Riesiger Vorrat an „Sternenbrennstoff“ in einer der frühesten Galaxien des Universums entdeckt

Das Universum war noch sehr jung – gerade einmal rund 700 Millionen Jahre nach dem Urknall oder etwa 5 % seines heutigen Alters –, als es bereits Galaxien gab, die zu schnellem Wachstum und intensiver Sternentstehung fähig waren. Einem internationalen Team von Astronomen ist es nun mithilfe zweier leistungsstarker Radioteleskope zum ersten Mal gelungen, den „Brennstoff“ für diesen Prozess direkt sichtbar zu machen. Die in den Monthly Notices of the Royal Astronomical Society veröffentlichten Ergebnisse werfen ein neues Licht darauf, wie die ersten großen Galaxien entstanden sind.

Im Fokus der Untersuchung steht die Galaxie REBELS-25, die bei einer Rotverschiebung von z=7,3 beobachtet wurde. Sie existierte während der Epoche der Reionisierung – jenem Zeitraum, in dem die ersten Generationen von Sternen und Galaxien das Antlitz des Kosmos veränderten, indem sie den umgebenden neutralen Wasserstoff ionisierten. Astronomen vermuteten bereits seit Längerem, dass solch frühe, massive Objekte über enorme Mengen an kaltem Molekülgas verfügen müssten, da dies der Grundstoff für die Geburt neuer Sterne ist. Bisher mangelte es jedoch an direkten Beweisen: Die Signale sind extrem schwach, und die kosmische Hintergrundstrahlung in großen Entfernungen erschwert die Beobachtungen erheblich.

Eine entscheidende Rolle spielten die Messungen des Very Large Array (VLA) in New Mexico und des Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) in Chile. Mit dem VLA gelang es, die schwache Strahlung von Kohlenmonoxid (CO) nachzuweisen – ein zuverlässiger Indikator für kaltes Gas. Dies stellt den bislang am weitesten entfernten Nachweis dieser Art dar. Das ALMA-Teleskop ergänzte das Bild, indem es die Bestimmung von Temperatur, Dichte und Verteilung des Gases ermöglichte. Es stellte sich heraus, dass REBELS-25 etwa einhundert Milliarden Sonnenmassen an kaltem Molekülgas enthält – was rund 95 % der gesamten gewöhnlichen (baryonischen) Materie dieser Galaxie entspricht. Zum Vergleich: Die Masse der bereits entstandenen Sterne ist in dieser Galaxie bisher deutlich geringer.

Die Galaxie überrascht durch ihre fortgeschrittene Reife. Frühere Untersuchungen hatten bereits gezeigt, dass sie eine rotierende Scheibe, viel Staub und einen relativ hohen Anteil an schweren Elementen besitzt. Nun wurde diese Liste um einen gewaltigen Gasvorrat erweitert. „Unsere Ergebnisse zeigen, dass Galaxien bereits 700 Millionen Jahre nach dem Urknall über beträchtliche Vorräte an kaltem Gas für die Bildung neuer Sterne verfügten“, erklärt die Hauptautorin der Studie, Carin Cescon von der Universität Leiden.

An der Studie war auch der chilenische Astronom Manuel Aravena vom Centro de Astrofísica y Tecnologías Afines und der Universidad Diego Portales beteiligt. Seiner Einschätzung nach helfen solche Entdeckungen zu verstehen, wie bestimmte Systeme im frühen Universum Materie so schnell ansammeln konnten. Dies muss nicht zwangsläufig der Regelfall sein – möglicherweise ist REBELS-25 ein außergewöhnliches Beispiel –, doch nun verfügen Wissenschaftler über die Werkzeuge, um zu prüfen, wie häufig solche Reservoirs tatsächlich vorkamen.

Die Entdeckung ist ein bedeutender Schritt bei der Erforschung der „kosmischen Morgendämmerung“. Künftige, noch empfindlichere Instrumente wie das Next Generation VLA werden es ermöglichen, kaltes Gas in einer größeren Anzahl früher Galaxien zu beobachten. Vorerst sehen wir jedoch, dass selbst in einem extrem jungen Kosmos bereits die Bedingungen für ein stürmisches Wachstum von Strukturen existierten, die mit der Zeit zur Grundlage unserer heutigen Welt wurden. Es ist eine Erinnerung daran, wie dynamisch und voller Überraschungen das frühe Universum war.