Inaf, eine fossile Galaxie, entdeckt in 3 Milliarden Lichtjahren Entfernung. Ein neapolitanischer Wissenschaftler leitet die Forschung

Dank extrem hochauflösender Beobachtungen mit dem Large Binocular Telescope in Arizona hat ein Team unter der Leitung des National Institute for Astrophysics (INAF) die Existenz einer Galaxie bestätigt, die seit etwa sieben Milliarden Jahren nahezu unverändert geblieben ist: ein wahres kosmisches Fossil, das es uns ermöglicht, die Entstehung der ersten Galaxien in der Geschichte des Universums zu untersuchen.

Im Laufe der Geschichte des Kosmos neigen Galaxien dazu, durch Verschmelzungen mit anderen Galaxien zu wachsen und sich zu entwickeln. Es gibt jedoch seltene Beispiele, die wie eine Zeitkapsel wirken: Diese Galaxien, Fossilien oder Relikte genannt, entstanden in den frühen Stadien des Universums sehr schnell und produzierten fast alle ihre Sterne in weniger als drei Milliarden Jahren nach dem Urknall. Seitdem sind sie nahezu intakt geblieben. Beobachtungen zeigen sie als dicht und kompakt, bevölkert von Sternen, die reich an schweren Elementen sind, und ohne Anzeichen anhaltender Sternentstehung.

Eine neue Studie hat nun die am weitesten entfernte Reliktgalaxie beobachtet, die jemals entdeckt wurde: ein kosmisches Fossil, das seit etwa 7 Milliarden Jahren unverändert ist. Es trägt die Bezeichnung KiDS J0842+0059 und ist die erste massereiche fossile Galaxie, die durch spektroskopische Beobachtungen und hochauflösende Bilder außerhalb des lokalen Universums bestätigt wurde.

Die Entdeckung eines internationalen Forscherteams unter der Leitung des Nationalen Instituts für Astrophysik (INAF) wurde durch das Large Binocular Telescope (LBT) ermöglicht, ein von Italien, Deutschland und den USA betriebenes Teleskop auf dem Gipfel des Mount Graham in Arizona. Die Ergebnisse wurden in der Juli-Ausgabe der Zeitschrift Monthly Notices of the Royal Astronomical Society veröffentlicht.

„Wir haben eine Galaxie entdeckt, die über Milliarden von Jahren ‚perfekt erhalten‘ war, ein echter archäologischer Fund, der uns zeigt, wie die ersten Galaxien entstanden sind, und uns hilft zu verstehen, wie sich das Universum bis heute entwickelt hat“, erklärt Crescenzo Tortora, Forscher am Astronomischen Observatorium INAF-Capodimonte und Erstautor der Arbeit. „Fossile Galaxien sind wie die Dinosaurier des Universums: Ihre Untersuchung ermöglicht es uns, die Umweltbedingungen zu verstehen, unter denen sie entstanden sind, und wie sich die massereichsten Galaxien, die wir heute sehen, entwickelt haben.“

Die Galaxie, die wir in ihrem Zustand vor etwa drei Milliarden Jahren beobachten, wurde erstmals 2018 im Rahmen des KiDS-Projekts (Kilo Degree Survey) identifiziert, einer öffentlichen Durchmusterung der Europäischen Südsternwarte (ESO), die vom italienischen VST-Teleskop (VLT Survey Telescope) am Paranal-Observatorium in Chile durchgeführt wurde. Die KiDS-Bilder ermöglichten eine Schätzung der Masse und Größe der Galaxie, deren Eigenschaften durch Beobachtungen mit dem X-Shooter-Instrument am Very Large Telescope der ESO, ebenfalls in Chile, weiter charakterisiert wurden. Alle ihre Merkmale schienen darauf hinzudeuten, dass es sich um eine fossile Galaxie handelte: von ihrer Sternmasse, die etwa einhundert Milliarden Sonnenmassen entspricht, über das Fehlen von Sternentstehung während des größten Teils ihres Bestehens bis hin zu ihren Abmessungen, die kompakter sind als die von Galaxien mit gleicher Sternmasse.

Es blieben jedoch einige Unsicherheiten hinsichtlich Größe und Struktur der Galaxie bestehen. Um die Kompaktheit der Galaxie zu bestätigen, waren neue Beobachtungen mit dem Large Binocular Telescope (LBT) von entscheidender Bedeutung. Dank des adaptiven Optiksystems SOUL, das die Auswirkungen atmosphärischer Turbulenzen in Echtzeit kompensiert, konnten deutlich schärfere Bilder gewonnen werden. Die mit dem LBT gesammelten Beobachtungen der Galaxie KiDS J0842+0059 weisen einen zehnmal höheren Detailgrad auf als die Daten der KiDS-Durchmusterung: Es handelt sich um die detailreichsten Bilder einer Reliktgalaxie in dieser Entfernung und ermöglicht es uns, ihre Form und Größe wie nie zuvor zu untersuchen.

„Die Daten des Large Binocular Telescope haben es uns ermöglicht zu bestätigen, dass KiDS J0842+0059 tatsächlich kompakt und somit eine echte Reliktgalaxie ist, mit einer ähnlichen Form wie NGC 1277 und die kompakten Galaxien, die wir im frühen Universum beobachten“, erklärt Co-Autorin Chiara Spiniello, Forscherin an der Universität Oxford, INAF-Mitarbeiterin und leitende Wissenschaftlerin des INSPIRE-Projekts, die zur Charakterisierung der Eigenschaften dieser Galaxie beigetragen hat. Bislang war NGC 1277 einer der wenigen bestätigten Prototypen dieser seltenen Galaxienklasse. „Dies ist das erste Mal, dass uns dies mit so hochauflösenden Daten für eine so weit entfernte Reliktgalaxie gelungen ist.“

Die Existenz massereicher Reliktgalaxien wie KiDS J0842+0059 oder NGC 1277 zeigt, dass sich manche Galaxien schnell bilden, kompakt bleiben und dann Milliarden von Jahren inaktiv bleiben können, sodass sie dem Wachstum entgehen, das die meisten ihrer Gegenstücke durch Verschmelzungen mit anderen Galaxien erfahren haben.

„Die Untersuchung dieser kosmischen Fossilien hilft uns, die Entstehungsgeschichte der Kerne heutiger massereicher Galaxien zu rekonstruieren. Anders als Reliktgalaxien haben diese Verschmelzungsprozesse durchlaufen und Materie genau um die ersten (kompakten) Galaxien angesammelt, aus denen sie entstanden sind“, so Tortora. „Mit Spitzentechnologien wie der adaptiven Optik und der Unterstützung von Teleskopen wie dem LBT können wir unser Verständnis dieses Galaxientyps verbessern. In naher Zukunft werden wir zudem einen Schritt weiter gehen und mit den Daten des Euclid-Weltraumteleskops – einzigartiger Qualität und Auflösung – neue Reliktgalaxien suchen, bestätigen und untersuchen.“