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James-Webb zeigt, wie Gaswinde in ruhende Galaxien zurückkehren
Massereiche ruhende Galaxien im jungen Universum zeigen häufig Signaturen von interstellarem neutralem Gas. In Spektren des James-Webb-Weltraumteleskops (JWST) von 23 Systemen fanden Astronomen bei 13 auffällige Natrium-Absorptionen, sieben davon weisen nach außen gerichtete Gasbewegungen auf. Meist dürfte das ausströmende Gas der Schwerkraft jedoch nicht entkommen, sondern nach wenigen bis hunderten Millionen Jahren zurückfallen und so einen galaktischen Kreislauf bilden.
Kongens Lyngby (Dänemark). Massereiche Galaxien können schon früh im Kosmos ihre Sternbildung stark drosseln. Wie sie in diesen ruhenden Zustand gelangen und ihn über lange Zeit halten, ist jedoch nicht vollständig geklärt. Eine zentrale Frage ist, was mit dem kalten Gas geschieht, aus dem neue Sterne entstehen könnten.
Ausströmungen könnten dieses Material aus dem Zentrum forttragen und dadurch die Sternbildung bremsen. Entscheidend ist aber, ob das Gas die Galaxie tatsächlich verlässt oder von ihrer Schwerkraft zurückgeholt wird. Im zweiten Fall wäre der Wind kein endgültiger Gasverlust, sondern Teil eines wiederkehrenden Kreislaufs.
Forscher der Technical University of Denmark (DTU) um Pengpei Zhu haben nun 23 massereiche ruhende Galaxien bei Rotverschiebungen von 2,82 bis 4,61 untersucht. Ihre Sternmassen reichen von rund 13 Milliarden bis knapp 400 Milliarden Sonnenmassen. Die Daten stammen aus dem DeepDive-Programm mit dem JWST und kombinieren Spektren des Instruments Near-Infrared Spectrograph (NIRSpec) mit Aufnahmen der Near-Infrared Camera (NIRCam).
Als Spur des neutralen Gases nutzte das Team die Natrium-D-Doppellinie bei rund 589 Nanometern. Weil Natrium auch in Sternatmosphären absorbiert, modellierten die Forscher zunächst das Sternlicht und zogen diesen Anteil vom Spektrum ab. Eine danach verbleibende, zu kürzeren Wellenlängen verschobene Absorption zeigt Gas an, das sich auf der Vorderseite der Galaxie auf den Beobachter zubewegt und damit aus der Galaxie strömt.
Bei 13 der 23 Galaxien fanden die Astronomen zusätzliche Natrium-D-Absorption. Sieben Systeme, entsprechend 30 Prozent der gesamten Stichprobe, zeigen eine Blauverschiebung von mindestens rund 150 Kilometern pro Sekunde und damit Hinweise auf neutrale Ausströmungen. Zwei der höchsten Geschwindigkeiten treten allerdings in einem verschmelzenden Galaxienpaar auf, sodass Wechselwirkungen einen Teil der Bewegung mitverursachen könnten.
Für die Natrium-D-Systeme schätzte das Team außerdem, wie viel Gas pro Jahr nach außen transportiert wird. Das extremste Objekt erreicht rechnerisch eine zentrale Rate von rund 480 Sonnenmassen pro Jahr und fällt zugleich mit einem im Röntgenlicht nachgewiesenen aktiven galaktischen Kern (AGN) zusammen. Solche Werte sind jedoch modellabhängig. Die Umrechnung von Natrium-Absorption in Gasmassen erfordert Annahmen über Geometrie, Ausströmungsradius und den Ionisationszustand des Natriums, die teilweise auf Beobachtungen im nahen Universum beruhen.
Hohe Ausströmraten bedeuten deshalb noch nicht, dass das Gas dauerhaft verloren geht. Die Forscher verglichen die geschätzten Geschwindigkeiten mit einfachen Modellen der Gravitationswirkung der Galaxien und ihrer Dunkle-Materie-Halos. Dabei bleiben die meisten beobachteten Ausströmungen gebunden, solange das Gas nicht bereits in sehr großer Entfernung vom Zentrum startet.
Je nach angenommener Startentfernung und Massenverteilung ergibt sich für gebundenes Gas eine Rückkehrzeit von etwa drei bis 180 Millionen Jahren. Diese Zeiten sind Modellwerte und keine direkt gemessenen Umlaufzeiten. Das Ergebnis spricht dafür, dass ein erheblicher Teil des neutralen Gases als galaktischer Brunnen nach außen gelangt und später wieder in die Galaxie zurückkehrt.
Bei sämtlichen Galaxien mit zusätzlicher Natrium-D-Absorption fanden die Forscher außerdem Emissionslinien oder Röntgensignale, die mit aktiven galaktischen Kernen vereinbar sind. Trotzdem zeigt die Stichprobe keinen starken Zusammenhang zwischen aktuell aktiven