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Die Existenz massereicher elliptischer Galaxien im frühen Universum gibt Astronomen seit zwei Jahrzehnten Rätsel auf. Ein internationales Team unter der Leitung von Nikolaus Sulzenauer und Axel Weiß vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR) nutzte Daten des Teleskopverbunds ALMA, um diese offene Frage der Galaxienentstehung näher zu beleuchten. Dazu untersuchten sie eine der spektakulärsten Galaxienansammlungen im Detail. Die Ergebnisse sind in der aktuellen Ausgabe von The Astrophysical Journal veröffentlicht.
Die Lösung eines kosmischen Rätsels
Eine überraschende Beobachtung bereitet Astronomen seit zwei Jahrzehnten Kopfzerbrechen: Nur wenige Milliarden Jahre nach dem Urknall existierten bereits massereiche und entwickelte Galaxien. Forschende hatten erwartet, in dieser frühen Phase der Geschichte unseres Universums nur Galaxien mit jungen Sternen und aktiver Sternentstehung zu finden. Stattdessen gibt es viele elliptische Galaxien mit älteren Sternpopulationen und sehr wenig kaltem Gas, aus dem neue Sterne entstehen könnten. Diese Beobachtungen stellen eine Herausforderung für Modelle dar, die das Entstehen von Strukturen im Kosmos beschreiben.
Die Gruppe unter der Leitung von Astronomen des MPIfR hat nun große Fortschritte beim Verständnis dieser Systeme erzielt. „In einem Universum, in dem größere Galaxien mit kleineren wechselwirken und durch das Verschmelzen mit diesen hierarchisch wachsen, müssen sich einige riesige elliptische Galaxien völlig anders gebildet haben als bisher angenommen. Anstatt über 14 Milliarden Jahre hinweg langsam Masse anzusammeln, könnte eine massereiche elliptische Galaxie in nur wenigen hundert Millionen Jahren entstehen. Sie kann sich durch den Kollaps und das Verschmelzen einer großen Urstruktur bilden, in der Zeit, die die Sonne benötigt, um einmal um das Zentrum der Milchstraße zu kreisen“, erklärt Nikolaus Sulzenauer, Doktorand am MPIfR und der Universität Bonn und Erstautor der Analyse. „Wir haben festgestellt, dass sich die Strukturen mit den höchsten Dichten bereits bei nur 10 % des aktuellen kosmischen Alters von der Expansion des Universums entkoppelt haben müssen. Anschließend haben sie schnell ganze Protocluster gebildet.“ Das durch den Kollaps verdichtete Gas löst ein kosmisches Feuerwerk aus, das durch Sternentstehung angetrieben wird und unglaublich hell ist. Es ist ein Leuchtfeuer im fernen Infrarot- bis Millimeterbereich und somit für Observatorien wie ALMA und das Atacama Pathfinder Experiment (APEX) zugänglich.
Eine Transformation beobachten
Das Team beobachtete das kalte Gas und den Staub im Zentrum von SPT2349-56, einem Protocluster im südlichen Sternbild Phönix, das nur 1,4 Milliarden Jahre nach dem Urknall zu sehen ist. SPT2349-56 ermöglicht einen seltenen Einblick in die ersten Galaxienhaufen, die Ursprungsorte massereicher elliptischer Galaxien. „SPT2349-56 hält den Rekord für die aktivste Sternfabrik“, bemerkt Axel Weiß, der auch an der ursprünglichen Entdeckung von SPT2349-56 mit APEX beteiligt war. „Im Zentrum fanden wir vier eng miteinander wechselwirkende Galaxien, die alle 40 Minuten einen Stern hervorbringen“, fügt Ryley Hill von der University of British Columbia (UBC) in Kanada hinzu. Zum Vergleich: In der Milchstraße dauert es derzeit ein ganzes Jahr, bis sich drei oder vier Sterne bilden.
„Wichtig ist“, so Sulzenauer, „dass dieses Galaxienquartett riesige, zusammenhängende Gezeitenarme mit einer Geschwindigkeit von 300 Kilometern pro Sekunde ausstößt. Diese erstrecken sich über einen Bereich, der viel größer ist als die Milchstraße, und sie leuchten intensiv im Submillimeterbereich. Stoßwellen, die ionisierte Kohlenstoffatome anregen, verstärken ihre Helligkeit dabei um das Zehnfache. Dank dieser hellen Emission konnten wir die Bewegung des Gases präzise vermessen. Die Gasklumpen in den spiralförmigen Armen ähneln den Perlen einer Kette, die den Kern des Protoclusters umgeben. Zu unserer Überraschung sind die Klumpen mit 20 weiteren Galaxien verbunden, die sich in den Außenbereichen der kollabierenden Struktur befinden. Dies deutet auf einen gemeinsamen Ursprung hin. Zum ersten Mal beobachten wir den Beginn einer kaskadenartigen Verschmelzung. Die meisten der 40 gasreichen Galaxien in diesem Kern werden zerstört werden und schließlich in weniger als 300 Millionen Jahren – einem Wimpernschlag – eine einzige, riesige elliptische Galaxie bilden.
Das Entstehen von Galaxienhaufen verstehen
Duncan MacIntyre und Joel Tsuchitori, zwei Studenten der UBC und Mitglieder des Teams, führten detaillierte numerische Simulationen durch. Diese waren unerlässlich, um die Beobachtungen des Kollapses dieses Protoclusters mit früheren Studien zu entwickelten Galaxienhaufen zu verknüpfen. Es gibt eine auffällige Übereinstimmung zwischen diesen beiden Arten von Objekten, die zu unterschiedlichen kosmischen Zeitpunkten gefunden werden. Dies könnte nicht nur erklären, dass das zeitgleiche Verschmelzen großer Strukturen für das Entstehen massereicher Galaxien bedeutsam ist, sondern auch, wie Galaxienhaufen mit schweren Elementen (wie Kohlenstoff) angereichert und erhitzt wurden.
„Unsere Ergebnisse liefern zwar spannende neue Einblicke in die schnelle Entstehung elliptischer Galaxien, doch verschiedene Wechselwirkungen bleiben weiterhin ein großes Rätsel. Dazu zählen die Wechselwirkungen zwischen den Stoßwellen und dem Erhitzen von Gas durch das Wachstum extrem massereicher Schwarzer Löcher sowie deren Auswirkungen auf den Treibstoff für die Sternentstehung“, bemerkt Scott Chapman von der Dalhousie University. „Es ist vielleicht noch zu früh, um zu behaupten, dass wir die ‚frühe Kindheit‘ der riesigen elliptischen Galaxien vollständig verstehen. Wir sind jedoch schon weit gekommen, was die Verbindung zwischen den Gezeitenarmen in Protoclustern und dem Entstehungsprozess massereicher Galaxien in den heutigen Galaxienhaufen angeht.“
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Zusatzinformationen
Die folgenden Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, die mit dem MPIfR affiliiert sind, sind an der aktuellen Veröffentlichung beteiligt: Nikolaus Sulzenauer, Axel Weiß, Amélie Saintonge
Nikolaus Sulzenauer
nsulzenauer@mpifr-bonn.mpg.de
+49 228 525-105
Dr. Axel Weiß
aweiss@mpifr-bonn.mpg.de
+49 228 525-273
Sulzenauer et al.: "Bright [C ii]158µm Streamers as a Beacon for Giant Galaxy Formation in SPT2349−56 at z = 4.3". The Astrophyiscal Journal 998 (2026)
[DOI: 10.3847/1538-4357/ae2ff0]
https://www.mpifr-bonn.mpg.de/pressemeldungen/2026/massereiche-galaxien-im-frueh...
Die künstlerische Darstellung des Protoclusters SPT2349-56 zeigt wechselwirkende Galaxien unterschie ...
Copyright: N.Sulzenauer, MPIfR
Das Radiobild des Protoclusters SPT2349-56 zeigt die Intensität von ionisiertem Kohlenstoff (CII), d ...
Copyright: N.Sulzenauer, MPIfR
Criteria of this press release:
Journalists, Scientists and scholars, Students, Teachers and pupils
Physics / astronomy
transregional, national
Research results
German
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