Astronomen haben riesige Halos um Galaxien des Milchstraßentyps entdeckt, die aus Photonen (Lichtteilchen) bestehen, welche den Galaxien nur schwer entkommen konnten. Die Studie wurde von David Sobral von der University of Lancaster in Großbritannien und Jorryt Matthee von der Leiden University in den Niederlanden geleitet. Das Team berichtet in den Monthly Notices of the Royal Astronomical Society über seine Ergebnisse.
Um zu verstehen, wie unsere eigene Milchstraßen-Galaxie entstand und sich entwickelte, stützen sich Astronomen auf die Beobachtung ferner Galaxien. Weil ihr Licht Milliarden Jahre braucht, um uns zu erreichen, können Teleskope als „Zeitmaschinen“ verwendet werden, solange wir deutliche Hinweise haben, um die Distanz zu den beobachteten Objekten zu bestimmen. Bei näheren Galaxien, Sternen und Planeten nutzen Astronomen die Spektroskopie, um deren Licht zu analysieren und es in ein Spektrum aufzuspalten.
Dann suchen Wissenschaftler nach charakteristischen Merkmalen (Spektrallinien), die ihnen etwas über die Eigenschaften des Objekts verraten, darunter seine Zusammensetzung, Temperatur und Bewegung. Bei den fernsten Galaxien sticht normalerweise nur ein spektrales Merkmal heraus: die sogenannte Lyman-Alpha-Linie, die mit Wasserstoffgas zusammenhängt.
„Neugeborene Sterne in sehr fernen Galaxien sind heiß genug, um Wasserstoff in umgebenden Gaswolken aufzuspalten, der dann hell als Lyman-Alpha-Linie leuchtet. In der Theorie ist dies das stärkste derartige Merkmal, das in einer fernen Galaxie beobachtbar ist. In der Praxis sieht es allerdings so aus, dass Lyman-Alpha-Photonen es schwer haben, die Galaxien zu verlassen, weil Gas und Staub ihre Bahnen blockieren und ablenken. Dadurch wird der Prozess komplex und ist schwer zu verstehen“, sagte Jorryt Matthee.
Mit dem Isaac Newton Telescope (INT) auf La Palma (Kanarische Inseln) entwickelten Astronomen ein einzigartiges Experiment, um fast 1.000 ferne Galaxien zu untersuchen. Sie durchmusterten den Himmel mit der Weitfeldkamera und maßgefertigten Filtern und maßen auf diese Weise, wo die Lyman-Alpha-Linie erzeugt wird, wie stark sie vorhanden ist und wo sie aus den Galaxien herauskommt.
„Wir haben Dutzende Nächte am Isaac Newton Telescope verbracht, um zu verstehen, wie und aus welchen Galaxien die Lyman-Alpha-Photonen entkommen. Wir blickten fast elf Milliarden Jahre zurück in die Vergangenheit – das ist quasi die Grenze, wo das Teleskop ferne Galaxien identifizieren und detailliert untersuchen kann. Das Wichtigste ist, dass wir genau vorhersagen konnten, wie viele Lyman-Alpha-Photonen in jeder Galaxie effektiv produziert wurden und wo das geschah. Dann verglichen wir sie mit jenen, die das Isaac Newton Telescope tatsächlich erreichen.“
Die Ergebnisse zeigen, dass nur 1-2 Prozent dieser Photonen aus den Zentren von Galaxien wie der Milchstraßen-Galaxie entkommen. Auch wenn wir all die Photonen in großen Entfernungen zum Zentrum einbeziehen, entkommen weniger als zehn Prozent.
„Sternbildende Galaxien im fernen Universum scheinen von einem beeindruckend großen, schwachen Halo aus Lyman-Alpha-Photonen umgeben zu sein, die hunderte oder tausende Lichtjahre weit in einer schier endlosen Reihe von Absorptions- und Re-Emissionsereignissen reisen mussten, bis sie schließlich frei waren. Jetzt müssen wir verstehen, wie und warum genau das passiert“, ergänzte Sobral.
Wenn das James Webb Space Telescope im Jahr 2018 in Betrieb geht, gehen Astronomen davon aus, dass sie in der Lage sein werden, noch weiter zurück in die Vergangenheit zu blicken und ein neues Fenster zu den ersten Galaxien und Sternen zu öffnen. Die Untersuchung, wie sich der Anteil der entkommenden Photonen mit der Zeit verändert, kann uns etwas über die Eigenschaften des interstellaren und intergalaktischen Gases verraten und über die Art der Sterne, die diese Photonen produzieren.
Abhandlungen:
„The CALYMHA survey: Lyα escape fraction and its dependence on galaxy properties at z = 2.23“ von Jorryt Matthee et al.
„The CALYMHA survey: Lyα luminosity function and global escape fraction of Lyα photons at z=2.23“ von David Sobral et al.
(THK)
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