist ein astrophysikalisches Rätsel. Jetzt enthüllten Hubble und das Very Large Telescope (VLT) der ESO, dass drei Milliarden Jahre nach dem Urknall diese Art von Galaxien immer noch Sterne in ihren Außenbereichen produzierten, aber nicht mehr länger im Inneren. Das Erlöschen der Sternentstehung scheint im Kern der Galaxie angefangen zu haben und sich dann in die äußeren Bereiche ausgebreitet zu haben.
Herkunftsnachweis:
ESA/Hubble & NASA Image acknowledgement: Judy Schmidt and J. Blakeslee (Dominion Astrophysical Observatory). Note that the image is not related to science release content. Science acknowledgement: M. Carollo (ETH, Switzerland)
Quelle: ESO
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