Sternentstehung mit höchster Effizienz
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Blick in die Forschung: Kurzberichte Der Orionnebel ist eines der aktivsten Stern­entstehungsgebiete in unserer galaktischen Nachbarschaft. Das schwarze Rechteck markiert eine Region, den so genannten Kleinmann-Low-Infrarotnebel, in der die Sternentstehungsaktivität ähnlich hoch ist wie in der Zentralregion der Galaxie J1148+5251 – allerdings auf ein ungleich NASA, ESA, Robberto (STScI/ESA), Orion Treasury Project Team kleineres Volumen beschränkt. Sternentstehung mit höchster Effizienz Als sich im jungen Kosmos die ersten Galaxien formten, entstanden die Sterne darin so schnell, wie es nach den Gesetzen der Physik gerade noch zulässig ist. E s müssen nicht gleich die künftigen die allgemeine Sternentstehungsaktivi- heutigen Beobachtern erscheint diese Ga- Speerspitzen der Forschung wie das tät, sondern auch die Ausdehnung des be- laxie dementsprechend so, wie sie vor James Webb Space Telescope oder das treffenden Sternentstehungsgebiets zu 12,8 Milliarden Jahren aussah. European Telescope messen, die nur rund 4000 Lichtjahre be- Durch die gewaltigen Mengen an Strah- sein – auch durch die schrittweise Wei- trägt. Erst diese zusätzliche Information lung, die in der Akkretionszone rund um terentwicklung bereits vorhandener ir- ermöglicht die Abschätzung der Stern­ das zentrale Schwarze Loch von J1148+5251 discher Teleskope werden immer wieder entstehungsraten pro Volumen und den freigesetzt werden, ist der Quasar auch neue Arten von Beobachtungen möglich. Vergleich mit Sternentstehungsmodellen. über die größten Distanzen im Univer- Extremely Large Ein Paradebeispiel liefert die gerade er- sum hinweg nachweisbar. Der Nachteil: Forschergruppe unter der Leitung von In einer Welt vor 12,8 Milliarden Jahren Fabian Walter vom Max-Planck-Institut Messungen wie die von Walter und seinen pierten Sternentstehungsgebiete schlicht- für Astronomie in Heidelberg: Dem Team Kollegen stellen in vielerlei Hinsicht ei- weg überstrahlt. gelangen mit der aktuellen Ausbaustufe ne technische Herausforderung dar. Wie Allerdings gibt es eine bestimmte Wel- des Radiointerferometers IRAM auf dem immer in der Kosmologie gilt auch hier: lenlänge, bei der die Strahlung der Stern­ Plateau de Bure in den französischen Al- Wer kosmische Objekte in der Frühzeit ih- entstehungsregionen stärker ist als die pen Beob­achtungen, die noch vor ein paar rer Entwicklung beobachten will, muss in des Quasars. Damit Gas- und Staubwol- Jahren unmöglich gewesen wären. die Ferne schauen. Walter und seine Kolle- ken überhaupt zu Sternenvorläufern kol- Beobachtungsziel war eine ferne Ga- gen wählten als Beobachtungsziel eine der labieren können, müssen sie bereits etwas laxie, die heutigen Astronomen so er- fernsten bekannten aktiven Galaxien, den Ener­gie abgeben. Doch wie schon die blo- scheint, wie sie 870 Millionen Jahre nach Quasar J1148+5251. Licht von dieser Gala- ße Präsenz von Spektrallinien anzeigt, gel- dem Urknall aussah. Im Gegensatz zu vor- xie erreicht die Erde erst nach einer Rei- ten für die Strahlungsaussendung durch herigen Messungen gelang es, nicht nur sezeit von 12,8 Milliarden Jahren (z = 6,42); Atome sehr restriktive Regeln. Die Wol- schienene Arbeit einer internationalen 20 März 2009 Dadurch wird die ungleich schwächere Strahlung der rund um den Kern grup- Sterne und Weltraum Die Galaxie J1148+5251 ist etwa 12,8 Milli- erreichbare Auflösung von der Wellenlän- arden Lichtjahre von der Erde entfernt. In ge abhängig. Um die gleiche Auflösung einem Zentralgebiet von 4000 Lichtjahren zu erreichen wie ein optisches Fernrohr, Durchmesser entstehen tausendmal mehr muss ein Teleskop, das bei einem Millime- Sterne als in unserem Milchstraßensystem. ter Wellenlänge arbeitet, einen rund tau- Die Falschfarbenaufnahme entstand mit sendmal größeren Durchmesser aufwei- den Radio­teleskopen des Very Large Array sen. in New Mexiko. Bis Ende 2006 waren Beobachtungen NRAO/AUI/NSF bei dieser spezifischen Wellenlänge mit der nötigen Detailschärfe mangels geeignetem Instrument nicht möglich. Dann allerdings erhielten die sechs Einzelantennen des IRAM-Interferometers neue, weiken, um die es hier geht, bestehen zum gungen. Bleibt die Frage nach einem hin- terentwickelte Detektoren, mit denen sich größten Teil aus molekularem Wasser- reichend Auflösungsvermögen: die Ein-Millimeter-Strahlung nachweisen stoff, dem es unter den herrschenden Be- Um die Messungen mit den astrophysika- lässt. Am Standort des Interferometers in dingungen praktisch unmöglich ist, elek- lischen Modellen vergleichen zu können, 2550 Meter Höhe herrschen nur in weni- tromagnetische Strahlung auszusenden. Damit wird ein weiterer Wolkenbe- ist es nötig, die Sternentstehungsdichte gen Monaten pro Jahr hinreichend gün- zu messen (wieviele Sterne entstehen dort stige atmosphärische Bedingungen. standteil wichtig: einfach ionisierter Koh- pro Jahr in welchem Volumen?). Dazu wie- Für Interferometer werden Einzeltele- lenstoff (C II). Dieser macht zwar nur ei- derum muss das Entstehungsgebiet auf- skope so kombiniert, dass das Leistungs- nen Bruchteil der Wolkenmaterie aus, bie- gelöst werden. vermögen eines weit größeren Teleskops tet aber eine direkte Möglichkeit, Ener­ guten erreicht wird. Insbesondere ist für das er- gie in Strahlung umzusetzen. Dement- Interferometer erforderlich sprechend wird ein Großteil der beim Kol- Die von Walter und seinen Kollegen beo- Durchmesser der Einzelteleskope, son- laps freigesetzten Energie bei einer ganz bachtete Region hat einen Durchmesser dern der größte Abstand der beteiligten bestimmten, für diese Ionen charakteri- von nur 4000 Lichtjahren. Bei einer Ent- Teleskope – die Basislänge des Interfero- stischen Frequenz abgestrahlt: als extrem fernung von rund 13 Milliarden Lichtjah- meters – ausschlaggebend. Im Jahr 2005 helle Emissionslinie bei einer Wellenlän- ren entspricht das einem Winkeldurch- wurde die Basislänge des IRAM-Interfe- ge von 158 Mikrometern, also mitten im messer von nur 0,27 Bogensekunden – so rometers auf 760 Meter erweitert. Damit Infrarotbereich. Mag die Leuchtkraft des groß wie eine aus rund 18 Kilometer Ent- waren die nötigen Voraussetzungen ge- Quasars insgesamt auch ungleich größer fernung betrachtete Ein-Euro-Münze. Das schaffen, um Sternentstehungsgebiete in sein – bei dieser einen Frequenz strahlen entspricht in etwa dem Auflösungsvermö- fernen Galaxien mit ausreichender Prä- die Materiewolken heller als der Quasar. gen des Weltraumteleskops Hubble im op- zision abzubilden. Das Forscherteam aus Und da die Abstrahlung ein direktes Maß tischen Bereich. Allerdings ist die höchste Wissenschaftlern der Max-Planck-Insti- reichbare Auflösungsvermögen nicht der für die in der Anfangsphase der Sternentstehung freigesetzte Energie darstellt, ist diese Emissionslinie für den Nachweis von Sternentstehungsgebieten ideal geeignet. Die schlechte Nachricht: Strahlung dieser Wellenlänge wird von der Erdatmosphäre vollständig absorbiert. Sie kann zwar mit Satellitenteleskopen nachgewiesen werden; diese erreichen allerdings nur eine sehr begrenzte Auflösung. Günstigerweise kommt mit der kosmologischen Rotverschiebung ein weiterer Effekt ins Spiel. Im Zuge der kosmischen Expansion wird die Wellenlänge der charakteristischen Infrarotstrahlung der Sternentstehungsgebiete von J1148+5251 auf ihrem Weg zur Erde um den Faktor 7,4 IRAM/Rebus vergrößert. Sie erreicht die Erde in Form von kurzwelliger Radiostrahlung mit einer Wellenlänge von ungefähr einem Millimeter. Solche Strahlung ist von der Erdober- Mit dem IRAM-Interferometer auf dem Plateau de Bure in den französischen fläche aus nachweisbar – zumindest un- Alpen gelangen die hochaufgelösten Beobachtungen im Bereich von einem ter günstigen atmosphärischen Bedin- Millimeter Wellenlänge. www.astronomie-heute.de März 2009 21 tute für Astronomie und Radioastrono- reich erst mit der Zeit, durch Kollisionen demonstriert, zum Nachweis von Stern- mie, vom Argelander Institut, von Cal- und Verschmelzungen mit anderen Gala- entstehungsgebieten in stark rotverscho- tech, NRAO, IRAM und dem italienischen xien, die ungleich größere Ausdehnung benen Galaxien einsetzen lässt, ist dabei Istituto Nazionale di Astrofisica hatte mit erreicht, die für ältere Galaxien charakte- von großem Interesse für im Aufbau be- J1148+5251 ein vielversprechendes Ziel im ristisch ist. J1148+5251 als Galaxie, deren findliche Teleskopprojekte wie ALMA, wo Auge: eine von nur zwei Galaxien mit ho- Sterninventar beginnend mit einer Kern- diese Beobachtungstechnik ebenfalls ein- her Rotverschiebung, bei denen sich die region von innen heraus entsteht, liefert gesetzt werden soll. CII-Spektrallinien nachweisen lassen. für die Modelle der Galaxienentstehung Tausendmal effizienter als das Milchstraßensystem Markus Pössel einen wichtigen Datenpunkt. Zu den Ergebnissen von Walter und seinen Kollegen werden sich in den nächsten Das Ergebnis war überraschend. Nicht, Jahren hoffentlich noch viele weitere Er- dass es unerwartet gewesen wäre, dass kenntnisse über die frühen Phasen der sich im Kern von J1148+5251 zu jener Zeit, Galaxienentwicklung gesellen. Dass sich weniger als eine Milliarde Jahre nach dem die C II-Linie, wie hier erstmals praktisch Literaturhinweis Walter, F. et al.: A kiloparsec-scale hyperstarburst in a quasar host less than one gigayear after the Big Bang. In: Nature 457, S. 699–701, 2009. Urknall, viele Sterne bildeten – zu ähnlichen Ergebnissen hatten schon andere Studien junger Galaxien geführt. Doch diesmal ließ sich auch die Ausdehnung des Entstehungsgebiets bestimmen, die nur 4000 Lichtjahre beträgt. Auf – galaktisch gesehen – sehr kleinem Raum pro- Zum Nachdenken Sternentstehungsrate erglichen mit dem Quasar J1148 erneuten Sternentstehung beitragen +5251 ist unser Milchstraßensys­ kann. Zum Vergleich: Die Produktions­rate der V tem ein harmloser Ort. Während un- Milchstraße beträgt lediglich eine Son- sere Galaxis eine mittlere Stern­ent­ Aufgabe 2: Die Masse des Wasserstoffs nenmasse pro Jahr. Hinzu kommt der Umstand, dass sich in J1148+5251 beträgt MJ,H2 2 1010 MA. Wie lange würde in diesem Fall kollabierende Gas- und Staubwolken er- stehungsrate von nur etwa ­einer Son. nenmasse pro Jahr (MM 1 MA/a) aufweist, wurde jetzt diejenige in J1148+ wärmen, was wiederum den weiteren Kol- 5251 erst­mals bestimmt: Sie liegt an verwende für den Masseanteil des H2 laps und damit die Bildung neuer Sterne er- am gesamten Gasvorrat q 1. ze für die Sternentstehungsrate in einem der theo­re­ti­schen Obergrenze von et. wa 1700 Son­nenmassen pro Jahr (MJ 1700 MA/a). gegebenen Volumen. Die Zentralregion von Die große Rotverschiebung z 6,42 J1148+5251 erreicht diese Obergrenze: In ihr des Quasars zeigt an, dass sein Licht maximal möglichen Sternentstehungs. rate Mmax im Quasar J1148+5251 erhält bilden sich neue Sterne so schnell wie phy- 12,8 Milliarden Jahre zu uns unterwegs man unter der Annahme, dass die ge- sikalisch überhaupt möglich. Zwar gibt es weitere Beispiele für die­ war. Da das Alter des Universums 13,7 samte Gasmasse MGas der involvierten Milliarden Jahre beträgt, sehen wir des- Region im freien Fall zusammenstürzt se Art maximal zulässiger Sternentste- halb Eigenschaften, die der Quasar im hung. Der Kleinmann-Low-Infrarotnebel geringen Alter von nur etwa einer Mil­ in der Orion-Molekülwolke beispielswei- liarde Jahre besaß. In dieser frühen Pha- und keinem äußeren Druck unterliegt: . Mmax MGas/tff. se (von der Erde aus hinter dem Orion- se hat J1148+5251 offenbar äußerst hef- Das Ergebnis wird in Sonnenmassen Nebel gelegen) erreicht diese Obergrenze tige Sternentstehung zu verzeichnen. pro Jahr erwartet. Die Freifallzeit tff ist duzierte J1148+5251 Sterne mit insgesamt über tausend Sonnenmassen pro Jahr. schwert. Daraus ergibt sich eine Obergren- der Wasserstoffvorrat ausreichen? Man Aufgabe 3: Eine grobe Abschätzung der gegeben durch: tff G–1/2 r–1/2. Die ebenfalls (siehe Bild auf S. 20). Auf galak- Gasmasse sei MGas MJ,H2. Die Gravi- tischen Größenskalen konnten solch ex- Aufgabe 1: Wie lange würde es dauern, treme Verhältnisse dagegen vorher noch bis unser Milchstraßensystem bei der tationskonstante ist G 6,6743 10 –11 nicht nachgewiesen werden – tatsäch- m3 kg–1 s–2. Die mittlere Dichte r der lich liefen Schätzungen für die maximale oben angegebenen Sternentstehungs. rate MM seinen kompletten Wasser- Sternentstehungsrate auf einen zehnmal stoffvorrat in Sterne prozessiert hät- cm3. mH2 2 1,67 10 –27 kg. kleineren Grenzwert hinaus. te? Die Masse des Wasserstoffs beträgt Region betrage r 40 H2-Moleküle pro AMQ Dass es gelang, die Sternentstehung MM,H2 2,5 109 MA. Die gesamte zur in einer Zentralregion zu lokalisieren, ist Sternbildung beitragende Gasmasse 16. März 2009 an: Redak­tion SuW – Zum bereits für sich genommen von Interes- ist um den Faktor q 2 größer. Man Nach­denken, Max-Planck-Institut für se. Bislang ist noch nicht geklärt, ob die muss außerdem die Rückflussrate k As­tro­no­mie, Kö­nigstuhl 17, D-69117 Hei­­ Sterne in jungen Galaxien im Allgemei- 2 berücksichtigen, die beschreibt, dass del­berg. Fax: (+49|0) 62 21–52 82 46. nen über ein großes Volumen verteilt ent- von den Sternen, etwa durch Superno- Einmal im Jahr werden unter den stehen, oder ob sich zunächst vornehm- va-Explosionen, Ma­te­rie an die Um- erfolgreichen Lösern Preise verlost: lich in einem zentralen Kern Sterne bilden gebung zurückgegeben wird, die zur siehe Seite 116. Ihre Lösungen senden Sie bitte bis zum und der mit Sternen gefüllte Zentralbe- 22 März 2009 Sterne und Weltraum Als Abonnent haben Sie viele Vorteile! Präsent zur Wahl! Abonnieren >>> Sie zahlen im Inland nur € 85,20 für das Jahresabonnement von Sterne und Weltraum (12 Ausgaben). Als Schüler, Student, Azubi, Wehr- oder Zivildienstleistender zahlen Sie auf Nachweis sogar nur € 64,–. >>>> Unter www.astronomie-heute.de/archiv haben Sie freien Zug auf alle Heftartikel seit 2005. Zugriff >>> Für Ihre Bestellung bedanken wir uns mit einem Präsent Ihrer Wahl. Empfehlen Weitere n Prämie im ie S finden t e n r Inte Sie haben uns einen neuen Abonnenten vermittelt? Dann haben Sie sich eine Dankesprämie verdient und Buch »Kompendium der Astronomie« Mit über 100 farbigen Illustrationen, zahlreichen Tabellen und Verweisen, ist das Buch das ideale Nachschlagewerk zur Astronomie. können zwischen mehreren Geschenken wählen. Präsent zur Wahl! DVB-T-Stick Der DVB-T-Stick sorgt für hervorragende Bilder und eine hohe Auflösung. USB-2.0 High-Speed Verbindung. 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