Lyman-Alpha-Galaxien im jungen Universum

Ein Kompositbild einer Lyman-Alpha-Galaxie. Gelb markiert die Lyman-Alpha-Emission von Wasserstoff, Weiß zeigt die Galaxie, Rot die Infrarotansicht und Blau die Röntgenemissionen. (Credits: X-ray (NASA / CXC / Durham Univ. / D. Alexander et al.); Optical (NASA / ESA / STScI / IoA / S. Chapman et al.); Lyman-alpha Optical (NAOJ / Subaru / Tohoku Univ. / T. Hayashino et al.); Infrared (NASA / JPL-Caltech / Durham Univ. / J. Geach et al.))
Ein Kompositbild einer Lyman-Alpha-Galaxie. Gelb markiert die Lyman-Alpha-Emission von Wasserstoff, Weiß zeigt die Galaxie, Rot die Infrarotansicht und Blau die Röntgenemissionen. (Credits: X-ray (NASA / CXC / Durham Univ. / D. Alexander et al.); Optical (NASA / ESA / STScI / IoA / S. Chapman et al.); Lyman-alpha Optical (NAOJ / Subaru / Tohoku Univ. / T. Hayashino et al.); Infrared (NASA / JPL-Caltech / Durham Univ. / J. Geach et al.))

Um heute groß zu sein, begannen massereiche Galaxien im lokalen Universum mit der Produktion ihrer Sterne wahrscheinlich im jungen Universum. In der Tat beobachten Astronomen in fernen Galaxien eine deutlich höhere Sternentstehungsaktivität und stellen fest, dass die höchste Sternentstehungsrate auftrat, als das Universum erst etwa zwei Milliarden Jahre alt war. Galaxien, die aktiv Sterne produzieren, bringen natürlicherweise viele massereiche und heiße Sterne hervor.

Sie emittieren ultraviolette Strahlung, die zur Ionisation von Wasserstoffgas führt, was wiederum in charakteristischen Spektrallinien strahlt. Die energiereichste dieser Wasserstofflinien, die Lyman-Alpha-Linie, liegt selbst im Ultraviolettbereich. Weil sich die Galaxien jedoch von uns entfernen, wird ihr scheinbares Spektrum ins Rote verschoben und ihre Lyman-Alpha-Linie wird in sichtbare Wellenlängen oder weiter verschoben, wo optische Instrumente sie registrieren können.

Lyman-Alpha-Strahler sind Galaxien oder Galaxienhaufen, die in dieser Wasserstofflinie hell leuchten. Astronomen, die die Sternentstehungsgeschichte des Universums zusammensetzen, nutzen Lyman-Alpha-Strahler, um die kosmische Entwicklung der Materie zu rekonstruieren. Es gibt allerdings ein großes Problem: Supermassive Schwarze Löcher in den galaktischen Zentren sammeln Materie an und produzieren ebenfalls große Mengen ultravioletter Strahlung und damit Lyman-Alpha-Licht. Eine exakte Bewertung der Sternentstehungsaktivität mittels ultraviolettem Licht muss die Effekte der Akkretion von Schwarzen Löchern berücksichtigen.

Die Astronomin Andra Stroe vom Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA) war Mitglied eines Teams, das die Röntgen- und Radioaktivität von etwa 3.700 Lyman-Alpha-Strahlern untersuchte, um den Beitrag deren Schwarzer Löcher zu beziffern. Dafür nutzte das Team die einzigartigen Eigenschaften der Akkretionsstrahlung in diesen Wellenlängen. Die untersuchten Objekte datieren aus den Epochen zwischen einer und zwei Milliarden Jahren nach dem Urknall und wurden aus optischen und nahinfraroten Bildern, Chandra-Röntgenbeobachtungen und Radiodaten des Very Large Array ausgewählt.

Die Forscher stellten fest, dass 6,8 Prozent der Lyman-Alpha-Strahler auch im Röntgenbereich registriert wurden und daher als aktive galaktische Kerne klassifiziert werden konnten. Die Helligkeit der Röntgenemissionen dieser Objekte korrelierte mit der Stärke der Lyman-Alpha-Linie, was dafür spricht, dass die Wasserstoffemissionen von dem aktiven galaktischen Kern produziert wurden. Die Betrachtung der Röntgenaufnahmen aller anderen Lyman-Alpha-Strahler offenbarte keine Röntgenemissionen. Das deutet im Höchstfall auf eine sehr geringe Akkretionsrate in diesen Objekten hin. Ein sogar noch geringerer Prozentsatz der Lyman-Alpha-Strahler (ca. 3,1 Prozent) zeigte Radioemissionen, und es gab keine Korrelation zwischen den Radioemissionen und der Stärke der Lyman-Alpha-Linie, was teilweise an den Nachweisgrenzen liegen könnte.

Insgesamt schlussfolgern die Wissenschaftler, dass Lyman-Alpha-Strahler in kosmologischen Distanzen hauptsächlich Sternentstehungsaktivität zeigen (mit relativ normalen Raten, im Durchschnitt das Äquivalent von sieben Sonnenmassen pro Jahr). Sie besitzen demnach eine relativ geringe Akkretionsaktivität mit Ausnahme einer kleinen Untergruppe an röntgenhellen Objekten. Diese Ergebnisse sind ein großer statistischer Beleg, der das Standardmodell der Galaxienentwicklung untermauert und die Natur der Lyman-Alpha-Strahler im jungen Universum verfeinert.

Abhandlung: “The X-ray and Radio Activity of Typical and Luminous Ly α Emitters from z ∼ 2 to z ∼ 6: Evidence for a Diverse, Evolving Population” von João Calhau, David Sobral, Sérgio Santos, Jorryt Matthee, Ana Paulino-Afonso, Andra Stroe, Brooke Simmons, Cassandra Barlow-Hall und Benjamin Adams, MNRAS 493, 3341, 2020.

Quelle

(THK)

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