Problem: Galaxien sterben früher als erwartet 🌀

Ein internationales Team unter der Leitung der UNIGE zeigt, dass rote und erloschene Galaxien bereits 700 Millionen Jahre nach dem Urknall existierten, was darauf hindeutet, dass die Sternentstehung früher als erwartet zum Erliegen kam.

Wissenschaftler gingen lange davon aus, dass im jungen Universum nur Galaxien mit aktiver Sternentstehung beobachtet werden könnten. Das James-Webb-Weltraumteleskop enthüllt nun, dass einige Galaxien die Sternentstehung früher als erwartet eingestellt haben.


Eine kürzliche Entdeckung eines internationalen Teams unter der Leitung der Universität Genf (UNIGE) verschärft die Spannung zwischen den theoretischen Modellen der kosmischen Evolution und den Beobachtungen. Unter Hunderten von Spektren, die durch das Webb-RUBIES-Programm gewonnen wurden, identifizierte das Team eine Rekordgalaxie, die bereits die Sternentstehung eingestellt hatte, zu einer Zeit, als diese normalerweise in vollem Gange ist. Diese Studie wurde im Astrophysical Journal veröffentlicht.

Im frühen Universum hat etwa die Hälfte der beobachteten Galaxien die Sternentstehung eingestellt: Sie sind "erloschen" und wachsen nicht mehr. Astronomen bezeichnen sie als "ruhende" Galaxien, "quenched" oder auch als "rote und tote" Galaxien. Sie erscheinen rot, weil sie keine jungen, blauen und leuchtenden Sterne mehr enthalten – nur ältere und kleinere Sterne mit rötlichen Farbtönen bleiben übrig.

Einige Schlüsselfaktoren der theoretischen Modelle müssen neu bewertet werden.

Ein bedeutender Anteil der ruhenden Galaxien findet sich unter den massereichen Galaxien, die oft mit elliptischen Morphologien beobachtet werden. Die Bildung dieser roten und toten Galaxien dauert normalerweise sehr lange, da sie zunächst eine große Anzahl von Sternen ansammeln müssen, bevor der Sternentstehungsprozess vollständig zum Erliegen kommt. Die genaue Ursache des Quenchings bleibt ein Rätsel.

"Die ersten Beispiele massereicher ruhender Galaxien (MQG) im frühen Universum zu finden, ist entscheidend, da dies ihre möglichen Bildungsmechanismen beleuchtet", erklärt Pascal Oesch, außerordentlicher Professor am Departement für Astronomie der Naturwissenschaftlichen Fakultät der UNIGE und Mitautor der Studie. Die Suche nach diesen Systemen ist seit Jahren ein Hauptziel der Astronomen.

Beobachtungen, die den Modellen widersprechen

Dank technologischer Fortschritte, insbesondere der Nahinfrarotspektroskopie, konnten Astronomen allmählich massereiche ruhende Galaxien (MQG) in immer weiter zurückliegenden kosmischen Epochen identifizieren. Ihre Häufigkeit widerspricht den theoretischen Modellen, die eine längere Bildungszeit vorhersagten.

Mit dem James-Webb-Teleskop (JWST) hat sich dieser Widerspruch zwischen Theorie und Beobachtungen verschärft, da mehrere MQGs bei einer Rotverschiebung von 5 bestätigt wurden, also 1,2 Milliarden Jahre nach dem Urknall – eine relativ kurze Zeitspanne in astronomischen Maßstäben. Die neue Studie unter der Leitung der UNIGE zeigt nun, dass sie sich noch früher und schneller gebildet haben.

Im Zyklus 2 des JWST hat das großflächige RUBIES-Programm (The Red Unknowns: Bright Infrared Extragalactic Survey), eines der größten europäischen Programme zur extragalaktischen Forschung mit dem NIRSpec-Instrument, spektroskopische Beobachtungen von mehreren tausend Galaxien erhalten, darunter Hunderte von neu entdeckten Quellen dank der ersten Bilder des JWST.

Der Rekord der am weitesten entfernten "erloschenen" Galaxie

Unter diesen neuen Spektren identifizierten die Wissenschaftler die bisher am weitesten entfernte massereiche ruhende Galaxie (MQG) mit einer spektroskopischen Rotverschiebung von 7,29, also etwa 700 Millionen Jahre nach dem Urknall. Das mit NIRSpec/PRISM erhaltene Spektrum zeigt eine überraschend alte Sternpopulation in einem noch jungen Universum.

Eine detaillierte Modellierung des Spektrums und der Bilddaten zeigt, dass diese Galaxie in den ersten 600 Millionen Jahren nach dem Urknall eine Sternmasse von mehr als 10 Milliarden (10¹⁰) Sonnenmassen gebildet hat, bevor die Sternentstehung abrupt zum Erliegen kam, was ihren ruhenden Zustand bestätigt.

"Die Entdeckung dieser Galaxie, die den Namen RUBIES-UDS-QG-z7 trägt, bedeutet, dass massereiche ruhende Galaxien im ersten Milliardenjahr des Universums mehr als 100 Mal häufiger sind, als die aktuellen Modelle vorhersagen", erklärt Andrea Weibel, Doktorand am Departement für Astronomie der Naturwissenschaftlichen Fakultät der UNIGE und Erstautor der Studie. Dies deutet darauf hin, dass einige Schlüsselfaktoren der theoretischen Modelle – wie die Auswirkungen von Sternwinden oder die Intensität der Materieströme, die durch Sternentstehung und massereiche Schwarze Löcher induziert werden – neu bewertet werden müssen.

Neue Perspektiven auf das Zentrum von Galaxien

Schließlich beträgt die Größe von RUBIES-UDS-QG-z7 nur etwa 650 Lichtjahre, was auf eine hohe Sterndichte hindeutet, vergleichbar mit den höchsten zentralen Dichten, die in ruhenden Galaxien bei etwas geringeren Rotverschiebungen gemessen wurden. Diese Galaxien werden wahrscheinlich die Kerne der ältesten und massereichsten elliptischen Galaxien, die im lokalen Universum beobachtet werden.

"Die Entdeckung von RUBIES-UDS-QG-z7 liefert den ersten soliden Beweis dafür, dass die Zentren einiger naher massereicher elliptischer Galaxien möglicherweise bereits in den ersten hunderten Millionen Jahren des Universums vorhanden waren", schließt Anna de Graaff, Postdoktorandin am Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg, Initiatorin des RUBIES-Programms und zweite Autorin des Artikels.

Diese Forschung wurde im Astrophysical Journal veröffentlicht.
DOI: 10.3847/1538-4357/adab7a