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Abb. 1:
Falschfarben HST-Aufnahme der Auswahl naher
Starburstgalaxien, wobei das UV im Bezugssystem der Galaxie in
blau/violett und das optische Licht in gelb/rot dargestellt sind. Die
Bilder sind 6" mal 6" groß. Obwohl die meisten Objekte
sowohl im UV als auch im optischen Licht sehr kompakt erscheinen,
zeigen einige wenige ein sehr helles, unaufgelöstes Objekt in der
Mitte einer ausgedehnten Scheibe mit schwacher
Oberflächenhelligkeit. Die Bilder zeigen eine Vielfalt an
komplexen Morphologien, die oft ein Hinweis auf Wechselwirkungen oder
Verschmelzung von Galaxien sind.
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Abb. 2:
Optische HST-Aufnahmen von sechs nahen, UV-leuchtstarken
Starburstgalaxien aus Abbildung 1, die ein helles, unaufgelöstes
Objekt in der Mitte einer größeren, stark disturbierten
Scheibe zeigen.
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Abb. 3:
Masse (M*) und effektiver Radius (Re) verglichen
mit der effektiven Flächenmassendichte (Σe) der hellsten
Verdickung in jeder Galaxie (eingezeichnet). Die Vergleichsdaten
stammen aus einer Aufstellung bereits veröffentlichter Daten, die
ähnlich wie in Abbildung 45 von Hopkins et al. (2009) dargestellt
sind, wobei Kugelhaufen (Kreuze), zentrale Sternhaufen (Dreiecke) und
die zusätzlichen Lichtkomponenten in frühen Galaxien aus der
Selektion von Komendy et al. (2009, Sterne) und Lauer et al. (2007,
Kreise) von Hopkins et al. (2009) gemessen wurden. Die sechs
unaufgelösten Objekte aus Abbildung 2 sind durch ausgefüllte
Quadrate repräsentiert. Diese Objekte passen zu den
Starburst-Vorläufern, die die alten, zentralen Komponenten
für das ”Extra-Licht“ bildeten, die in nahen,
elliptischen Galaxien mit hochkonzentrierten Zentren beobachtet
werden. Man nimmt an, dass sich diese lokalen Kerne in den hoch
dissipativen Verschmelzungen bei hoher Rotverschiebung bildeten,
möglicherweise in ähnlicher Art und Weise, wie man es in der
Auswahl an nahen Galaxien beobachten kann, die den hochrotverschobenen
Starbursts ähneln.
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Das “Lyman Break Galaxy Analogs”-Projekt wird mit dem
“Galaxy Evolution Explorer” GALEX durchgeführt. GALEX
ist ein UV-Satellit, der einen Großteil des Himmels im fernen
und nahen Ultraviolett beobachtete, mit einer bis dahin unerreichten
Kombination aus Tiefe, Auflösung und Himmelsbedeckung. In
Verbindung mit der großen spektroskopischen Galaxiendatenbank
des Sloan Digital Sky Survey konnte das Team eine Anzahl von Galaxien
im nahen Universum (z<0.3) identifizieren und untersuchen, die sowohl
die lichtstärksten als auch kleinsten Galaxien sind, die im
fernen UV nachgewiesen wurden. Diese Auswahl wurde getroffen, um nach
Starburstgalaxien mit hohen Sternentstehungsraten, wenig Verdunkelung
durch Staub und kleinen Ausmaßen zu suchen, die besonders
typisch für die UV-selektierten Lyman-Break-Galaxien (LBGs) bei
hoher Rotverschiebung (z>3) sind. Solche Galaxien könnten als
lokale Beispielobjekte dienen, um typische Prozesse in
Starburstgalaxien zu untersuchen und diese dann mit LBGs zu
vergleichen, zu denen nur wenige Informationen vorliegen, da sie
aufgrund ihrer hohen Rotverschiebung klein und schwach erscheinen.
Die neue Methode war sehr erfolgreich und zeigte, dass es eine kleine
aber nachweisbare Population naher Galaxien gibt, die den LBGs in den
meisten ihrer physikalischen Eigenschaften ähneln, wie
Sternenmasse, Alter, Metallizität, Extinktion,
Sternentstehungsrate, Größe, Morphologie, (Gas-)Kinematik
und die Beschaffenheit der interstellaren Materie. Abbildung 1 zeigt
eine Kollage aus Bildern des Hubble-Space-Telescops (HST). Die Auswahl
an nahen, LBG-ähnlichen Galaxien setzt sich zusammen aus einer
Vielfalt an gestörten und “klumpigen” Galaxien. Im
UV-Bereich zeichnen sich diese Galaxien durch gewaltige Komplexe an
relativ wenig von Staub verhüllten Sternentstehungsgebieten aus,
während sie im optischen Bereich meist schwache Gezeitenmerkmale
zeigen, die normalerweise mit verschmelzenden und wechselwirkenden
Galaxien in Verbindung gebracht werden.
Im Rahmen einer HST-Folgestudie entdeckte das Team eine geringe Anzahl
von Galaxien (Abbildung 2), bei denen die UV- und die optische
Morphologie durch eine einzige, unaufgelöste Komponente dominiert
wird, die für einen Großteil der Kontinuums- und
Linienemission verantwortlich ist. Aufgrund ihrer optischen Spektren
können diese keine aktiven Galaxienkerne (vom Typ 1) sein, die
nicht von Staub verdeckt werden. Diese ungewöhnlichen Kerne
werden stattdessen als Folge des intensiven Lichts junger Sterne
gedeutet. Modelle der Lichtintensität und -farbe zeigen, dass die
Kerne zwischen wenigen hundert Millionen und einigen Milliarden
Sonnenmassen in Sternen beherbergen müssen, die in einem sehr
kompakten Gebiet von nur wenigen hundert Parsec im Durchmesser
verteilt sind. Die sehr hohen Sternmassendichten sind ähnlich
denen, die man in den massereichsten Kugelsternhaufen und zentralen
Sternhaufen von Scheibengalaxien findet. Die Gesamtmassen und
Ausdehnungen dieser neuen Klasse von Objekten aber sind bis zu zwei
Größenordnungen größer. Trotzdem ähneln
diese dichten Kerne, wenigstens strukturell, den dichten Zentren die
man in typischen, massearmen, elliptischen Galaxien findet (Abbildung
3). In diesen Galaxien ergeben sich die dichten Kerne durch einen
Überschuss der zentralen Sternmasse relativ zu der, die man
aufgrund einer Extrapolation des äußeren Sersic-Profils der
Galaxie nach innen erwarten würde. Man nimmt an, dass diese
dichten Kerne die Überreste von (hypothetischen) dissipativen
Galaxienverschmelzungen bei hoher Rotverschiebung sind. Diese
Verschmelzungen lieferten das Material für gewaltige
Sternentstehungsgebiete in der Vorgängerpopulation der heutigen
massearmen elliptischen Galaxien. Die Entdeckung von jungen, dichten
Kernen in nahen Galaxien, die den hoch-rotverschobenen
Starburstgalaxien ähneln, impliziert, dass genau dieser Prozess
immer noch in einem kleinen Bruchteil der Galaxien des nahen
Universums stattfindet. Ein weiterer Hinweis darauf ist die Tatsache,
dass die gesamte Sternmasse von Galaxien mit dichten Kernen mit der
Masse von typischen dichten, elliptischen Galaxien vergleich bar ist
(wenige 1010 Sonnenmassen) und dass sie gestörte optische
Morphologien aufweisen (Abbildung 3). Dies lässt darauf
schließen, dass die Sternentstehung im Zentrum durch einen
großen Materialzustrom ausgelöst wurde.
Das neue Ergebnis bietet auch einen interessanten Ansatz für die
Bildung superschwerer schwarzer Löcher. In den Zentren von nahen,
schweren Galaxien konnten (ruhende) superschwere schwarze Löcher
nachgewiesen werden, die etwa ein Tausendstel der Gesamtmasse der
Galaxie enthalten. Man weiß nicht genau, wann und wie sich diese
schwarzen Löcher gebildet haben, aber die enge Korrelation
zwischen ihrer Masse und der Masse der Galaxie insgesamt deutet auf
einen gemeinsamen Ursprung hin. Die gewaltigen Vorräte an kaltem
Gas in den dichten Kernen der LBG-ähnlichen Galaxien könnten
die ideale Kinderstube für die Bildung dieser schweren schwarzen
Löcher sein. Zurzeit sind diese Kerne wahrscheinlich zu jung
(wenige Millionen Jahre) um effizient ein superschweres schwarzes Loch
wachsen zu lassen. Sie befinden sich noch in einer von Supernovae
dominierten Abflussphase, die das Gas daran hindern würde, sich
in einer Akkretionsscheibe um das zentrale schwarze Loch zu
sammeln. Etwa 50 bis 100 Millionen Jahre nach dem letzten Starburst
werden sich die starken, mechanischen Auswirkungen der Winde aus den
massereichsten Sternen und Kernkollaps-Supernovae gelegt haben und die
langsamen Winde der älteren Sterne werden die lokale Gaskinematik
dominieren. Das könnte zu einem stetigen Zufluss an Material
führen, das im Schwerefeld des Kerns festgehalten wird, wo es
sich abkühlen kann und (teilweise) vom schwarzen Loch
aufgesammelt wird. Um zu untersuchen ob sich in den dichten Kernen
bereits schwach akkreditierende schwarze Löcher befinden, begann
das Team kürzlich mit einer Folgestudie, die
Röntgenspektroskopie, Infrarotspektroskopie und Radiointerferenz
vereint. Die Ergebnisse dürften ein neues Licht auf die
Entstehung schwarzer Löcher mittlerer Masse tief im Innern der
sich bildenden Zentren junger Galaxien werfen.
Roderik Overzier
Publikationen
Heckman, T.M., Hoopes, C., et al.,
"The Properties of Ultraviolet-luminous Galaxies at the Current Epoch",
2005, ApJ, 619, L35
Hoopes, C., Heckman, T.M., et al.,
"The Diverse Properties of the Most Ultraviolet-Luminous Galaxies Discovered by GALEX",
2007, ApJS, 173, 441
Overzier, R.A.,Heckman, T.M., et al.,
"Morphologies of Local Lyman Break Galaxy Analogs. I. Evidence for Starbursts Triggered by Merging",
2008, ApJ, 677, 37
Overzier, R.A.,Heckman, T.M., et al.,
"Morphologies of local Lyman break galaxy analogs. II. A Comparison with galaxies at z=2-4 in ACS and WFC3 images of the Hubble Ultra Deep Field",
2009, ApJ, In Press
(arXiv:0911.1279)
Overzier, R.A.,Heckman, T.M., et al.,
"Local Lyman Break Galaxy Analogs: The Impact of Massive Star-Forming Clumps on the Interstellar Medium and the Global Structure of Young, Forming Galaxies",
2009, ApJ, 706, 203
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