Gestützt auf technische und beobachtungstechnische Fortschritte hat ein internationales Team unter der Leitung von Forschern der Abteilung für Astrophysik des IRFU (CEA Paris-Saclay) das Geheimnis der Entstehung von Sphäroiden gelüftet, die in den Bulges von Spiralgalaxien und in riesigen elliptischen Galaxien zu finden sind.
Diese Strukturen, die lange Zeit hauptsächlich als das Produkt später galaktischer Verschmelzungen in der kosmischen Geschichte betrachtet wurden, könnten sich auch direkt im fernen Universum bilden. Ihre sphärische Form würde auf eine intensive Sternentstehung zurückzuführen sein, die durch einen dynamischen Prozess ausgelöst wird, der die Akkretion von kaltem Gas und galaktische Wechselwirkungen kombiniert.
Abbildung 1 - Beispiele für mit dem JWST aufgenommene Bilder aus der in dieser Studie analysierten Galaxienstichprobe.
Die Farbbilder wurden durch die Kombination von drei Filtern rekonstruiert: F444W (rot), F227W (grün) und F150W (blau). Die durch cyan gestrichelte Linie umgrenzte Region entspricht der besten Anpassung der Helligkeitsprofile der submillimetrischen Emission. Der weiße Balken unten in den Bildausschnitten zeigt den Maßstab, während der Name der Quelle und die Rotverschiebung (z) der Galaxien oben in jedem Bildausschnitt angegeben sind.
Bildnachweis: Tan et al. 2024 Diese Entdeckungen stellen einen großen Fortschritt in unserem Verständnis der Galaxienentwicklung dar und beeinflussen die aktuellen Modelle, die auch von hochauflösenden Beobachtungen mit Teleskopen der neuesten Generation (JWST, Euclid usw.) profitieren werden.
Diese Forschung wurde in einem Artikel mit dem Titel "
In situ spheroid formation in distant submillimetre-bright Galaxies" vorgestellt, der in der Zeitschrift
Nature veröffentlicht wurde.
Technische und beobachtungstechnische Grenzen endlich überwunden
Die Galaxien im Universum lassen sich in zwei große morphologische Kategorien einteilen. Einerseits die Spiralgalaxien, die scheibenförmig sind, wie unsere Milchstraße. Sie sind jung, gasreich und bilden weiterhin Sterne. Andererseits die sphäroidalen Galaxien, zu denen die elliptischen Galaxien und die Bulges von Spiralgalaxien gehören. Sie sind gasfrei, bestehen aus sehr alten Sternen und bilden kaum noch Sterne; sie sind sozusagen "tot". Während die Entstehung von Spiralgalaxien vielleicht besser verstanden ist, blieb die Entstehung von sphäroidalen Galaxien bislang ein Rätsel, trotz mehrerer Theorien, die durch unsere früheren Beobachtungs- und technischen Mittel begrenzt waren.
Um die Entstehung dieser Sphäroide zu verstehen, muss man bis zur Geburt der Sterne zurückgehen, die sie bilden, bis zum "kosmischen Mittag", als das Universum 1,6 bis 4,3 Milliarden Jahre alt war. Zu dieser Zeit bildeten viele Galaxien aktiv Sterne und waren reich an Staub und Gas, was sie im sichtbaren Spektrum undurchsichtig, aber im Millimeter- und Submillimeterbereich extrem hell machte. Die Ankunft des Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), das in diesem Bereich des Spektrums beobachten kann, eröffnete daher die Möglichkeit, die galaktischen Bulges zu untersuchen. Diese Beobachtungen werden durch die Infrarotsicht des leistungsstarken James Webb Space Telescope (JWST) ergänzt, das einen globalen Überblick über die Galaxien bietet (siehe Abbildung 1).
Abbildung 2 - Schema, das den Prozess der Sphäroidbildung in fernen, submillimetrisch hellen Galaxien und seinen Zusammenhang mit der Entwicklung riesiger elliptischer Galaxien im heutigen Universum veranschaulicht.
Ganz links sind die vom JWST aufgenommenen Infrarotbilder (siehe Legende Abb. 1) zu sehen, gefolgt von einem Zoom auf ihre zentralen Regionen im Submillimeterbereich, der mit ALMA gewonnen wurde. Das Schema schlägt auch eine Klassifizierung der intrinsischen Formen der Galaxien vor. Die durchschnittlichen Parameter der Morphologien werden dargestellt für: die gesamte untersuchte Stichprobe (grüne Ellipse), eine Teilstichprobe von kompakten Galaxien im Submillimeterbereich (orange Ellipse) und eine Teilstichprobe von ausgedehnten Galaxien im Submillimeterbereich (blaue Ellipse). Diese Parameter werden mit denen lokaler Galaxien vom frühen Typ (rote Ellipse) und vom späten Typ (durch violette und cyan Spiralformen dargestellt) verglichen.
Bildnachweis: Tan et al. 2024. Diese Forschung wurde auch durch einen wichtigen technischen Fortschritt ermöglicht. In einer früheren Veröffentlichung (Tan et al. 2024, A&A) entwickelten die Forscher eine neue Methode zur Anpassung von Helligkeitsprofilen an interferometrische Beobachtungen, wie sie von ALMA erzeugt werden. Vor dieser Innovation war die Extraktion von Informationen aus diesen Daten komplex, und die bestehenden Methoden führten zu zu vielen Verzerrungen, was eine eingehende Analyse der sphäroidalen Systeme erschwerte.
Neue Perspektiven auf die Entstehung riesiger elliptischer Galaxien im frühen Universum
Diese Studie stützt sich auf ALMA-Beobachtungen, die im Laufe der Jahre durch verschiedene Projekte gesammelt wurden. Dank der Archivprojekte
A3COSMOS und A3GOODS konnten die Forscher eine Stichprobe von mehr als hundert Galaxien mit intensiver Sternentstehung zusammenstellen, die im Submillimeterbereich sehr hell sind und ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis (S/N > 50) aufweisen. Diese Galaxien stammen aus dem frühen Universum, das damals nur 1,6 bis 4,3 Milliarden Jahre alt war (Rotverschiebung zwischen z = 1,5 und 4). Ein solcher Reichtum an Daten wäre im Rahmen einer klassischen Beobachtungszeitantrags nicht möglich gewesen, was die Bedeutung der Nutzung von Archiven für Studien dieses Umfangs unterstreicht.
Die erste Entdeckung betrifft die Morphologie der submillimetrischen Komponenten in den Zentren dieser Galaxien, die den Orten der Sternentstehung entsprechen. Die Studie zeigt, dass die meisten Zentren dieser Galaxien intrinsisch sphärisch sind und nicht scheibenförmig, wie bisher angenommen. Tatsächlich stellten die Forscher fest, dass die submillimetrische Emission dieser Galaxien sehr kompakt ist, mit Helligkeitsprofilen, die sich signifikant von denen typischer Scheiben unterscheiden. Diese Schlussfolgerung wird durch detaillierte Modellierungen ihrer 3D-Geometrie gestützt, die zeigen, dass das Verhältnis zwischen der kürzesten und der längsten Achse im Durchschnitt die Hälfte beträgt und mit der räumlichen Kompaktheit zunimmt (siehe Abbildung 2).
Die zweite Enthüllung dieser Studie betrifft den Mechanismus der Bildung sphäroidaler Galaxien. Lange Zeit dachte man, dass Sphäroide spät in der Geschichte des Universums entstanden, hauptsächlich durch Koaleszenz, d.h. durch die Verschmelzung zweier Galaxien nach einer Kollision. Diese Studie bietet jedoch eine neue Perspektive: Es wurde beobachtet, dass sich Sphäroide direkt aus Sternentstehungsausbrüchen bilden, wahrscheinlich aufgrund der gleichzeitigen Wirkung der Akkretion von kaltem Gas und der Wechselwirkungen zwischen Galaxien, ohne dass eine Verschmelzung erforderlich ist. Diese Prozesse führen zu einer intensiven Sternentstehung, die in den dreidimensionalen Kernen dieser Galaxien konzentriert ist, und dies bereits in den frühesten Epochen der kosmischen Geschichte.
Ein möglicher Zugang zu den Geburtsstätten großer elliptischer Galaxien
Diese Studie lieferte die ersten soliden Beobachtungsbeweise dafür, dass Sphäroide direkt durch eine intensive Sternentstehung entstehen können, die durch die Akkretion von kaltem Gas und gleichzeitige galaktische Wechselwirkungen in den Kernen der Galaxien angetrieben wird. Dieser Prozess, der im fernen Universum offenbar weit verbreitet ist, stellt einen Wendepunkt in unserem Verständnis der Entstehung und Entwicklung der Bulges von Spiralgalaxien dar und kann auch für riesige elliptische Galaxien wie M87 im Sternbild Jungfrau gelten, deren Geburtsstätten seit Jahrzehnten gesucht werden.
Abbildung 3 - Das JWST hat kürzlich die wahre Natur der nahen Galaxie M104, bekannt als Sombrero-Galaxie, enthüllt. Dank seiner Infrarotsicht konnte das Teleskop durch den Staub und das Gas hindurchsehen, die den Anschein von Spiralarmen erweckten. Die neuen Daten bestätigen, dass der Sombrero tatsächlich eine elliptische Galaxie ist, die von einem Ring umgeben ist, mit einer sehr schwachen Sternentstehung (weniger als eine Sonnenmasse pro Jahr).
Bildnachweis: © (NASA, ESA, CSA, STScI) Neue ALMA-Beobachtungen mit erhöhter Auflösung und Empfindlichkeit, kombiniert mit Archivdaten, werden es ermöglichen, die Verteilung und Kinematik des kalten Gases – des Rohstoffs der Sternentstehung – in diesen Galaxien durch statistische Studien detailliert zu untersuchen. Darüber hinaus werden die Fähigkeiten der Teleskope JWST, Euclid und des chinesischen Raumstations-Teleskops (CSST) zur Kartierung der stellaren Komponenten von Galaxien diesen Ansatz ergänzen und ein umfassenderes Bild ihrer Entwicklung bieten (siehe Abbildung 3). Zusammen versprechen diese Werkzeuge, unser Verständnis der Galaxienentstehung im frühen Universum zu revolutionieren.
Quelle: CEA IRFU