Evolution: Astronomie, Astrophysik, Kosmologie

Interessierte: Der tiefe Blick ins Universum

Inhalt

Mit dem Hubble Deep Field Projekt gelang 1995 der bis dahin tiefste Blick ins Universum. 1500 Galaxien wurden in einer berühmt gewordenen Aufnahme gezählt, die sowohl gewöhnliche wie auch weniger gewöhnliche Objekte offenbarte. Mit dem Hubble Ultra Deep Field wurde das bisherige Projekt sogar noch übertroffen. Es handelt sich bis heute um den tiefsten Blick ins Universum. Astronomen sehen darin einen frühen Zustand des Universums. In der Tiefe des Universums wurden jedoch auch „alt“-scheinende Objekte gefunden. Weit entfernte Quasare mit hohen Metallwerten fordern die gängige Sicht ebenfalls heraus.

Das Hubble Deep Field

Das Hubble Ultra Deep Field

Voll ausgebildete Galaxien im frühen Universum

Quasare mit hoher Rotverschiebung

Kommentar

Literatur

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Das Hubble Deep Field

Ein tiefer Blick ins Universum gibt Aufschluss über die großräumige Verteilung der Galaxien und Frühphasen der Galaxienentwicklung. Dies war die Motivation um das Projekt zu starten, das heute unter dem Namen „Hubble Deep Field“ bekannt ist. Vom 18. bis 28. Dezember 1995 wurde das inzwischen bekannte Bild aufgenommen, das unmittelbar nach der Aufnahme im Internet publiziert wurde:

Es handelte sich um den bis dahin tiefsten Blick ins Universum. Der ganze Ausschnitt (25% davon sind in Abb. 170 zu sehen) hat nur die Größe von 1/30 des Vollmonddurchmessers. Obwohl der Ausschnitt so klein ist, sind Galaxien neben ein paar wenigen Vordergrundsternen unserer Milchstraße in großer Überzahl vorhanden. Die Aufnahme war dabei so sensibel, dass selbst noch Galaxien aufgenommen wurden, die etwa 4 Milliarden mal lichtschwächer sind als solche Objekte, die vom menschlichen Auge wahrgenommen werden können. Auch die größten Teleskope konnten sie bisher nicht sehen.

Um Störquellen naher Objekte zu vermeiden, wurde ein Bereich am Himmel gewählt, der völlig dunkel war. Das entstandene Bild ist eine Zusammensetzung aus 342 Einzelaufnahmen, die alle zwischen 15-40 Minuten Belichtungszeit benötigten. Das Hubble Deep Field wurde separat in ultraviolett, blau, rot und infrarot aufgenommen. Erst das Zusammenfügen all dieser Komponenten ergab das endgültige Bild (Abb. 170).

Obwohl das Hubble Deep Field nur eine sehr kleine Fläche des Nachthimmels darstellt, scheint es aufgrund statistischer Analysen trotzdem repräsentativ für das Universum in dieser Distanz zu sein. Wegen der begrenzten Lichtgeschwindigkeit, brauchte das Licht lange Zeit, um von diesen fernen Galaxien zur Erde zu gelangen. Aus diesem Grund sehen wir das Universum zu einen Zeitpunkt, als es noch viel jünger war. Damit ist das Hubble Deep Field nicht nur der weiteste Blick, sondern auch ein Blick in die Frühzeit des Universums. Die Entfernung des Hubble Deep Fieldes wird auf über 10 Milliarden Lichtjahre geschätzt, womit die beobachteten Galaxien auch mindestens so alt sein müssen. Was wurde nun im Hubble Deep Field beobachtet? Es wurden etwa 1500 Galaxien gezählt. Darunter wurden neben den gewöhnlichen Spiral- und elliptischen Galaxien (siehe Galaxien) eine Fülle weiterer Galaxienformen registriert. Astronomen versprechen sich davon Hinweise für die Evolution von Galaxien.

Eine weitere interessante Aufnahme derselben Himmelsregion wurde im Januar 1998 mit einer Belichtungszeit von 36 Stunden durchgeführt. Es wurden einige Kandidaten sichtbar, die über 12 Milliarden Lichtjahre entfernt sein könnten. Allerdings konnte das nicht zweifelsfrei bestätigt werden.

Das Hubble Ultra Deep Field

Nach den beiden historischen Aufnahmen 1995 und 1998 folgte noch eine weitere, die wiederum alte Rekorde brechen sollte. Zwischen dem 24. September 2003 bis zum 16. Januar 2004 machte das Hubble Space Telescope mit einer Gesamtbelichtungszeit von über 11 Tagen 800 Aufnahmen. Die Untersuchung wurde mit zwei Kameras durchgeführt (ACS und NICMOS), die Galaxien registrierten, die bisher noch nie gesehen worden waren. Das Projekt erhielt den Namen „Hubble Ultra Deep Field“ und ist der bis heute tiefste Blick ins Universum:

Aus der Sicht von bodenstationierten Teleskopen war der untersuchte Fleck am Himmel praktisch vollständig schwarz. Einzelne Objekte dieser Region sind so lichtschwach, dass gerade einmal ein Photon (=Lichtteilchen) pro Minute registriert wurde.

Die Anzahl aufgenommener Galaxien wird auf etwa 10 000 geschätzt. Neben gewöhnlichen, voll ausgebildeten Spiral- und elliptischen Galaxien findet sich wiederum ein Zoo von speziellen Formen. Einige Galaxien scheinen untereinander zu wechselwirken. Astronomen sehen damit einen Hinweis auf einen Zustand, in dem das Universum jünger und chaotischer war. Dies würde gut zum Standardmodell (Urknallmodell) passen, wonach man in grosser Entfernung ein „junges“ Universums sehen sollte. Diese Charakterisierung ist aber nur eine mögliche Interpretation. Es gibt auch Befunden, die nicht gut in dieses Bild passen (s.u.). Unter den gefunden Galaxien sollte es Schätzungen zufolge auch solche haben, die über 13 Milliarden Lichtjahre entfernt sind. Nach dem Standardmodell entsprächen diese Galaxien einer Zeit, als das Universum noch nicht einmal eine Milliarde Jahre alt war. Damit sähe man in die „Kinderstube“ unseres Universums. Man glaubte, die ersten Objekte des „dunklen Zeitalters“ kurz nach der Strukturbildung im Universum „erspäht“ zu haben (siehe Standardmodell). Um diese Sichtweise zu bestätigen, sind allerdings weitere Untersuchungen nötig, die möglicherweise erst mit der Generation von neuen Teleskopen durchgeführt werden können. An dieser Stelle soll bemerkt werden, dass die Rotverschiebung dieser fernen Galaxien, anhand derer die Distanz abgeleitet werden könnte, nicht bestimmbar ist. Die Distanz wird statistisch aus der Komposition der verschiedenen Aufnahmen und Farben geschätzt. Rot gefärbte Galaxien sind Kandidaten für sehr weit entfernte Objekte.

Voll ausgebildete Galaxien im frühen Universum

Neben den bereits angesprochenen, schön ausgebildeten elliptischen Galaxien und Spiralgalaxien im Hubble Ultra Deep Field, die kaum eine Milliarde Jahre nach dem Urknall existiert haben müssten, gibt es noch weitere interessante Hinweise, dass dieses Hubble Deep Field nicht unbedingt ein „ursprünglicher“ Zustand repräsentieren muss. So wurden in unabhängigen Studien - sowohl auf der nördlichen wie auch am südlichen Halbkugel - massive, ‚alt’-aussehende Galaxien entdeckt, die sich in 10 Milliarden Lichtjahren Distanz befinden sollen (Wirth 2004). Diese Entdeckungen lassen das bevorzugte hierarchische Modell der Galaxienbildung, wonach kleinere Strukturen allmählich zu größeren zusammengehäuft werden, fragwürdig erscheinen. Die Studien belegen, dass die Anzahl voll ausgebildeter Galaxien mit größer werdenden Entfernung langsamer abnimmt, als durch das hierarchische Modell vorhergesagt wird. Damit müssten sich die Galaxien viel früher als erwartet gebildet haben. Dies ist also ein Beispiel, wo eine Erwartung der Astronomen nicht erfüllt wurde und sogar eine Modellvorstellung falsch war.

Quasare mit hoher Rotverschiebung

Das Standardmodell fordert, dass Sterne, Galaxien und Quasare (siehe Aktive Galaxien) im frühen Universum „primitiv“ waren, was bedeutet, dass sie wenig schwere Elemente enthalten. Schließlich konnten sich kurz nach dem Urknall nur Wasserstoff und Helium in beträchtlichen Mengen bilden. Elemente schwerer als Li wurden dabei höchstens in Spuren synthetisiert (siehe Häufigkeit der leichten Elemente im Universum). Die schwereren Elemente wie beispielsweise Eisen konnten sich darum erst durch Kernfusionen in Sternen allmählich bilden. Dadurch ergibt sich die Erwartung, dass Objekte im frühen Universum arm an schweren Elementen sind.

Diese Erwartung wurde nicht bestätigt. Quasare, die aufgrund ihrer großen Leuchtkraft überall im Universum gut zu sehen sind (Abb. 172), sind ideale Kandidaten, um auf schwere Elemente untersucht zu werden. Dabei hat man zweierlei festgestellt: Quasare mit hoher Rotverschiebung haben bereits eine Milliarde Jahre nach dem Urknall etwa die fünffache Menge an Eisen wie unsere Sonne, die sich im Gegensatz dazu etwa 9 Milliarden Jahre nach dem Urknall gebildet haben soll (Dietrich et al. 2003a). Andererseits zeigen Quasare keine Anzeichen für eine Evolution gewisser Elementverhältnisse mit abnehmender Rotverschiebung. Damit wird die erste größere Sternentstehungsphase auf etwa eine halbe Milliarde Jahre nach dem Urknall verdrängt (Dietrich et al. 2003b). Aufgrund theoretischer Überlegungen bleibt für eine heftige Sternbildungsphase unter günstigen Bedingungen noch genügend Zeit. Wird allerdings diese Phase noch weiter in die Vergangenheit verschoben, könnten sich Widersprüche ergeben.

Kommentar

Die Bilder des Hubble Deep Fieldes und Hubble Ultra Deep Fieldes haben die bisher am weitesten entfernten Galaxien gezeigt, die jemals gefunden wurden. Abgesehen von der Vielfalt und Schönheit des Universums bereits in diesem frühen Stadium, fand man Spiral- und elliptische Galaxien, die von näheren, gewöhnlichen Galaxien nicht zu unterscheiden sind. Damit finden sich diese Galaxien bisher zu allen Zeiten. Vorläufertypen zu modernen Galaxien konnten nicht zweifelsfrei ausgemacht werden. Ein besonderes Merkmal dieser frühen Phase des Universums ist der relativ hohe Anteil an irregulären Galaxien (siehe Galaxien). Diese Galaxien mit einem chaotischen, jungen Zustand des Universums in Verbindung zu bringen, ist jedoch nur eine Deutungsmöglichkeit. Dem widerspricht das Auftreten voll ausgebildeter, „alt“ erscheinender Galaxien bis in frühe Epochen hinein, die zudem das bevorzugte hierarchische Modell als fragwürdig erscheinen lassen. Auch der hohe Metallgehalt weit entfernter Quasare passt gut nicht in das gängige Bild. Um Klarheit in diesem extremen Bereich der Astronomie zu erhalten, müssen weitere Untersuchungen und möglicherweise eine neue Generation von Teleskopen abgewartet werden.

Literatur

Dietrich M. et al. (2003a) Elemental abundances and high redshift quasars. RevMexAA (Serie de Conferencias) 17, 264-265.

Dietrich M. et al. (2003b) Fe II/Mg II emission-line ration in high-redshift quasars. The Astrophysical Journal 596, 817-829.

NASA (STScI). Press releases (http://hubblesite.org/newscenter/newsdesk/archive/releases/category/).

Wirth G.D. (2004) Nature 430, 149-150.

Autor: Studiengemeinschaft Wort und Wissen, 19.09.2004

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