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Als die NASA im Juli 2022 die ersten Bilder und Daten des James-Webb-Weltraumteleskops veröffentlichte, wurden wir alle daran erinnert, wie wenig wir doch eigentlich über das Universum wissen. Mit dem hochmodernen, 10 Milliarden USD teuren Teleskop kann die Wissenschaft nun weiter entfernte Galaxien als je zuvor beobachten. Und dabei wird sich die Möglichkeit bieten, diese schwächsten und frühesten Galaxien mit den heutigen gigantischen elliptischen Galaxien zu vergleichen, die ebenfalls noch viele Geheimnisse bergen.
Sune Toft, Professor für Kosmologie und extragalaktische Astrophysik am Niels-Bohr-Institut, weiß nur zu gut, wie wichtig es ist, elliptische Galaxien durch die Untersuchung ihrer Ursprünge im frühen Universum besser zu verstehen. In seinem Projekt ConTExt erforscht er den Ursprung massereicher elliptischer Galaxien, um zu klären, ob es sich bei den extremsten wissenschaftlich beobachteten galaktischen Phänomenen tatsächlich um verschiedene Phasen der Entwicklung einer massereichen Galaxie handelt.
Im Gegensatz zur Milchstraße, in der ständig neue Sterne entstehen, sind elliptische Galaxien tot und haben vor Jahrmilliarden aufgehört, Sterne zu bilden. „Elliptische Galaxien sind am massereichsten, enthalten die meisten Sterne und befinden sich in Galaxienhaufen, in denen die größten Konzentrationen dunkler Materie im Universum Hunderte von ihnen gravitativ zusammenhalten“, erklärt Toft. „Trotz ihrer Dominanz verstehen wir ihren kosmischen Ursprung noch immer nicht ganz. Das stellte eine große Herausforderung für die Astronomie dar.“
Um seine Theorie zu testen, beschloss Toft, die gängige Meinung infrage zu stellen, dass viele verschiedene Arten von extremen Galaxien in Wirklichkeit elliptische Galaxien der Frühphase sind. Er erklärt weiter: „Ich wollte mit soliden Statistiken und genau gemessenen physikalischen Eigenschaften feststellen, ob staubige Starburstgalaxien die direkten Vorläufer einiger der uns bekannten frühesten elliptischen Galaxien waren.“
Die Besonderheit von Starburstgalaxien besteht darin, dass sie eine außergewöhnlich hohe Sternentstehungsrate aufweisen. Fünf Jahre lang führte Toft Beobachtungen dieser Galaxien bei verschiedenen Wellenlängen, vom Radio- über den Submillimeter- und Infrarot- bis hin zum optischen Bereich durch. Er analysierte statistische Untersuchungen von Millionen Galaxien sowie eingehende Studien einzelner Galaxien. Und seine Erkenntnisse haben große Auswirkungen auf die wissenschaftliche Gemeinschaft.
Dank ConTExt ist nun bekannt, dass Starbursts den meisten massereichen Galaxien zugrunde liegen, aber sie werden nicht durch große Verschmelzungen ausgelöst, wie sie die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler im lokalen Universum wahrnehmen konnten. Stattdessen handelt es sich um kleinere Verschmelzungen und regelmäßige Gasscheiben. Toft und sein Team fanden außerdem Beispiele für ruhende Galaxien bei z=2 mit schnell drehenden Scheiben, die mit seinem Modell vereinbar sind.
Inspirierende neue Forschung
Bei ConTExt handelt es sich inzwischen um ein weithin akzeptiertes Modell für die Entwicklung massereicher Galaxien, da viele verschiedene wissenschaftliche Gruppen zu ähnlichen Ergebnissen wie Toft gekommen sind. Neue Generationen astronomischer Durchmusterungen mit ALMA – dem weltweit größten Teleskop – und dem James-Webb-Weltraumteleskop zielen darauf ab, das Modell weiter zu erforschen.
„Mein Projekt verdeutlicht, dass die größten elliptischen Galaxien bis zu weniger als eine Milliarde Jahre nach dem Urknall zurückverfolgt werden können, als sie in rätselhaften Starbursts entstanden. Detaillierte Untersuchungen der Struktur, Morphologie, Dynamik, Sternentstehungseigenschaften, des Gasgehalts und anderer Merkmale verschiedener Galaxienpopulationen konnten das nachweisen“, fügt Toft hinzu.
Das Projekt ConTExt hat zudem den Weg für ein großes Exzellenzzentrum namens Cosmic Dawn Center am Niels-Bohr-Institut und Nationalen Weltrauminstitut an der Technischen Universität Dänemark (DTU Space) geebnet. Toft ergänzt: „Die Hauptaufgabe des Zentrums besteht darin, die Galaxienerforschung bis zur kosmischen Reionisierungsepoche voranzutreiben, als die ersten Sterne, Galaxien und schwarzen Löcher entstanden. Das ConTExt-Modell könnte hier immer noch relevant sein, da sich die massereichsten Galaxien in den höchsten Dichten der zugrundeliegenden dunklen Materieverteilungen bilden, die als erste kollabieren.“