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PRI (MPIfR) 07/03(3)   [English] Pressemitteilung 23. Juli 2003


Der Stoff aus dem die Sterne sind

Astronomen entdecken grosse Mengen an molekularem Gas und Staub im entferntesten bekannten Quasar.


Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie (MPIfR) in Bonn haben gemeinsam mit Kollegen aus Frankreich und den USA in dem am entferntesten bekannten Quasar J1148+5251 eine gigantische Ansammlung von Gas nachgewiesen. Die Strahlung von Kohlenmonoxid (CO) und Staub kommt aus einer Zeit, als das Universum nur ein Sechzehntel seines heutigen Alters hatte, also etwa 850 Millionen Jahre nach dem Urknall. Diese Beobachtungen ermöglichen es die Bedingungen genauer zu untersuchen, unter denen sich die ersten Sterne und massereichen Schwarzen Löcher im Universum gebildet haben. Die Wissenschaftler berichten über die Entdeckung der CO-Strahlung am 24. Juli 2003 in Nature, und in einem ergänzenden Artikel in der Fachzeitschrift Astronomy and Astrophysics.

"Wir waren sehr überrascht, in diesem frühen Objekt so kurz nach dem Urknall einen solch hohen Anteil an schweren Elementen zu finden," freut sich Frank Bertoldi vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie. "Da Kohlenstoff, Sauerstoff und die Elemente, aus denen sich der kosmische Staub zusammensetzt, erst durch Kernfusionen im Inneren der Sterne entstehen, muss die Anreicherung des interstellaren Gases mit schweren Elementen ungewöhnlich schnell erfolgt sein, vermutlich durch gigantische Explosionen der ersten massereichen Sterne."

Das Kohlenmonoxid-Gas (CO) wurde durch Beobachtungen am IRAM Plateau de Bure Interferometer in Frankreich und dem Very Large Array in New Mexico (USA) nachgewiesen. Die Strahlung des kosmischen Staubs war vorab mit dem MAMBO Wärmedetektor am IRAM-30m-Radioteleskop auf dem Pico Veleta (bei Granada/Spanien) entdeckt worden (MPIfR PR 03/03(1)).

Der bislang entfernteste bekannte Quasar J1148+5251 (benannt nach seinen Himmelskoordinaten) wurde Anfang des Jahres in optischen Aufnahmen des Sloan Digital Sky Survey von Xiaohui Fan (University of Arizona) und seinen Mitarbeitern entdeckt. Es handelt sich hier vermutlich um eine junge Galaxie, in deren Zentrum ein extrem massereiches Schwarzes Loch sitzt. Das Schwarze Loch ist mehrere Milliarden mal so schwer wie unsere Sonne, und strahlt hell im sichtbaren Licht, weil grosse Mengen heissen Gases auf es herabfallen. Der Quasar J1148+5251 ist eine der ersten massiven Strukturen im noch jungen Universum und ermöglicht den Wissenschaftlern einen seltenen Blick auf die physikalischen und chemischen Bedingungen in der Frühzeit unseres Universums.


Abbildung 1:  Das Radiobild zeigt Linienstrahlung des Kohlenmonoxid-Moleküls (CO) vom bislang entferntesten bekannten Quasar, SDSS J1148+5251. Die eingeblendete Grafik zeigt die Frequenzabhängigkeit der Intensität dieser Strahlung: das Maximum der engen CO Linienemission tritt bei der (für die Quasar-Rotverschiebung von 6,42) erwarteten Frequenz auf. Die Beobachtungen wurden mit dem IRAM Radio-Interferometer auf dem Plateau de Bure durchgeführt. Bei niedrigerer Frequenz wurde auch mit dem VLA CO Emission nachgewiesen, und mit dem Effelsberg 100-Meter Radioteleskop bei Bonn wurde eine Obergrenze für die Intensität der niedrigstfrequenten CO Linie bestimmt. Die Konturlinien und Farben der Abbildung folgen der Intensität der Strahlung, wobei rot die höchsten und blau die niedrigsten Werte repräsentiert.
[ bessere Auflösung, Version 2, nur Bild, nur Spektrum ]

Abbildung 2:  Das Radio-Interferometer von IRAM (Institut für Radioastronomie bei Millimeter-Wellenlängen) auf dem Pic de Bure in den französischen Alpen. Jede der sechs Antennen hat einen Durchmesser von 15 Metern. Das IRAM Interferometer ist das empfindlichste Instrument zum Nachweis von Radiostrahlen mit Millimeter-Wellenlängen. (Bild: A. Rambaud/IRAM)   [ Volles Bild, anderes Bild ]

J1148+5251 ist einer von nur fünf Quasaren, die im "Dunklen Zeitalter" (vgl. Abb. 4) des sehr frühen Universums gefunden wurden. Der Nachweis von Staub und molekularem Gas machen J1148+5251 zum ersten Objekt, in dem die Entstehung von Sternen und Schwarzen Löchern in einer Schlüsselepoche des Universums untersucht werden kann. Zu dieser Zeit wandelte sich das Universum aus einer nebligen Dunkelheit in einen Raum voller leuchtender Galaxien, Sterne und Schwarzer Löcher. Da J1148+5152 eine intensive Quelle ultravioletter Strahlung ist, trägt der Quasar merklich zur Re-Ionisation des Gases zwischen den Galaxien bei. Diese Lichtung des "kosmischen Nebels" konnten Astronomen durch den Quasar jetzt erstmals direkt beobachten.

Die Entdeckung von J1148+5251 gelang auf Grund der optischen Helligkeit des heißen Gases, das auf das Schwarze Loch fällt. Der Nachweis von molekularem Gas und Staub ermöglicht den Astronomen jetzt einen indirekten Blick auf die weitere Umgebung des Schwarzen Lochs, also auf die umliegende Galaxie, die zu schwach ist, um in optischen Aufnahmen direkt sichtbar zu werden. Die Kohlenmonoxid-Strahlung ermöglicht eine Abschätzung von Dichte, Temperatur und Größe der Sternentstehungsregion um das Schwarze Loch. Dort entsteht durchschnittlich alle fünf Stunden ein neuer Stern, womit die Sternentstehungsrate sehr viel höher ist als in jeder bisher bekannten Galaxie im jetzigen Universum.

Obwohl CO und Staub nur ungefähr ein Prozent der Masse des überwiegend aus Wasserstoff bestehenden Gases ausmachen, weist der relativ hohe Anteil dieser Komponenten in J1148+5251 darauf hin, dass dort schwere Elemente sehr schnell und effizient entstanden sein müssen. Kohlenstoff und Sauerstoff, die beiden Bestandteile von Kohlenmonoxid, entstehen durch Kernfusionen im Inneren der Sterne.

"Vor nur zehn Jahren hätte niemand geglaubt, dass sich große Massen von Staub und schweren Elementen so schnell nach dem Urknall bilden könnten," erinnert sich Dr. Bertoldi. Weil diese Elemente noch nicht in der ursprünglichen kosmischen Materie enthalten waren, müssen sie durch die ersten Sterne, die sich im Universum gebildet haben, erst "erbrütet" und dann mit hoher Effizienz in das interstellare Gas "entsorgt" worden sein. Die Verbreitung könnten die Winde der massereichen Sterne übernommen haben, aber auch gewaltige Supernova-Explosionen, die das Leben solcher Sterne beenden. Doch dass diese Anreicherung mit schwereren Elementen auf ein Niveau vergleichbar dem in heutigen Galaxien so stark und so schnell geschah, erstaunt die Astronomen sehr.


Abbildung 3:  Das Echtfarbenbild von J1148+5251 basiert auf optischen und infraroten Aufnahmen mit dem Keck 10-Meter-Teleskop. Eingeblendet ist das CO Spektrum des Quasars, beobachtet mit dem IRAM Interferometer. Wegen seiner grossen Entfernung ist das Quasarlicht stark (um einen Faktor 7.42) zu röteren Farben verschoben, sodass es im Vergleich zu den umliegenden (viel näheren) Vordergrundgalaxien als ungewöhnlich roter Punkt erscheint. Die Kantenlänge des Bildes entspricht 1/30 Grad, das ist ein-fünfzehntel des Monddurchmessers. (Bild: S.G. Djorgovski, A. Mahabal, und M. Bogosavljevic, Caltech)   [Bild allein]

Die Linienbreite (Abb. 1) und die relativen Intensitäten der drei gemessenen Spektrallinien von Kohlenmonoxid in J1148+5251 ermöglichen es den Astronomen, die Ausdehnung der Gas- und Staubansammlung zu einigen tausend Lichtjahren zu bestimmen. "Das mag groß klingen," erläutert Professor Karl Menten, Direktor am Max-Planck-Institut für Radioastronomie, "das ist aber immer noch zu klein, um es mit unseren Teleskopen auflösen zu können. Die Linienemission gibt uns somit eine einmalige, wenn auch indirekte Methode, die Grösse, Dichte oder Temperatur in dieser ungewöhnlich aktiven Sternentstehungsregion zu untersuchen."

Die Forscher haben berechnet, dass der Gasvorrat von ca. 20 Milliarden Sonnenmassen in J1148+5251 in weniger als 10 Millionen Jahren komplett in Sterne umgesetzt wird, wenn die Sternentstehung im gleichen Tempo weitergeht. Sie vermuten, dass weniger dichtes atomares Gas aus der größeren Umgebung auf die Sternentstehungsregion einfällt. Sollte jedoch dieser Nachschub versiegen, würde auch die Sternentstehung zum erliegen kommen und das Schwarze Loch würde sich mangels Nahrung verdunkeln. "Wer weiß, was dort als nächstes geschah," rätselt Dr. Bertoldi, "wir sehen nur eine Momentaufnahme des Quasars. Um Ursache und Entwicklung der Entstehung von Sternen und Schwarzen Löchern im frühen Universum zu verstehen, müssen wir noch mehr solche Objekte finden, um sie systematisch miteinander vergleichen zu können."

Obwohl in den nächsten Jahren weitere Entdeckungen ferner Staub und Molekülemission mit dem IRAM-Interferometer und dem VLA zu erwarten sind, warten die Astronomen auch schon gespannt auf das weit leistungsfähigere ALMA Radio-Interferometer, das in internationaler Zusammenarbeit ab 2007 in der chilenischen Atacama-Wüste errichtet wird.

[ELN]

Literaturhinweis:

Ein Fachartikel (unter Leitung des deutschen Astrophysikers Fabian Walter vom VLA/NRAO, USA) zur CO Entdeckung in J1148+5251 erscheint am 24. Juli in der Zeitschrift Nature, zudem ein ergänzender Artikel (unter Leitung von Frank Bertoldi vom MPIfR Bonn) in der Fachzeitschrift Astronomy and Astrophysics. In Nature erschien gleichzeitig ein erläuternder, allgemeinverständlicher Artikel von Philip Solomon: "An early stellar nursery".

Weitere Mitglieder des Forscherteams sind Karl Menten und Christian Henkel (MPIfR), Chris Carilli und Fred Lo (NRAO, USA), Pierre Cox und Alexandre Beelen (IAS, Frankreich), Roberto Neri (IRAM, Frankreich) und Alain Omont (IAP, Frankreich). Xiaohui Fan von der University of Arizona und Michael Strauss der Princeton University sind die Sloan Digital Sky Survey Mitarbeiter, die als erste den Quasar entdeckten. Die Entdeckung der Staubstrahlung vom J1148+5251 wird in einem Artikel beschrieben, der in Astronomy and Astrophysics im Druck ist.

  • F. Bertoldi, P. Cox, R. Neri, C.L. Carilli, F. Walter, A. Omont, A. Beelen, C. Henkel, X. Fan, M.A. Strauss, K.M. Menten, "High-excitation CO in a quasar host galaxy at z=6.42", Astronomy and Astrophysics Letters, im Druck. [pdf]
  • F. Walter, F. Bertoldi, C. Carilli, P. Cox, K.Y. Lo, R. Neri, X. Fan, A. Omont, M.A. Strauss, K.M. Menten, "Molecular gas in the host galaxy of a quasar at redshift z=6.42", Nature, 24. July 2003, [pdf, zum Nature Artikel]
  • F. Bertoldi, C.L. Carilli, P. Cox, X. Fan, M.A. Strauss, A. Beelen, A. Omont, R. Zylka, "Dust emission in z>6 quasars", Astronomy and Astrophysics Letters, im Druck. [pdf]

Abbildung 4:  Eine kurze Geschichte des Universums. Während der ersten drei Minuten nach dem Urknall entstanden die leichtesten Atome, Wasserstoff und Helium, die anfänglich wegen der hohen Dichte und Temperatur ionisiert waren, d.h. die dazugehörigen Elektronen bewegten sich frei. Während das Universum sich ausdehnte, kühlte das Gas ab. Nach ungefähr 300.000 Jahren, als die Gastemperatur unter 5000 Grad fiel, verbanden sich die Atomkerne mit den Elektronen zu neutralen Atomen. Da noch keine Lichtquellen vorhanden waren, und weil selbst das Licht der ersten Sterne, die nach ungefähr 200 Millionen Jahren entstanden sein mussten, vom neutralen intergalaktischen Gas stark absorbiert wurde, wird diese Epoche der Geschichte des Universum das "Dunkle Zeitalter" genannt. Als sich vermehrt Sterne und leuchtende Schwarze Löcher bildeten, ionisierte deren Strahlung das umliegende Gas wieder, das dadurch mehr und mehr transparent wurde; der Nebel lichtete sich. Das "Zeitalter der Re-Ionisation" endete ungefähr eine Milliarde Jahre nach dem Urknall; das Universum entwickelt sich nun zu einer Welt voll Licht und Leben.  (Bild: S.G. Djorgovski und das Caltech Digital Media Center)   [Deutsch in hoher Auflösung (550k), Englisch in hoher Auflösung (1.1M)]


Weitere Details

In welchem Sternbild steht J1148+5251? Im Grossen Wagen, gleich neben dem Vorderrad (wenn man den Wagen zieht).

Woher kommt der Name J1148+5251? Die Koordinaten im äquatorialen Himmels-Koordinatensystem bestehen aus dem Längengrad (Rektaszension), gemessen in 24 Stunden = 360 Grad, und dem Breitengrad (Deklination), gemessen in Grad: 0 Grad am Äquator, 90 Grad am Nordpol, -90 Grad am Südpol. Das Objekt steht bei 11 Stunden, 48 Minuten, 16.64 Sekunden und +52 Grad, 51 Bogenminuten, 50.3 Bogensekunden, kurz 1148+5152. Das J davor besagt dass sich die Koordinaten auf ein im Jahr 2000 festgelegten Koordinatensystem beziehen. Hier für eine genauere Erklärung von Himmelskoordinaten.

Zusammenfassung der Massenbestimmungen in J1148+5251:

  • Schwarzes Loch: ca. 3 Milliarden Sonnenmassen. Unsicherheit: ca. +-2 Mia.
  • Staub: 700 Mio. Sonnenmassen. Unsicherheit: ca. Faktor 2, da diese Masse auf einer nur geschätzten Staubtemperatur basiert.
  • Gas (bestehend aus ca. 70% Wasserstoff, ca. 30% Helium, ca. 1% Staub, ca. 1% andere Atome und Moleküle): 20 Mia. Sonnenmassen. Unsicherheit: ca. +- 10 Mia.
  • Kohlenmonoxyd (CO): ca. 0.15% der gesamten Gasmasse, ca. 30 Mio. Sonnenmassen.
  • Eine Sonnenmasse = 2 mal 10 hoch 30 kg, also eine 2 mit 30 Nullen.
Abbildung 5:  Fiktive Illustration der wahrscheinlichen Struktur eines Quasars, der von einer sternformenden, einige tausend Lichtjahre grossen Gasscheibe umgeben ist. Der helle Quasar, der durch Einfall von Materie auf ein supermassives schwarzes Loch gespeist wird, sitzt im Zentrum (hier eine Illustration wie es dort aussehen mag). Die hellen Klumpen in der Scheibe stellen einzelne Sternentstehungsregionen dar. Frisches Gas muss von weiter Ausserhalb auf die Gasscheibe fallen, da sich deren Vorrat sonst in kurzer Zeit (ca. 10 Mio. Jahre) verbrauchen würde, wenn Sternentstehung mit der gemessenen Rate weiterginge. Die hier gezeigte Region ist das Innere einer Galaxie, die einige Zehntausend Lichtjahre gross sein mag, über die wir im Fall J1148+5251 aber nichts wissen. (Bildnachweis: Geraint Lewis, University of Sydney NRAO/AUI/NSF) (800x600pix) (3200x2400pix)

Für weitere Information stehen Ihnen gerne zur Verfügung:

Dr. Frank Bertoldi
Telefon: +49  (0)228 - 525 377  or  (0)228 - 965 9598  or  (0)179 - 856 7872 
Fax: +49  (0)228  525-229 
e-mail: bertoldi@mpifr-bonn.mpg.de

Dr. Norbert Junkes (MPIfR  Öffentlichkeitsarbeit)
Telefon: +49  (0)228   525-399 
Fax: +49  (0)2257  301-105
e-mail: njunkes@mpifr-bonn.mpg.de

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