Weltraumteleskop Herschel wirft neues Licht auf

Jahrbuch 2010/2011 | Poglitsch, Albrecht; Lutz, Dieter; Sturm, Eckhard; van Dishoeck, Ew ine |
W eltraumteleskop Herschel w irft neues Licht auf Galaxienentw icklung
Weltraumteleskop Herschel wirft neues Licht auf
Galaxienentwicklung
Herschel Space Telescope sheds new light on galaxy evolution
Poglitsch, Albrecht; Lutz, Dieter; Sturm, Eckhard; van Dishoeck, Ew ine
Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik, Garching
Korrespondierender Autor
E-Mail: [email protected]
Zusammenfassung
Das neue Weltraumteleskop Herschel der europäischen Weltraumagentur ESA mit dem unter Leitung des MaxPlanck-Instituts für extraterrestrische Physik entw ickelten Instrument PACS an Bord erlaubt photometrische
und spektroskopische Beobachtungen im fernen Infrarot. Damit konnte gezeigt w erden, dass die rasante
Entstehung von Sternen in Galaxien im frühen Universum qualitativ anders verlief als in der jüngeren
Vergangenheit. Darüber hinaus konnte erstmals quantitativ nachgew iesen w erden, w ie riesige schw arze
Löcher im Zentrum von Galaxien die Entstehung neuer Sterne unterbinden könnten.
Summary
The new space telescope Herschel of the European Space Agency ESA, w ith its MPE-provided instrument PACS
on board, enables photometric and spectroscopic observations in the far infrared. Photometric surveys w ith
this facility have now show n that the rapid formation of stars in galaxies in the early Universe took place in a
qualitatively different mode than in the more recent past. Furthermore, spectroscopic studies show ed, for the
first time, in a quantitative w ay how supermassive black holes in the centers of galaxies could terminate the
formation of new stars.
Herschel: Europas neues Fenster zum Universum
Das größte Projekt, das am Max-Planck-Instituts für extraterrestrische Physik (MPE) über das vergangene
Jahrzehnt verfolgt w urde, w ar ein substantieller Beitrag zum Ferninfrarotsatelliten Herschel der europäischen
Raumfahrtagentur ESA. Mit diesem Weltraumteleskop, w elches einen Hauptspiegeldurchmesser von 3,5 m hat,
erreicht man im immer noch w enig erforschten Wellenlängenbereich von 60 µm bis 600 µm erstmals eine
W inkelauflösung und eine Empfindlichkeit, die es erlauben, die potenziellen Vorteile dieses Teils des
elektromagnetischen Spektrums tatsächlich in vollem Umfang zu nutzen. Dabei geht es vornehmlich um
astrophysikalische Prozesse, die verdeckt durch interstellaren Staub ablaufen und so bei den meisten anderen
Wellenlängen nicht beobachtbar sind, oder um Objekte, die selbst zu kalt sind, um bei kürzeren Wellenlängen
Licht abzustrahlen und deshalb nur bei diesen langen Wellenlängen beobachtbar sind. Das setzt aber auch
voraus, dass die Instrumente selbst und ihre Umgebung tiefkalt sein müssen; auf Herschel sind sie deshalb in
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einem Kryostaten untergebracht, der beim Start mit mehr als 2000 Litern flüssigem Helium gefüllt ist.
Das MPE trug und trägt als Principal Investigator (PI)-Institut innerhalb eines europäischen Konsortiums aus
17 Instituten in 8 Ländern die Verantw ortung für den Bau und Betrieb eines der drei w issenschaftlichen
Instrumente an Bord des Satelliten. PACS (Photodetector Array Camera & Spectrometer) ist ein abbildendes,
kombiniertes Photometer und Spektrometer für den Wellenlängenbereich 57 µm bis 210 µm [1]. Am MPE selbst
w urde
die
komplexe
Optik
des
Instruments
entw orfen
sow ie
die
bis
dato
empfindlichsten
Ferninfrarotdetektoren entw ickelt. Für den Betrieb w ährend der Mission w urde ein "Instrument Control
Centre" aufgebaut, w elches nun nicht nur für den Betrieb des Instruments an Bord sondern auch für die
Entw icklung von Softw are zur Erfassung und Ausw ertung der w issenschaftlichen Daten zuständig ist.
A bb. 1: Link s: Da s W e ltra um te le sk op He rsche l vor e ine m
Fe rninfra rotbild de r R ose tte -Mole k ülwolk e . He rsche l we ist die
Infra rotstra hlung von inte rste lla re m Sta ub und Ga s na ch. Da s
Bild im Hinte rgrund se tzt sich a us Aufna hm e n be i 70
Mik rom e te rn (bla u), 160 Mik rom e te rn (grün) und 250
Mik rom e te rn (rot) zusa m m e n. Unte n re chts: Da s P AC SInstrum e nt, für da s da s MP E ve ra ntwortlich ze ichne t. O be n
re chts: Sta rt m it de r Aria ne V von Kourou a m 14. Ma i 2009.
© ESA/P AC S & SP IR E C onsortium /HO BYS Ke y P rogra m m e
C onsortia ; MP E; Aria ne spa ce
Am 14. Mai 2009 w urde Herschel – zusammen mit dem Kosmologie-Satelliten Planck – erfolgreich mit einer
Ariane V-Rakete (Abb. 1) gestartet und erreichte nach knapp zw ei Monaten Flug seine endgültige Umlaufbahn
um den Lagrange-Punkt L2 in ca. 1,5 Millionen Kilometer Entfernung von der Erde. Von dort gesehen liegen die
stärksten "Störstrahler" – also Sonne, Mond und Erde – annähernd in der gleichen Richtung, so dass ein ein
größerer Teil des Himmels zu jedem Zeitpunkt für Beobachtungen zugänglich ist. Noch w ährend der Reise zu
L2 – 4 Wochen nach Start – w urde der Deckel des Kryostaten geöffnet. Die erste Testbeobachtung w urde mit
PACS durchgeführt und w ar auf Anhieb erfolgreich. Im nächsten halben Jahr w urde noch intensiv an der
Feinabstimmung von Satellit und Instrumenten gefeilt, um die Beobachtungsfähigkeit des Systems zu
optimieren. Seitdem laufen die Beobachtungen nahezu reibungslos, w obei PACS mit ca. 60% überproportional
an der gesamten Messzeit am Satelliten beteiligt ist. Bereits ein Jahr nach Beginn des Routinebetriebs, also
Ende 2010, sind aus Beobachtungen mit PACS bereits w eit über hundert referierte Veröffentlichungen
hervorgegangen. Für die Bereitstellung des Instruments hat das PACS-Konsortium etw a 10% der gesamten
Beobachtungszeit erhalten; das MPE hat seinen Anteil hauptsächlich auf zw ei große Programme konzentriert,
aus denen die w ichtigsten Erkenntnisse im Folgenden beschrieben w erden.
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Tiefe Himmelsdurchmusterungen lösen den Infrarothintergrund auf
Mitte der 1990er Jahre entdeckte der COBE-Satellit eine kosmische Hintergrundstrahlung im fernen Infrarot,
die die Erde gleichmäßig aus allen Richtungen erreicht. Sogleich w urde vermutet, dass es sich hier um die
überlagerte Emission vieler Galaxien im frühen Universum handelt, nicht um ein Echo des Urknalls w ie beim
kosmischen Mikrow ellenhintergrund. Frühere Infrarotteleskope hatten aber nicht die Empfindlichkeit und die
räumliche Auflösung, um die beitragenden schw achen Galaxien einzeln nachw eisen zu können.
Mit Herschel/PACS konnte jetzt etw a 80% dieses Infrarothintergrunds im Wellenlängenbereich seiner größten
Helligkeit in einzelne Galaxien aufgelöst w erden. Für die Beobachtungen w ählt man Himmelsfelder für die es
bereits vielfältige Daten [2] in anderen Teilen des elektromagnetischen Spektrums gibt, w ie zum Beispiel die
Felder GOODS, COSMOS und Lockman Hole im vom MPE geleiteten Beobachtungsprogramm PEP. Damit w ar
eine rasche Identifikation der Quellen des kosmischen Infrarothintergrunds mit Galaxien bei einer typischen
Rotverschiebung um z≈1 möglich und w eitere Fragen der Galaxienentw icklung können untersucht w erden.
Eine der Stärken von Herschel sind direkte Messungen der gesamten "kalorimetrischen" Ferninfrarotemission
und somit der Sternentstehungsrate für staubreiche Galaxien. Für die allermeisten Galaxien bei hoher
Rotverschiebung (Entfernung) w aren hier zuvor Extrapolationen aus dem mittleren Infrarot oder dem
Submillimeterbereich nötig, die mit früheren Weltraumteleskopen beziehungsw eise vom Erdboden aus
beobachtbar w aren. Dabei geht die Annahme ein, dass die spektralen Energieverteilungen dieser Galaxien
denen relativ seltener lokaler "Starburst"-Galaxien entsprechen. Bereits die ersten Beobachtungen mit
Herschel zeigten, dass diese Annahme für typische Galaxien bei z≈2 nicht mehr gilt, ihre spektralen
Energieverteilungen
ähneln
denen
normaler
lokaler
Scheibengalaxien
niederer
Leuchtkraft,
w ie
der
Milchstraße, aber mit zehn- bis hundertmal größerer Sterngeburtsrate. Dieses Resultat lässt sich durch die viel
höhere Häufigkeit von interstellarem Gas im frühen Universum verstehen. W ährend in lokalen Galaxien
Sternentstehungsraten über 100 Sonnenmassen pro Jahr unw eigerlich einer kompakten Region in einer
w echselw irkenden oder verschmelzenden Galaxie entsprechen, kann ein solches Objekt bei z≈2 eine
gasreiche Scheibengalaxie mit ausgedehnter Sternentstehung sein.
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A bb. 2: Tie fe s Fe rninfra rotbild de s GO O DS-S-Fe lds m it
He rsche l-P AC S. He rsche l löst de n k osm ische n
Infra rothinte rgrund in e inze lne Ga la x ie n a uf. In de r
Fa lschfa rbe nda rste llung ste he n Bla u, Grün und R ot für
W e lle nlä nge n von 70 μm , 100 μm , und 160 μm . W e ite r
e ntfe rnte Ga la x ie n, ode r solche m it be sonde rs k a lte m Sta ub,
e rsche ine n de sha lb rot.
© MP E/P EP
Die aus dem mittleren Infrarot extrapolierten Sternentstehungsraten müsssen also reduziert w erden,
Abschätzungen
aus
dem
Submillimeter-
und
Radiobereich
unter
Annahme
der
lokalen
Radio-
Ferninfrarotkorrelation w urden dagegen bestätigt. Eine w eitere Stärke von Herschel liegt in der Möglichkeit, im
fernen Infrarot Sternentstehungsraten für Galaxien mit aktiven Kernen zu messen ohne von der Emission des
Kerns selbst überstrahlt zu w erden (Abb. 2).
Die Interstellare Materie in Infrarot-Galaxien
Ergänzend zu den Studien der Stern- und Galaxienentw icklung auf großen, kosmologischen Skalen durch tiefe
Durchmusterungen mit dem PACS-Photometer erlaubt der PACS-Spektrograph detaillierte Untersuchungen der
Sternentstehung in einzelnen Galaxien in Abhängigkeit von den verschiedenen physikalischen Eigenschaften
der interstellaren Materie (ISM). Durch die im Vergleich zu früheren Beobachtungen enorm verbesserte
räumliche Auflösung und Empfindlichkeit von Herschel/PACS ist dies nun zum ersten Mal im fernen Infrarot
möglich, d. h. in einem Wellenlängenbereich, der für die ISM-Diagnose w esentliche Spektrallinien enthält und
der nur w enig unter Absorption durch kosmischen Staub zu leiden hat.
Das vom MPE geleitete Beobachtungsprogramm SHINING konzentriert sich dabei auf infrarothelle Galaxien,
also auf verschiedene Formen von Starburst-Galaxien und Galaxien mit einem supermassereichen schw arzen
Loch im Zentrum, sogenannte AGNs. Die Infrarothelligkeit dieser Objekte beruht auf ihren enormen
Energiequellen – den gew altigen Sternentstehungsgebieten und/oder dem AGN – die aber von großen
Mengen Staub umgeben sind. Solche Galaxien spielen eine w ichtige Rolle in der Geschichte der kosmischen
Stern- und Galaxienentw icklung.
Schon die allerersten Beobachtungen im Rahmen von SHINING haben grundlegend neue Erkenntnisse
geliefert. Beispielsw eise konnten zum ersten Mal überhaupt (in anderen Galaxien als unserer Milchstraße)
hochangeregte
Rotationsübergänge
des
CO-Moleküls
nachgew iesen
w erden.
Solche
CO-Linien
sind
hervorragend geeignet, heißes und dichtes molekulares Gas zu untersuchen, w elches insbesondere in der
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Umgebung von AGNs eine bedeutende Rolle spielt. Theoretische Modelle haben hochenergetische CO-Linien,
die durch die Röntgenstrahlung aus den Akkretionsscheiben der AGNs angeregt w erden, schon seit einiger
Zeit vorhergesagt. Durch den erstmaligen Nachw eis in den PACS-Spektren steht nun ein w ichtiges neues
Diagnosemittel zur Untersuchung des molekularen Gases im Zentrum von aktiven Galaxien zur Verfügung. Die
Eichung und Verbesserung dieses Verfahrens im nahen Universum w ird es dann auch ermöglichen, Galaxien im
frühen Universum, d. h. akkretierende schw arze Löcher und die relative Bedeutung von Sternentstehung und
AGNs in frühen Stadien der kosmologischen Galaxienentw icklung, auf diese Art zu untersuchen. Wegen der
hohen Rotverschiebung dieser Objekte könnte dies eine w ichtige Anw endung für zukünftige, im (sub)mm
Bereich arbeitende Radio-Observatorien (ALMA und NOEMA) w erden.
A bb. 3: O be n re chts: O ptische Aufna hm e (Hubble Spa ce
Te le scope ) de r ultra -le uchtk rä ftige n Infra rot-Ga la x ie Mrk 231.
O be n link s: k ünstle rische Illustra tion e ine s schwa rze n Loche s
m it Ak k re tionssche ibe und O utflow; unte n: He rsche l/P AC SSpe k trum von Mrk 231. Die se s im R a hm e n de s SHININGP rogra m m e s a ufge nom m e ne Spe k trum ze igt da s spe k tra le
P rofil e ine s Übe rga nge s de s Hydrox yl-Mole k üls (O H) be i 79
µm . Die Kom bina tion a us bla uve rschobe ne r Absorption
(ne ga tive Ge schwindigk e ite n) und rotve rschobe ne r Em ission
(positive Ge schwindigk e ite n) ist cha ra k te ristisch für na ch
a uße n ge richte te Ström e m ole k ula re n Ga se s (m ole k ula re
O utflows). O b die se Ström ung ta tsä chlich übe rwie ge nd durch
da s ze ntra le schwa rze Loch (wie in de r Abbildung obe n link s
illustrie rt) he rvorge rufe n wird, ode r durch die e x tre m hohe
Ste rnbildung in die se r Ga la x ie , ist e ine r de r
Forschungsge ge nstä nde von SHINING a m MP E.
© NASA, ESA, the Hubble He rita ge (STScI/AUR A)- ESA/Hubble
C olla bora tion, a nd A. Eva ns; NASA/C XC /M. W e iss; He rsche l
Spa ce Te le scope /SHINING/E. Sturm
Ein w eiteres Beispiel für die aufregenden SHINING-Resultate ist die Entdeckung von sogenannten molekularen
Outflow s in ultra-leuchtkräftigen Infrarotgalaxien (ULIRGs). Outflow s, d. h. Materie, die vom Galaxienkern w eg
strömt, können z. B. durch Sternw inde und Supernovae in Starburstgalaxien entstehen, aber auch durch den
enormen Strahlungsdruck um Starbursts und AGNs. Solche Materieströmungen spielen eine w ichtige Rolle in
Modellen der Galaxienentw icklung, da sie das zur Sternentstehung und Entw icklung von schw arzen Löchern
benötigte Material beeinflussen und regulieren. Diese (negativen) Feedbackmechanismen durch Outflow s
könnten z. B. erklären, w ie es zum Ende der (gemeinsamen?) Entw icklung von Sternen und schw arzen
Löchern in den Galaxienzentren kommt, oder w as die gemessene, überraschend gute Korrelation zw ischen
der Masse des zentralen schw arzen Loches und der Masse der zugehörigen Galaxie kontrolliert.
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Die Beobachtung solcher Materieströmungen, insbesondere des für die Sternbildung verantw ortlichen
molekularen Gases, w ar aber bisher nur vereinzelt erfolgreich. Mit PACS ist es den Forschern am MPE nun
gelungen, extrem masse- und energiereiche Outflow s molekularen Gases in zahlreichen ULIRGs nachzuw eisen
(Abb. 3). Das Studium dieser Spektren verspricht w esentliche neue Erkenntnisse, die für die Modelle der
Galaxienentw icklung w ichtig sind, beispielsw eise die Größenordnung der Outflow s (w ie Massen- und
Energieinhalt), die zugrunde liegenden physikalischen Mechanismen (w ie Sternw inde oder Strahlungsdruck)
und die unterschiedliche Rolle, die Starbursts und AGNs dabei spielen.
Wasser in Sternentstehungsgebieten
A bb. 4: L1157, e in sonne nä hnliche r Ste rn in de r Entste hung.
Link s: Bre iba nda ufna hm e im m ittle re n Infra rot m it e ine r
Infra rotk a m e ra (Spitze r-IR AC ). Im Ge ge nsa tz da zu ze igt die
P AC S-Spe k tra lk a rte (Mitte ) da s Ge bie t ga nz spe zie ll im Licht
de r W a sse rlinie be i 179 μm . Zu se he n ist die
W a sse rve rte ilung in e ine m Je t, de r a uf zwe i Se ite n vom
junge n Ste rn in de r Mitte we gström t. Die "hot spots" (he ll
da rge ste llt) m a rk ie re n die Ste lle n, wo de r Ste rnwind m it de r
um ge be nde n Ga swolk e Ene rgie und Ma te rie a usta uscht.
© ESA/P AC S/W ISH (E. va n Dishoe ck ), NASA/JP L-C a lte ch/UIUC
Um auch Sternentstehung auf noch kleineren räumlichen Skalen zu untersuchen, ist das MPE an einer großen
Studie von 80 galaktischen Sternentstehungsgebieten (W ISH) beteiligt. Die meisten dieser Objekte sind so
jung, dass sie noch tief in ihrer Geburtsw olke verborgen und daher für Untersuchungen im sichtbaren Licht
unzugänglich sind. Eine besondere Bedeutung kommt bei dieser Studie dem Wassermolekül zu: es kontrolliert
die chemischen Reaktionen vieler anderer Moleküle und verrät viel über die Prozesse sow ohl in kaltem als
auch w armem Gas w ährend der Stern- und Planetenentstehung [3]. Das Wasser in den Erdozeanen zum
Beispiel, hat w ohl zu einem großen Teil seinen Ursprung in gefrorenem Wassereis auf Kometen und
Asteroiden. Die Verteilung von Wasserdampf und Wassereis w ährend des gesamten Prozesses der Stern- und
Planetenbildung ist daher auch von fundamentaler Bedeutung für unsere eigenen Ursprünge.
Ein hervorragendes Beispiel für die Wechselw irkung (feedback) eines jungen Sterns mit seiner Umgebung
zeigt Abbildung 4.
Ausblick
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Die w enigen, hier gezeigten Beispiele aus frühen Beobachtungen mit Herschel können selbstverständlich nur
andeuten, w elche Fülle an neuen Einblicken in das Universum in den kommenden Jahren noch zu erw arten ist.
Schließlich geht es im fernen Infrarot um nicht w eniger als die Hälfte des von allen Galaxien im Universum
jemals abgestrahlten Lichts!
[1] A. Poglitsch et al.:
The Photodetector Array Camera and Spectrometer (PACS) on the Herschel Space Observatory,
Astronomy & Astrophysics 518, L2 (2010).
[2] S. Berta et al.:
Dissecting the cosmic infrared background with Herschel/PEP.
Astronomy & Astrophysics 518, L30 (2010).
[3] B. Nisini et al.:
Water cooling of shocks in protostellar outflows. Herschel-PACS map of L1157.
Astronomy & Astrophysics 518, L120 (2010).
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