Kaltes Gas und Sternentstehung in Galaxien

Bei einer Studie mit 350 benachbarten, massereichen Galaxien haben Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Astrophysik einige Galaxien gefunden, die zwar beträchtliche Mengen an atomarem Gas enthalten bei denen aber nur sehr wenig oder gar keine neuen Sterne entstehen. Mit großen numerischen Simulationen versucht das Team nun besser zu verstehen, welche Bedingungen vorherrschen müssen, damit sich neue Sterne aus dem kalten Gas bilden. Durch einen Vergleich dieser Simulationen mit ausführlichen Beobachtungen in verschiedenen Wellenlängenbereichen wird das Wissen über die Galaxienentwicklung einen wichtigen Schritt vorankommen.

Abb. 1: SDSS-Bilder von 6 Galaxien, die im Rahmen des COLD GASS Survey beobachtet wurden. In der linken Spalte sind Beispiele für Galaxien mit aktiver Sternentstehung gezeigt, in denen sich auch normale Mengen an molekularem Gas befinden. Die Bilder auf der rechten Seite zeigen drei rote und passive Galaxien: Diese Galaxien haben nur wenig molekulares Gas, können aber überraschend große Mengen an atomarem Gas enthalten. Mit der Studie versuchen die Wissenschaftler zu verstehen, warum die Bildung in diesen Galaxien so wenig effizient ist.

Abb. 2: Verhältnis von Gasmenge zur Farbe einer Galaxie. Der Anteil an atomarem Gas sinkt linear mit der Farbe; bei molekularem Gas kann man bei besonders roten Galaxien allerdings einen deutlichen Knick feststellen. (Daten aus Catinella et al. 2010, Fabello et al. 2011 and Saintonge et al. 2011).

Abb. 3: Das IRAM 30m-Teleskop.

Galaxien im benachbarten Universum gibt es in vielen Formen, Farben und Größen, und doch kann man bei dieser Vielfalt viele komplexe Verbindungen zwischen ihren unterschiedlichen Eigenschaften finden. Dabei kristallisiert sich ein Bild heraus, wonach sich die meisten Galaxien in zwei Kategorien einteilen lassen: sie sind entweder gasreiche, blaue, spiralähnliche Galaxien mit aktiver Sternentstehung oder aber rote, gasarme Galaxien ohne auffällige Strukturen. Wenn wir verstehen wollen, wie Galaxien entstehen und sich entwickeln um schließlich dieses Bild zu erhalten, so ist es unabdingbar genau festzustellen, wann, wo und wie sich Sterne in einer Galaxie bilden. Auch wenn uns detaillierte Beobachtungen des Sternenlichts der Galaxien schon viel verraten, so stellt unser vergleichsweise dürftiges Wissen über den Gasgehalt in diesen Galaxien doch ein beträchtliches Hindernis dar. Da das kalte Gas der Rohstoff ist, aus dem junge Sterne gemacht sind, benötigen wir ein besseres Bild davon, wie Galaxien mit Gas versorgt werden, wie das Gas zu Sternen wird und wie einiges von diesem Gas dabei wieder an die Umgebung abgegeben wird. Nur mit diesem Wissen können wir die Entwicklung der Galaxien auch wirklich verstehen.

Um diese Fragen zu beantworten nutzen Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Astrophysik als Teil einer internationalen Kollaboration einige der größten Radioteleskope der Welt, um den Gasgehalt massereicher Galaxien im nahen Universum zu vermessen. Ergänzende Informationen erhält das Team von ausführlichen Daten, gesammelt in vielen Wellenlängenbereichen u.a. vom Sloan Digital Sky Survey (SDSS), dem UV-Satelliten GALEX und dem Arecibo-Radioteleskop.

Das IRAM 30-Meter-Teleskop auf dem Pico Veleta im Süden Spaniens liefert entscheidende Hinweise, wie Gas in Sterne umgewandelt wird. Das Teleskop, das von der französischen Forschungsorganisation CNRS, der Max-Planck-Gesellschaft in Deutschland und dem spanischen IGN-Institut finanziert und betrieben wird, kann bei Millimeter-Wellenlängen beobachten und so molekulares Gas in Galaxien nachweisen. Es ermöglicht den Wissenschaftlern damit einen Blick auf den letzten Schritt beim Gaskreislauf: Wenn die Galaxien Gas angesammelt haben, kühlt dieses ab und verdichtet sich, und führt so zur Bildung von Molekülen und schließlich Sternen. Mit dem IRAM 30m-Teleskop führte das “COLD GASS”-Team, geleitet von Amelie Saintonge vom MPE und Guinevere Kaufmann vom MPA, nun einen Zensus dieses molekularen Gases in 350 Galaxien durch, die die massereichen Galaxien in nahen Universum gut repräsentieren sollten.

Bislang wurde die Studie genutzt, um die Häufigkeit des molekularen Gases in den Galaxien in Abhängigkeit von ihrer Masse, Farbe und Morphologie zu aufzuzeichnen. Dies zeigte eindrucksvoll, dass es klare Abgrenzungen in der Galaxienpopulation gibt, allein aufgrund ihres Gasgehalts. Mit den IRAM-Beobachtungen konnten die Wissenschaftler einige Galaxien identifizieren, die nur noch Spuren von molekularem Gas enthalten. Diese Galaxien sind in der jetzigen Epoche die passivsten Galaxien und zeigen nur wenig oder gar keine Sternentstehungsaktivitäten.

Ein Vergleich der IRAM-Daten mit den ausführlichen Daten aus anderen Wellenlängen führt zu einer Überraschung: Während die IRAM-Daten diese “roten und toten” Galaxien, ohne signifikante Spuren von molekularem Gas oder Sternentstehung, finden, so zeigt das Arecibo-Teleskop, dass diese Galaxien dennoch nennenswerte Mengen an atomarem Gas enthalten können, das unter normalen Umständen abkühlen sollte um schließlich Sterne zu bilden.

Wie können diese Galaxien gleichzeitig viel atomares Gas enthalten und doch keine Sterne bilden? Allein der Nachweis derartiger Galaxien enthüllt einen Engpass bei der Sternentstehung in massereichen Galaxien: es reicht nicht aus, wenn eine Galaxie große Mengen an atomarem Gas enthält, es müssen auch die richtigen Bedingungen gegeben sein, damit dieses Gas die niedrigen Temperaturen und hohen Dichten erreichen kann, die für die Entstehung junger Sterne nötig sind. Die Ergebnisse großer numerischer Simulationen, die ebenfalls von den MPA-Wissenschaftlern und ihren Kollegen durchgeführt wurden, werden nun den Beobachtungen gegenübergestellt und getestet. Eine Kombination der detaillierten Simulationen mit der großen Datenmenge im “COLD GASS Survey” wird unser Wissen darüber, wie Galaxien sich durch Gaskreislauf und Sternentstehung entwickeln, einen großen Schritt voranbringen.


Amelie Saintonge


Weitere Links

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Veröffentlichungen

Amelie Saintonge, Guinevere Kauffmann, Carsten Kramer et al., "COLD GASS, an IRAM legacy survey of molecular gas in massive galaxies - I. Relations between H2, HI, stellar content and structural properties", 2011, MNRAS, 415, 32
linkPfeilExtern.gif http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/j.1365-2966.2011.18677.x/full

Amelie Saintonge, Guinevere Kauffmann, Jing Wang et al., "COLD GASS, an IRAM legacy survey of molecular gas in massive galaxies - II. The non-universality of the molecular gas depletion time-scale", 2011, MNRAS, 415, 61 linkPfeilExtern.gif http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/j.1365-2966.2011.18823.x/full

Barbara Catinella, David Schiminovich, Guinevere Kauffmann et al., "The GALEX Arecibo SDSS Survey - I. Gas fraction scaling relations of massive galaxies and first data release", 2010, MNRAS, 403, 683 linkPfeilExtern.gif http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/j.1365-2966.2009.16180.x/full

Silvia Fabello, Barbara Catinella, Riccardo Giovanelli et al., "ALFALFA HI data stacking - I. Does the bulge quench ongoing star formation in early-type galaxies?", 2011, MNRAS, 411, 993 linkPfeilExtern.gif http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/j.1365-2966.2010.17742.x/full