Nachweis von Fluor in bisher entferntester sternbildender Galaxie

Eine neue Entdeckung gibt Aufschluss darüber, wie Fluor – ein Element, das in unseren Knochen und Zähnen als Fluorid vorkommt – im Universum entsteht. Mit Hilfe des Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array (ALMA), an dem die Europäische Südsternwarte (ESO) beteiligt ist, hat ein Team von Astronomen dieses Element in einer Galaxie entdeckt, die so weit entfernt ist, dass ihr Licht über 12 Milliarden Jahre gebraucht hat, um uns zu erreichen. Dies ist das erste Mal, dass Fluor in einer so weit entfernten sternbildenden Galaxie entdeckt wurde.

In einer Presseinformation informiert die ESO über die neue Entdeckung. „Wir alle kennen Fluor, denn die Zahnpasta, die wir täglich benutzen, enthält es in Form von Fluorid", sagt Maximilien Franco von der Universität Hertfordshire im Vereinigten Königreich, der die neue Studie leitete, die gerade in Nature Astronomy veröffentlicht wurde. Wie die meisten Elemente, die uns umgeben, entsteht Fluor im Inneren von Sternen. Bis jetzt war allerdings nicht genau bekannt, wie dieses Element erzeugt wird. „Wir wussten nicht einmal, welche Art von Sternen den Großteil des Fluors im Universum produziert!"

Künstlerische Darstellung der Galaxie NGP-190387, Quelle: ESA 

Franco und seine Mitwirkenden entdeckten Fluor (in Form von Fluorwasserstoff) in den großen Gaswolken der weit entfernten Galaxie NGP-190387, die wir so sehen, wie sie war, als das Universum nur 1,4 Milliarden Jahre alt war, etwa 10 % seines heutigen Alters. Da Sterne die Elemente, die sie in ihren Kernen bilden, am Ende ihres Lebens ausstoßen, bedeutet diese Entdeckung, dass die Sterne, die Fluor erzeugt haben, früh gelebt haben müssen und schnell gestorben sind.

Das Team geht davon aus, dass Wolf-Rayet-Sterne, sehr massereiche Sterne, die nur wenige Millionen Jahre alt sind – ein Wimpernschlag in der Geschichte des Universums –, die wahrscheinlichsten Produktionsstätten von Fluor sind. Sie werden benötigt, um die Mengen an Fluorwasserstoff zu erklären, die das Team entdeckt hat, sagen sie. Wolf-Rayet-Sterne wurden schon früher als mögliche Quellen für kosmisches Fluor vorgeschlagen, aber Astronomen wussten bis jetzt nicht, wie wichtig sie für die Produktion dieses Elements im frühen Universum waren.

„Wir haben gezeigt, dass Wolf-Rayet-Sterne, die zu den massereichsten bekannten Sternen gehören und am Ende ihres Lebens heftig explodieren können, uns in gewisser Weise helfen, unsere Zähne gesund zu erhalten", scherzt Franco.

Neben diesen Sternen sind in der Vergangenheit auch andere Szenarien für die Entstehung und den Ausstoß von Fluor vorgeschlagen worden. Ein Beispiel sind die Pulsationen riesiger, älterer Sterne mit einer Masse, die nur wenige Male so groß ist wie die unserer Sonne, so genannte asymptotische Riesensterne. Das Team ist jedoch der Ansicht, dass diese Szenarien die Menge an Fluor in NGP-190387 nicht vollständig erklären können, da einige von ihnen Milliarden von Jahren benötigen.

„Bei dieser Galaxie dauerte es nur einige Dutzend oder Hunderte Millionen Jahre, um Fluorwerte zu erreichen, die mit denen von Sternen in der Milchstraße vergleichbar sind und 13,5 Milliarden Jahre alt sind. Das war ein völlig unerwartetes Ergebnis", sagt Chiaki Kobayashi, Professor an der Universität von Hertfordshire. „Unsere Messung liefert einen völlig neuen Hinweis auf die Herkunft von Fluor, das seit zwei Jahrzehnten untersucht wird."

Der Fund in NGP-190387 ist eine der ersten Entdeckungen von Fluor außerhalb der Milchstraße und ihrer Nachbargalaxien. Astronominnen und Astronomen haben dieses Element bereits in weit entfernten Quasaren entdeckt, hellen Objekten, die von supermassereichen schwarzen Löchern im Zentrum einiger Galaxien angetrieben werden. Aber noch nie zuvor wurde dieses Element in einer sternbildenden Galaxie so früh in der Geschichte des Universums beobachtet.

Der Nachweis von Fluor war eine Zufallsentdeckung des Teams, die dank des Einsatzes von Observatorien im Weltraum und am Erdboden möglich wurde. NGP-190387, die ursprünglich mit dem Herschel-Weltraumobservatorium der Europäischen Weltraumorganisation entdeckt und später mit dem chilenischen ALMA beobachtet wurde, ist für ihre Entfernung außerordentlich hell. Die ALMA-Daten bestätigten, dass die außergewöhnliche Helligkeit von NGP-190387 zum Teil durch eine andere bekannte massereiche Galaxie verursacht wird, die sich zwischen NGP-190387 und der Erde befindet und sehr nahe an der Sichtlinie liegt. Diese massereiche Galaxie verstärkte das von Franco und seinen Mitarbeitern beobachtete Licht und ermöglichte es ihnen, die schwache Strahlung zu erkennen, die vor Milliarden von Jahren vom Fluor in NGP-190387 ausgesandt wurde.

Künftige Untersuchungen von NGP-190387 mit dem Extremely Large Telescope (ELT), dem neuen Spitzenprojekt der ESO, das derzeit in Chile gebaut wird und noch in diesem Jahrzehnt in Betrieb gehen soll, könnten weitere Geheimnisse dieser Galaxie lüften. „ALMA ist empfindlich für Strahlung, die von kaltem interstellarem Gas und Staub ausgeht", sagt Chentao Yang, ein ESO-Fellow in Chile. „Mit dem ELT werden wir in der Lage sein, NGP-190387 durch das unmittelbar von den Sternen ausgehende Licht zu beobachten und so entscheidende Informationen über den Sterngehalt dieser Galaxie zu gewinnen."

Eine neue Entdeckung gibt Aufschluss darüber, wie Fluor – ein Element, das in unseren Knochen und Zähnen als Fluorid vorkommt – im Universum entsteht. Mit Hilfe des Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array (ALMA), an dem die Europäische Südsternwarte (ESO) beteiligt ist, hat ein Team von Astronomen dieses Element in einer Galaxie entdeckt, die so weit entfernt ist, dass ihr Licht über 12 Milliarden Jahre gebraucht hat, um uns zu erreichen. Dies ist das erste Mal, dass Fluor in einer so weit entfernten sternbildenden Galaxie entdeckt wurde.

Diese Untersuchungen wurden in der Veröffentlichung „The ramp-up of interstellar medium enrichment at z > 4" vorgestellt, die in Nature Astronomy erscheint.

Das Team besteht aus M. Franco (Centre for Astrophysics Research, University of Hertfordshire, UK [CAR]), K. E. K. Coppin (CAR), J. E. Geach (CAR), C. Kobayashi (CAR), S. C. Chapman (Department of Physics and Atmospheric Science, Dalhousie University, Canada and National Research Council, Herzberg Astronomy and Astrophysics, Canada), C. Yang (Europäische Südsternwarte, Chile), E. González-Alfonso (Universidad de Alcalá, Departamento de Física y Matematicas, Spanien), J. S. Spilker ( Department of Astronomy, University of Texas at Austin, USA), A. Cooray (Department of Physics and Astronomy, University of California, Irvine, USA), M. J. Michałowski (Astronomical Observatory Institute, Faculty of Physics, Polen).