Galaxien spielten früher nach anderen Regeln

?Das Universum hat sich seit dem Urknall vor 13,7 Milliarden Jahren st?ndig entwickelt, in jeder Epoche sah es anders aus, was unglaublich faszinierend ist?, erkl?rt Marcella Carollo, Astrophysik-Professorin an der ETH Z¨¹rich. Ihre Forschungsgruppe untersuchte Galaxien, deren Licht mehr als 10 Milliarden Jahre unterwegs war, bis es uns erreichte. Damit schauten die Forschenden zur¨¹ck ins fr¨¹he Universum, in welchem nach dem Urknall erst etwa 3 Milliarden Jahre vergangen waren. Diese Epoche ist besonders interessant, weil damals extrem viele Sterne geboren wurden ¨C mehr als je zuvor oder danach. ?In unserer Milchstrasse entstehen heute ein bis zwei Sterne pro Jahr. Vor 10 Milliarden Jahren waren es vermutlich in einer solchen Galaxie etwa 200 Sonnen j?hrlich?, sagt die Astrophysikerin.

Grosse, massereiche Sterne haben in kosmischen Massst?ben eine kurze Lebensdauer. Sie sterben in einem Zeitraum von ungef?hr 10 Millionen Jahren nach ihrer Geburt. Dabei explodieren sie als Supernovae und schleudern Materie, darunter Sauerstoff, in das Gas in der Umgebung. ?Genau das haben wir in unserer Arbeit gemessen?, erkl?rt Masato Onodera, bis vor kurzem Mitglied der ETH-Forschungsgruppe und nun Wissenschaftler am japanischen Subaru-Teleskop auf Hawaii. Er ist Erstautor der Studie, die jetzt in der Fachzeitschrift Astrophysical Journal ver?ffentlicht wurde.

Geburten und ?Metalle? hingen nicht zusammen

Das Team beobachtete 41 ferne Galaxien und ermittelte, wie gross ihr Anteil an Elementen ist, die schwerer als Wasserstoff und Helium sind. In der Astronomie werden diese schweren Elemente, inklusive Sauerstoff, ?Metalle? genannt in Abweichung zur Chemie, wo Metalle beispielsweise eine hohe elektrische Leitf?higkeit aufweisen m¨¹ssen. Erst die schweren Elemente erm?glichten die Bildung von Planeten, welche die Sterne umkreisen. Und auch wir bestehen aus den ?astronomischen Metallen?.

Dabei zeigte sich, dass Galaxien wie unsere Milchstrasse im fr¨¹hen Universum viel weniger Metalle enthielten als die heutigen Sternsysteme. Verglichen mit diesen lag die Metallh?ufigkeit fr¨¹her nur bei etwa 20 Prozent. Dieser Umstand alleine verbl¨¹ffte die Forschenden nicht.

?berrascht stellten die Forschenden jedoch fest, dass ein bekannter Zusammenhang fehlte: Im heutigen Universum k?nnen die Astronomen voraussagen, wie gross die Metallh?ufigkeit in einer Galaxie ist, wenn sie wissen, wie viele Sterne in der Galaxie j?hrlich gebildet werden. So enthalten heutige Galaxien mit einer grossen Rate von Sterngeburten weniger Metalle als jene, die bei der Sternenbildung weniger aktiv sind. ?Wenn wir uns das fr¨¹he Universum vor 10 Milliarden Jahren anschauen, geht dieser Zusammenhang verloren?, sagt Onodera. ?Es gibt keine Verbindung zwischen der Rate, mit der in einer fr¨¹hen Galaxie Sterne geboren werden, und der Menge der dort vorhandenen schweren Elemente.?

Das Badewannen-Modell

?Die Erkenntnisse ¨¹ber die Metallh?ufigkeit geben uns wichtige Hinweise zum physikalischen Gleichgewicht von Galaxien ¨¹ber Epochen hinweg und zur Entstehung von Sternen und Planeten?, sagt Marcella Carollo. Es gebe viele Theorien, aber nur aufgrund solcher Beobachtungen k?nne man herausfinden, welche theoretischen ?berlegungen richtig seien.

Die Astrophysikerin vergleicht die Galaxien mit Maschinen, in die von aussen Gas, vor allem Wasserstoff, hinein fliesst wie Wasser in eine Badewanne. Das Gas dient als Reservoir, aus dem Sterne entstehen, ein Teil wird aber auch wieder ausgeworfen. ?Um diese Maschine zu verstehen und um herauszufinden, warum sie in den letzten 10 Milliarden Jahren immer langsamer geworden ist, m¨¹ssen wir die Metallh?ufigkeit kennen?, sagt Marcella Carollo. Denn der Anteil schwerer Elemente ist das Resultat des komplexen Zusammenspiels zwischen ein- und ausfliessendem Gas und der Sternbildung.

Messungen in Hawaii

Den Blick in die Vergangenheit erm?glichte das Keck-Riesenteleskop mit seinem 10-Meter-Spiegel auf dem Mauna Kea in Hawaii. Es liefert nicht nur Bilder von weit entfernten, ?usserst lichtschwachen Objekten, sondern auch Spektren, die R¨¹ckschl¨¹sse auf die vorhandenen chemischen Elemente erm?glichen. Aufgrund der starken Rotverschiebung des Lichts, befinden sich die Spektrallinien im Infrarot-Bereich und sind sehr schwer nachzuweisen. Ein neu installierter Infrarot-Spektrograph machte es m?glich. Damit konnten die Forschenden zudem mehrere Objekte gleichzeitig beobachten, was eine besonders effiziente Datengewinnung erm?glichte.

?Um die begehrte Teleskop-Zeit zu erhalten, brauchte es etwas diplomatisches Geschick?, erz?hlt Marcella Carollo. Der Japaner Masato Onodera bewirkte, dass ein Teil der Beobachtungen im Rahmen eines Austauschprogramms zwischen dem amerikanischen Keck-Observatorium und dem japanischen Subaru-Teleskop auf Hawaii durchgef¨¹hrt werden konnte, w?hrend Marcella Carollo ihre gute Zusammenarbeit mit dem California Institute of Technology, Mitbetreiber von Keck, aktivierte. ?Unsere Arbeit war somit ein wunderbarer gemeinsamer Effort?, sagt die Astrophysikerin.