Im Rahmen der Long Baseline-Kampagne von ALMA ist eine eindrucksvoll detailgetreue Aufnahme einer entfernten Galaxie entstanden, deren Leuchten durch den Gravitationslinseneffekt abgebildet wird. Das Bild zeigt eine vergrößerte Ansicht der Sternentstehungsregionen der Galaxie, die in ihrer Art einzigartig sind, da ihresgleichen noch nie solcher Detailschärfe in einer solch weit entfernten Galaxie beobachtet werden konnten. Die neuen Beobachtungen sind um einiges detaillierter als jene des Hubble-Weltraumteleskops von NASA und ESA und bringen Ansammlungen von Sternentstehung in der Galaxie zum Vorschein, die riesigen Versionen des Orionnebels gleichen.

Im Rahmen der Long Baseline-Kampagne von ALMA sind aufregende Beobachtungen durchgeführt worden, durch die detaillierte, teils noch nie dagewesene Informationen über das Invenatar des nahen und fernen Universums gewonnen werden konnten. Die Beobachtungen wurden Ende 2014 als Teil der Kampagne durchgeführt, die eine entfernte Galaxie mit dem Namen HATLAS J090311.6+003906 zum Ziel hatte, die auch als SDP.81 bezeichnet wird. Das Licht aus dieser Galaxie unterliegt dem sogenannten Gravitationslinseneffekt bekannt ist. Eine große Galaxie, die sich zwischen SDP.81 und ALMA [1] befindet, agiert dabei als Linse, krümmt das Licht der weiter entfernten Galaxie und erzeugt ein nahezu perfektes Beispiel eines als Einsteinring bekannten Phänomens [2].

Mindestens sieben Gruppen von Wissenschaftlern [3] haben unabhängig voneinander die ALMA-Daten von SDP.81 ausgewertet. Die Flut an Veröffentlichungen geben noch nie dagewesene Informationen über die Galaxie preis und enthüllen Details über Struktur, Inhalt, Bewegung und andere physikalische Eigenschaften.

ALMA arbeitet wie ein Interferometer. Vereinfacht dargestellt agieren die einzelnen Antennen der Anlage perfekt synchron, um das Licht als gigantisches virtuelles Teleskop zu sammeln [4]. Infolgedessen haben die neuen Bilder von SDP.81 eine Auflösung, die bis zu sechsmal größer ist [5], als die der Bilder, die mit dem Hubble-Weltraumteleskop von NASA und ESA aufgenommen wurden.

Diese von Astronomen ausgeklügelte Methode bringt feine, niemals zuvor beobachtete Strukturen innerhalb von SDP.81 in Form von staubhaltigen Wolken zum Vorschein, von denen man annimmt, dass sie gigantische Lagerstätten kalten molekularen Gases sind – die Geburtsstätten von Sternen und Planeten. Diese Modelle waren in der Lage, die Verzerrungen herauszukorrigieren, die durch die vergrößernde Gravitationslinse entstanden sind.

Demzufolge sind die Beobachtungen mit ALMA so scharf, dass die Forscher Klumpen mit Sternentstehung in der Galaxie bis zu einer Größe von 100 Lichtjahren beobachten können, also vergleichbar mit riesigen Versionen des Orionnebels, die am entfernten Ende des Universums tausend Mal mehr neue Sterne produzieren. Es ist das erste Mal, dass dieses Phänomen in solch einer enormen Entfernung beobachtet werden konnte.

„Die rekonstruierte ALMA-Aufnahme der Galaxie ist sehr eindrucksvoll“, sagt Rob Ivison, Koautor zweier Veröffentlichungen und wissenschaftlicher Direktor der ESO. „ALMAs gewaltige Lichtsammelfläche, die große räumliche Trennung der Antennen und die stabile Atmosphäre über der Atacamawüste führten zu einer ausgezeichneten Detailschärfe, sowohl im Bild als auch im Spektrum. Das bedeutet, dass wir sehr empfindliche Beobachtungen durchführen können und Information darüber erhalten, wie sich die unterschiedlichen Teile der Galaxie bewegen. Wir können Galaxien am anderen Ende des Universums untersuchen und dabei zusehen wie sie verschmelzen und eine riesige Zahl an Sternen produzieren. Das ist die Motivation, die mich morgens aufstehen lässt!“

Mithilfe der spektralen Informationen, die mit ALMA gesammelt wurden, konnten Astronomen auch messen, wie die entfernte Galaxie rotiert und daraus ihre Masse abschätzen. Die Daten zeigen, dass das Gas in dieser Galaxie instabil ist; große Klumpen fallen in sich zusammen und werden sich wahrscheinlich in der Zukunft in neue riesige Sternentstehungsgebiete verwandeln.

Die Modellierung des Linseneffekts deutet insbesondere auch auf die Existenz eines supermassereichen Schwarzen Lochs im Zentrum der Vordergrundgalaxie hin, die als Linse dient [6]. Der zentrale Teil von SDP.81 ist zu lichtschwach, um wahrgenommen werden zu können, was zu dem Schluss führt, dass die Galaxie im Vordergrund ein supermassereiches Schwarzes Loch mit dem mehr als 200-300 Millionenfachen der Sonnenmasse beinhaltet.

Die Anzahl an wissenschaftlichen Arbeiten, die veröffentlicht wurden und auf diesem ALMA-Datensatz beruhen, zeigt die Aufregung, die durch das Potential der hohen Auflösung der Antennenanordnung und seiner Lichtsammelleistung entstanden sind. Es zeigt außerdem, dass ALMA es Astronomen ermöglichen wird, in den kommenden Jahren noch weitere grandiose Entdeckungen zu machen, dabei aber auch weitere Fragen über die Natur entfernter Galaxien aufwerfen wird.

Endnoten

[1] Die gelinste Galaxie zeigt sich so, wie sie aussah als das Alter des Universums nur 15 Prozent seines jetzigen Alters betrug, also nur 2,4 Milliarden Jahre nach dem Urknall. Das Licht hat zweimal so lange für den Weg bis zu uns gebraucht, wie die Erde alt ist (11,4 Milliarden Jahre) und musste dabei einen Umweg um eine massereiche Vordergrundgalaxie machen, die mit einer Entfernung von vier Milliarden Lichtjahren vergleichsweise nah bei uns liegt.

[2] Gravitationslinsen wurden von Albert Einstein im Rahmen seiner Allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagt. Seine Theorie besagt, dass Objekte Raum und Zeit krümmen. Licht, das diese gekrümmte Raumzeit erreicht, folgt selbst der Krümmung, die durch das Objekt entstanden ist. Dies ermöglicht vor allem massereichen Objekten – wie sehr großen Galaxien und Galaxienhaufen – als kosmisches Vergrößerungsglas zu agieren. Ein Einsteinring ist eine spezielle Art von Gravitationslinse, bei der die Erde, die Vordergrundgalaxie, die das Licht bricht und die Hintergrundgalaxie, die abgebildet wird, perfekt in einer Linie liegen, was zu einer harmonischen Krümmung des Lichts in Form eines Rings führt. Dieses Phänomen ist in Video A dargestellt.

[3] Die Wissenschaftlerteams sind unten aufgelistet.

[4] ALMAs Fähigkeit, auch die feinsten Details wahrzunehmen kann nur dann zur Gänze ausgenutzt werden, wenn die Antennen in ihrem größten Abstand angeordnet sind und bis zu 15 Kilometer voneinander entfernt sind. Als Vergleich: Frühere Beobachtungen von Gravitationslinsen, die mit ALMA in einer kompakteren Konfiguration durchgeführt wurden, bei der die Antennen nur 500 Meter voneinander entfernt waren, sind hier zu sehen.

[5] Details bis zu 0,023 Bogensekunden, also 23 Millibogensekunden, können in diesen Daten vermessen werden. Hubble beobachtete diese Galaxie im Nahinfraroten mit einer Auflösung von etwa 0,16 Bogensekunden. Anzumerken ist jedoch, dass Hubble feinere Auflösungen bis hin zu 0,022 Bogensekunden im Nahinfraroten erreichen kann, wenn im Bereich kürzerer Wellenlängen beobachtet wird. ALMAs Auflösung kann abhängig von der Art der Beobachtungen angepasst werden, indem die Antennen weiter weg oder näher zusammen bewegt werden. Für diese Beobachtungen wurde die größtmögliche räumliche Entfernung genutzt, was die höchstmögliche Auflösung ermöglicht.

[6] Die hochauflösende ALMA-Aufnahme ermöglicht Forschern nach dem zentralen Bereich der Hintergrundgalaxie Ausschau zu halten, von dem man annimmt, dass er in der Mitte des Einsteinrings erscheint. Wenn die Vordergrundgalaxie ein supermassereiches Schwarzes Loch im Zentrum beherbergt, wird das mittige Bild lichtschwächer. Die Lichtabschwächung an dieser Stelle ist ein Hinweis darauf, wie massereich das Schwarze Loch in der Vordergrundgalaxie ist.

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