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Autor: Ralph-Mirko Richter / 08. Juli 2013, 21:48 Uhr

Galaxien wachsen durch das Ansaugen von Gas

Astronomen ist es kürzlich gelungen, eine weit entfernte Galaxie zu beobachten, welche durch ihre Gravitation das sie umgebende Gas ansaugt. Das Gas strömt auf die Galaxie zu und treibt dabei sowohl die Sternentstehung als auch die Rotation dieser Galaxie an. Die Messungen sind der bisher beste direkte Nachweis für eine Theorie welche besagt, dass Galaxien das sie umgebende Gas an sich ziehen und aufbrauchen, indem sie neue Sterne bilden und dabei wachsen.

Quelle: ESO
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ESO, L. Calçada, ESA, AOES Medialab

Bild vergrößernDiese künstlerische Darstellung zeigt eine Galaxie im fernen Universum beim Einsaugen von kaltem Gas (hier in orange dargestellt) aus ihrer Umgebung. Astronomen haben kürzlich viel über dieses Objekt erfahren, indem sie nicht nur die Galaxie sondern auch das Licht eines noch viel weiter entfernten Quasars (das helle Objekt zur Linken der zentralen Galaxie) analysierten, welcher sich zufällig am richtigen Ort befindet, um durch das akkreditierende Gas hindurch zu leuchten. Die Bewegungen des Gases und dessen Zusammensetzung passen sehr gut zu Theorien über die Akkretion von kaltem Gas als Antriebsfaktor für die Sternentstehung und das Wachstum von Galaxien.
(Bild: ESO, L. Calçada, ESA, AOES Medialab)
Astronomen hatten schon länger die Vermutung, dass Galaxien an Masse gewinnen, indem sie Material aus ihrer Umgebung einsaugen, welches anschließend für die Bildung neuer Sterne verwendet wird. Allerdings erwies es sich in der Vergangenheit als sehr kompliziert, diesen Prozess auch direkt zu beobachten. Jetzt hat ein internationales Astronomenteam mit dem von der Europäischen Südsternwarte (ESO) in den chilenischen Anden betriebenen Very Large Telescope (kurz "VLT") im Sternbild Tucana (zu deutsch "Tukan") eine sehr seltene Anordnung zwischen einer entfernten Galaxie und einem noch weiter entfernten Quasar untersucht.

Bei einem Quasar handelt es sich um den extrem hellen Kernbereich einer aktiven Galaxie, welche sich in einer sehr großen Entfernung zu unserer Heimatgalaxie befindet und gewaltige Energiemengen abstrahlt. Im sichtbaren Licht erscheinen diese Objekte dabei nahezu punktförmig. Ihre Leuchtkraft, so die gängige Theorie, wird durch die Aktivität von einem supermassereichen Schwarzen Loch erzeugt, welches sich im Zentrum dieser Galaxie befindet. Die von ihnen erzeugte große Helligkeit macht Quasare quasi zu "kosmischen Leuchtfeuern", deren nähere Untersuchung es den Astronomen und Astrophysikern ermöglicht, die Anfänge der Entstehungsgeschichte unseres Universums und die Entstehung der ersten Sterne und Galaxien näher zu analysieren und zu interpretieren.

Im Falle der jetzt erfolgten Beobachtungen muss das von dem Quasar ausgehende Licht zuerst die im Vordergrund befindliche Galaxie und das sie umgebende Material durchlaufen, bevor es die Erde erreicht. Beim Passieren der Gaswolken werden allerdings einige Wellenlängen des Lichts absorbiert. Das Muster dieser "Absorptionsfingerabdrücke" enthüllt den Astronomen eine Vielzahl an Informationen bezüglich der Bewegungen des Gases und über dessen chemische Zusammensetzung. Dadurch ist es möglich, die Eigenschaften des Gases um der vom ihm umgebenen Galaxie im Detail zu untersuchen. Ohne den im Hintergrund befindlichen Quasar wären viele dieser Informationen im Verborgenen geblieben, da die Gaswolken keine eigene Strahlung aussenden und auf direkt angefertigten Aufnahmen nicht erkennbar sind.

"Diese Art von Anordnung ist sehr selten und hat es uns ermöglicht, einzigartige Beobachtungen durchzuführen", so Nicolas Bouché vom Research Institute in Astrophysics and Planetology (IRAP) in Toulouse/Frankreich und Erstautor eines entsprechenden Fachartikels. "Mit dem Very Large Telescope der ESO waren wir in der Lage sowohl die Galaxie selbst als auch das umliegende Gas zu beobachten. Erst das führte letztendlich dazu, dass wir ein wichtiges Problem der Galaxienentstehung angehen konnten: Wie wachsen Galaxien und wie nähren sie die Sternentstehung?"

ESO, Digitized Sky Survey 2. Acknowledgement: Davide De Martin

Bild vergrößernDiese Aufnahme zeigt die Himmelsregion um ein sehr seltenes Paar aus einer Galaxie und einem Quasar im südlichen Sternbild Tucana (der Tukan). Der Quasar und die Galaxie sind zu lichtschwach, um in dieser Aufnahme, welche mit einem relativ kleinen Teleskop angefertigt wurde, sichtbar zu sein. Ihre Positionen sind jedoch eingezeichnet. Das hier gezeigte Foto wurde aus Aufnahmen erstellt, welche im Rahmen des Digitized Sky Survey 2 angefertigt wurden.
(Bild: ESO, Digitized Sky Survey 2. Acknowledgement: Davide De Martin)
Galaxien brauchen ihr ursprünglich vorhandenes Gasreservoir relativ schnell auf, indem sich in ihrem Inneren permanent neue Sterne entwickeln. Um diese Sternentstehungsprozesse jedoch auch über längere Zeiträume hinweg aufrecht erhalten zu können, müssen die Galaxien einen steten Zustrom an "frischem Material" erleben. Die Astronomen hatten bereits vermutet, dass die Lösung dieses Problems darin besteht, dass Galaxien durch ihre gravitative Anziehungskraft kaltes Gas aus der galaktischen Umgebung ansaugen. In diesem Szenario zieht eine Galaxie Gas aus der Umgebung an, welches dann zuerst um die Galaxie kreist und zusammen mit dieser rotiert, bevor es schließlich in die Galaxie eindringt und sich dort in Sternentstehungsgebieten konzentriert.

Obwohl bereits in der Vergangenheit einige Anzeichen einer solchen Akkretion in Galaxien beobachtet wurden, konnten die Bewegung des Gases und seine weiteren Eigenschaften bisher nicht vollständig untersucht werden. Im Rahmen der jetzt durchgeführten Beobachtungen konnte deutlich nachgewiesen werden, dass sich das Material in Richtung der Galaxie und nicht etwa von ihr weg bewegt. Zusätzlich konnte dabei die Zusammensetzung des Gases ermittelt werden.

Für ihre Untersuchungen benutzten die Astronomen zwei Instrumente, welche am VLT montiert sind. Das SINFONI-Instrument (kurz für "Spectrograph for Integral Field Observations in the Near Infrared", zu deutsch "Spektrograph für integrierte Feldbeobachtungen im Nah-Infrarot") hat dabei die Bewegungen des Gases innerhalb der beobachteten Galaxie registriert. UVES (kurz für "Ultraviolet and Visual Echelle Spectrograph", zu deutsch "Ultravioletter und visueller Echelle-Spectrograf") hat dagegen die Effekte des Gases um die Galaxie auf das Licht des weiter entfernten Quasars enthüllt. Durch den Einsatz dieser beiden Instrumente konnten sowohl die Rotation der Galaxie als auch die Zusammensetzung und die Bewegung des Gases außerhalb der Galaxie beobachtet werden.

"Die Eigenschaften dieser enormen Menge an umliegendem Gas fielen genau so aus, wie wir sie für kaltes Gas, das in die Galaxie gezogen wird, erwartet haben", erklärt Michael Murphy von der Swinburne University of Technology in Melbourne/Australien. "Das Gas bewegt sich wie erwartet und die Gasmenge und die Zusammensetzung sind in etwa so wie erwartet und passen perfekt zu den Modellen. Es ist wie zur Fütterungszeit für die Löwen im Zoo - diese bestimmte Galaxie hat einen gewaltigen Appetit und wir haben herausgefunden, wie sie sich selbst füttert, um so schnell zu wachsen."

"In diesem Fall hatten wir das Glück, dass der Quasar sich genau am richtigen Ort befindet, so dass sein Licht das Gas durchqueren muss. Die nächste Generation von noch größeren Teleskopen wird Untersuchungen mit mehreren Sichtlinien pro Galaxie ermöglichen und somit ein vollständiges Bild bieten", erklärt Crystal Martin von der University of California in Santa Barbara/USA, welche ebenfalls an den Untersuchungen beteiligt war.

Die hier kurz vorgestellten Forschungsergebnisse wurden am 5. Juli 2013 unter dem Titel "Signatures of Cool Gas Fueling a Star-Forming Galaxy at Redshift 2.3" in der Fachzeitschrift "Science" publiziert.

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