Neue Studie zu den Indikatoren der Sternentstehungsraten in fernen Galaxien

Sternbildende Galaxien im fernen Universum. (NASA, ESA and Bahram Mobasher)
Sternbildende Galaxien im fernen Universum. (NASA, ESA and Bahram Mobasher)

Wenn wir an eine Galaxie denken, ist unser erster Gedanke eine Ansammlung von Sternen. Und tatsächlich sind die Sterne einer Galaxie eines ihrer wichtigsten Merkmale. Um die Physik der Entstehung und Entwicklung von Galaxien zu verstehen, ist es entscheidend zu wissen, mit welcher Geschwindigkeit sie Sterne bilden – die sogenannte Sternentstehungsrate. Diese Rate zeigt, wie aktiv eine Galaxie ist: Junge Galaxien mit großen Mengen Gas bringen viele Sterne hervor, während rote und alte Galaxien, die ihre Gasvorkommen erschöpft haben, nicht aktiv Sterne bilden.

Kosmologische Ereignisse wie Verschmelzungen von Galaxien können ebenfalls die Sternentstehungsrate steigern. Aber wenn wir nicht gerade die Milchstraßen-Galaxie und sehr nahe lokale Galaxien beobachten, können wir keine einzelnen Sterne und Sternentstehungsregionen in entfernten Galaxien registrieren. Aus diesem Grund müssen wir uns auf global beobachtbare Eigenschaften stützen, um die Sternentstehungsraten weit entfernter Galaxien zu schätzen.

Die beste Möglichkeit, die Eigenschaften von Galaxien umfassend zu verstehen, ist ihre Untersuchung in einem breiten Wellenlängenbereich: Jeder Lichttyp wird von einer anderen Quelle in einer Galaxie emittiert. Beispielsweise stammt das ultraviolette Licht von den jüngsten und massereichsten Sternen, wohingegen das optische und nahinfrarote Lichtkontinuum hauptsächlich von älteren Sternen emittiert wird. Infrarotes Licht verweist aber auch auf Staub in einer Galaxie, und die in den Spektrallinien registrierten Emissionslinien zeigen die Gaswolken an.

Eine Forschungsgruppe unter Leitung von Irene Shivaei, einer Doktorandin an der University of California in Riverside (UC Riverside), beobachtete 17 helle entfernte Galaxien mit dem hochauflösenden MOSFIRE-Nahinfrarotspektrometer an den Teleskopen des W. M. Keck Observatory. Anschließend kombinierten sie die Spektren mit Infrarotaufnahmen der Weltraumteleskope Spitzer und Herschel sowie optischen Bildern des Weltraumteleskops Hubble, um ein komplettes Multiwellenlängenbild ihrer Galaxien zu erstellen: vom Ultravioletten bis ins Ferninfrarote.

Sie betrachteten verschiedene Messgrößen, die gemeinhin für die Schätzung der Sternentstehungsraten in Galaxien herangezogen werden, und verglichen sie miteinander. Dazu gehören das ultraviolette Licht, das von jungen Sternen emittiert wird, das infrarote Licht, welches zeigt, wie viel ultraviolettes Licht von Staub absorbiert wurde, und die Emissionslinien von Nebeln. Letztere werden von jungen Sternen verursacht, welche die sie umgebenden Gaswolken zum Leuchten anregen. Diese Diagnostik wurde während des vergangenen Jahrzehnts ausgiebig an lokalen Galaxien beobachtet und überprüft. Aber bei fernen Galaxien ist es schwierig, umfassende Multiwellenlängen-Datensätze zu erstellen.

Diese Studie macht den ersten direkten Vergleich zwischen der optischen Emissionslinie und den ultravioletten und infraroten Indikatoren für die Sternentstehung. Sie spricht dafür, dass Astronomen trotz der zugrunde liegenden Unsicherheiten den Emissionslinien der Nebel trauen und sie als verlässliche Indikatoren der Sternentstehungsrate und der Menge des von Staub absorbierten Lichts in fernen Galaxien heranziehen können. Diese Ergebnisse helfen, die Grundlage für Studien zur Galaxienentwicklung zu bilden. Mit anderen Worten: Sie helfen dabei, eine physikalisch messbare Größe (in diesem Fall die Sternentstehungsrate) einer Galaxie vorherzusagen, basierend aus dem Licht, das unsere Teleskope von ihr empfangen.

Diese Analyse ist Teil des MOSFIRE Deep Evolution Field (MOSDEF) Survey, der von Astronomen der UC Riverside, der UCLA, der UC Berkeley und der UC San Diego durchgeführt wird. Das MOSDEF-Team nutzt das MOSFIRE-Spektrometer an den Teleskopen des W. M. Keck Observatory, um Spektren von vielen Galaxien zu erhalten, die zwischen 1,5 und 4,5 Milliarden Jahre nach dem Urknall existierten. Das ist die Zeitspanne, in der das Universum die größte Menge an Sternen in seiner Geschichte bildete. Das Ziel des Surveys ist die Untersuchung der Sterne, Gase und Schwarzen Löcher von Galaxien in dieser wichtigen Ära in der Geschichte des Universums.

Die Abhandlung wurde in den Astrophysical Journal Letters veröffentlicht. Sie wurde von Forschern der UC Riverside, der UCLA, der UC Berkeley, der UC San Diego, der Harvard University und des National Optical Astronomy Observatory in Tuscon (Arizona) verfasst. Die anderen Autoren von der UC Riverside waren neben Shivaei außerdem die Assistenzprofessoren Naveen Reddy und Brian Siana, sowie der Doktorand William Freeman und Professor Bahram Mobasher.

Quelle: https://ucrtoday.ucr.edu/35908

(THK)

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