Es ist eines der großen Rätsel der Astronomie: In den letzten Jahrzehnten haben Astronomen immer wieder frühe Galaxien entdeckt, die massereicher und weiter entwickelt sind als erwartet. Denn eigentlich hatten diese Sternansammlungen seit dem Urknall und der Entstehung der ersten Sterne nicht genug Zeit, um so weit heranzuwachsen – zumindest nach den gängigen Modellen der Galaxienentwicklung. Unter den überraschenden Funden sind beispielsweise ein massereicher Milchstraßenzwilling, der schon eine Milliarde Jahre nach dem Urknall voll ausgereift war: Die Galaxie besitzt Spiralarme, eine große Sternenscheibe und einen zentralen Bulge mit alten Sternen. Noch älter sind frühe Galaxien, die schon 500 bis 700 Millionen Jahre nach dem Urknall existierten und ebenfalls schon zehn bis 100 Milliarden Sonnenmassen an Sternen umfassten. Auch frühe Formen von Galaxienhaufen haben Astronomen bereits im frühen Kosmos entdeckt. Wie all diese Strukturen so früh so schnell heranreifen konnte, ist bislang ungeklärt.
Protocluster, Gezeitenströme und eine „Perlenkette“ aus Gasklumpen
Jetzt liefern Beobachtungen eines frühen Proto-Galaxienhaufens mit dem Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) in Chile neue Hinweise auf die Entstehung solcher frühen Riesen. Astronomen um Nikolaus Sulzenauer vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn analysierten dafür die Radiosignaturen von kaltem Gas und Staub im Zentrum von SPT2349-56, einem Protocluster im südlichen Sternbild Phönix. Diese frühe Ansammlung von Galaxien existierte rund 1,4 Milliarden Jahre nach dem Urknall und ist durch eine hohe Sternbildungsrate und eine enorme Masse an Gas zwischen den Sternansammlungen gekennzeichnet. „Im Zentrum von SPT2349-56 fanden wir drei eng miteinander wechselwirkende Galaxien, die alle 40 Minuten einen Stern hervorbringen“, berichtet Co-Autor Ryley Hill von der University of British Columbia in Kanada. Zum Vergleich: Die Milchstraße produziert im Schnitt drei bis vier Sterne in einem ganzen Jahr.
Mithilfe der hochaufgelösten Radiodaten entdeckten die Astronomen eine überraschend komplexe Struktur im Umfeld der zentralen drei Galaxien. „Sie sind durch riesige, kohärente Ströme aus ionisiertem Kohlenstoff verbunden“, berichten sie. Diese spiralförmigen Gezeitenströme erstrecken sich über einen Bereich größer als die Milchstraße. Durch Schockwellen im Gas dieser Ströme wird der ionisierte Kohlenstoff angeregt und leuchtet daher im Radiowellenspektrum hell auf. Dank dieser hellen Emission konnte das Team die Bewegung des Gases präzise vermessen. Dies enthüllte dichte Gasklumpen, die wie in einer Perlenkette entlang dieser Gezeitenarme aufgereiht sind. „Zu unserer Überraschung sind die Klumpen mit 20 weiteren Galaxien verbunden, die sich in den Außenbereichen der Struktur befinden. Dies deutet auf einen gemeinsamen Ursprung hin“, sagt Sulzenauer. Die Geschwindigkeit und Bewegungsrichtung der Gezeitenströme und Gasklumpen legt nahe, dass sie alle aus dem Umfeld der zentralen drei Galaxien des Protoclusters stammen.
