Viele Spiralgalaxien, auch unsere Milchstraße, haben in ihrem Zentrum einen Balken: eine langgezogene Struktur aus Sternen, die Gas und Staub nach innen lenkt und so Sternentstehung und das Wachstum des zentralen Schwarzen Lochs antreibt. Ein internationales Team hat einen solchen Balken nun in der Galaxie GN20 gefunden, die wir so sehen, wie sie war, als das Universum erst etwa 1,5 Milliarden Jahre alt war – heute sind es rund 13,8 Milliarden. Möglich machte das die Kombination aus dem Millimeterwellen-Interferometer NOEMA in den französischen Alpen und dem James-Webb-Weltraumteleskop.

Das Institut für Radioastronomie im Millimeterbereich (IRAM) hat die Ergebnisse am 15. Oktober als wissenschaftliches Highlight vorgestellt, das Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR) in Bonn folgte am 16. Oktober unter dem Titel „Unerwartet junge Galaxie mit Balken entdeckt“. Die zugrunde liegenden Fachartikel von Leindert Boogaard (Sternwarte Leiden) und Kollegen sind bereits 2026 im Astrophysical Journal und in den Astrophysical Journal Letters erschienen. Überraschend ist der Fund, weil GN20 extrem gasreich ist – und Gas nach klassischer Vorstellung die Bildung von Balken eher bremst.

GN20: eine staubverhüllte Sternentstehungsmaschine

GN20 liegt im Himmelsfeld GOODS-North und hat eine Rotverschiebung von z = 4,055. Die Galaxie gilt als hellstes Mitglied eines Protohaufens, also einer jungen Ansammlung von Galaxien. Sie bildet Sterne in enormem Tempo: Aus ihrer Infrarothelligkeit leiten die Autoren eine Sternentstehungsrate von mehr als 1.000 Sonnenmassen pro Jahr ab. Den Treibstoff liefert ein außergewöhnlich großes Reservoir an molekularem Gas von rund 290 Milliarden Sonnenmassen. Nach Angaben des IRAM steckt in GN20 fast dreimal so viel Masse in Gas wie in Sternen; die Sternmasse schätzen die Autoren auf etwa 100 Milliarden Sonnenmassen, allerdings mit großer Unsicherheit.

Gleichzeitig ist GN20 stark in Staub gehüllt, der das Licht der Sterne vor allem bei kurzen Wellenlängen kräftig abschwächt. Eine frühere Webb-Studie unter Leitung von Luis Colina hatte 2023 bereits eine ausgedehnte Sternhülle und Hinweise auf eine Wechselwirkung oder Verschmelzung mit einer anderen Galaxie gefunden. Ein Balken war in diesen ersten MIRI-Aufnahmen zunächst nicht aufgefallen.

Erst im Staub, dann in den Sternen: so tauchte der Balken auf

Den ersten Hinweis lieferte NOEMA. Das Observatorium auf dem Plateau de Bure besteht aus zwölf Antennen mit je 15 Metern Durchmesser, die per Interferometrie wie ein einziges großes Teleskop zusammenarbeiten. In hochaufgelösten Aufnahmen bei 1,1 Millimetern Wellenlänge, die die Strahlung des kalten Staubs einfangen, zeigte sich laut IRAM eine balkenartige Struktur. Der Staub erstreckt sich über die gesamte Scheibe der Galaxie – nach der ApJ-Studie rund 14 Kiloparsec im Durchmesser –, auch wenn seine Emission auf den ersten Blick kompakt wirkt. Eine unabhängige Abschätzung der Gasmasse stammt aus einem Strahlungstransportmodell, das Axel Weiß vom MPIfR beigesteuert hat.

Ein Staubbalken allein belegt aber noch keinen Balken aus Sternen. Den Nachweis dafür lieferte erst das Instrument MIRI des James-Webb-Teleskops. Bei 5,6 Mikrometern Wellenlänge sieht es – wegen der kosmischen Rotverschiebung – Sternlicht, das ursprünglich bei rund 1,1 Mikrometern ausgesandt wurde. Solches langwelliges Licht wird von Staubkörnern weniger behindert als kürzerwelliges. In diesen Daten zeigt sich ein Sternbalken, der räumlich mit der Staubstruktur zusammenfällt. Unterhalb von etwa 4 Mikrometern Beobachtungswellenlänge ist von ihm dagegen nichts zu sehen, was die Autoren auf die extreme Abschwächung durch Staub zurückführen.

Nach der Auswertung in den Astrophysical Journal Letters ist der Balken – um die Neigung der Scheibe korrigiert – rund sieben Kiloparsec lang, also etwa 23.000 Lichtjahre. Die Sterne darin sind nach groben Modellrechnungen etwa 300 Millionen Jahre alt. Besonders intensiv entstehen neue Sterne im Zentrum der Galaxie und dort, wo der Balken im Süden auf die umgebende Scheibe trifft.

Symbolbild: Die nahe Balkenspiralgalaxie NGC 1300 mit hellem, langgestrecktem Sternbalken im Zentrum und Spiralarmen, aufgenommen vom Weltraumteleskop Hubble

Symbolbild: So sieht ein Balken in einer heutigen Galaxie aus – die Balkenspiralgalaxie NGC 1300 im Sternbild Eridanus, aufgenommen von Hubble. GN20 selbst ist viel weiter entfernt und stark von Staub verhüllt. Bild: NASA, ESA und The Hubble Heritage Team (STScI/AURA), gemeinfrei, via Wikimedia Commons

Warum Gas eigentlich gegen einen Balken spricht

Nach dem klassischen Bild entstehen Balken in Scheibengalaxien, die von Sternen dominiert werden, durch eine langsame, sogenannte säkulare Instabilität der Scheibe. Lange Balken wachsen dabei nur gemächlich. Viel Gas gilt in diesem Bild als Störfaktor: Mehrere Simulationsstudien seit den 2000er-Jahren, die das Team zitiert, kamen zu dem Schluss, dass Gas die Bildung eines Balkens verzögert oder ganz unterdrückt. Junge Galaxien im frühen Universum waren aber typischerweise sehr gasreich. Balken hätte man dort deshalb selten erwartet.

GN20 ist ein Extremfall dieser Gasreichtum-Frage. Nach den Messungen machen Gas und Sterne im untersuchten Bereich rund 72 Prozent der Masse aus, die Dunkle Materie ist dort also in der Minderheit. Vom Anteil aus normaler Materie entfallen wiederum etwa 74 Prozent auf Gas. Beide Werte sind mit großen Fehlerbalken von rund 25 bis 34 Prozentpunkten behaftet, zeigen aber klar eine gasdominierte Scheibe.

Neuere Simulationen, unter anderem von Ko-Autor Joss Bland-Hawthorn, zeichnen ein anderes Bild: In Scheiben, die von normaler Materie dominiert sind und viel Gas enthalten, können Balken sehr schnell entstehen, innerhalb weniger hundert Millionen Jahre. Je höher der Gasanteil, desto früher setzt die Balkenbildung in diesen Modellen ein. GN20 passt dazu. Bland-Hawthorn fasst den Unterschied zu heutigen Galaxien in der IRAM-Mitteilung mit dem Satz „The gas is in charge!“ zusammen – sinngemäß: Hier hat das Gas das Sagen. Der Vergleich mit den Simulationen hat allerdings Grenzen, die die Autoren selbst nennen: Die simulierte Galaxie ist weniger massereich als GN20, und die Balkenlänge hängt vom gewählten Modell ab.

Nicht der erste ferne Balken, aber ein besonderer

Dass es Balken schon früh gab, ist nicht neu. In den vergangenen Jahren wurden – vor allem mit Webb – mehrere Balkengalaxien bis zu Rotverschiebungen um 4 gefunden, dazu Kandidaten bei noch größeren Entfernungen, die aber nur in Gas und Staub oder in gravitationslinsenverzerrten Bildern zu sehen waren. Die Autoren beanspruchen deshalb bewusst keinen Entfernungsrekord. Sie sprechen vom frühesten direkten Nachweis eines Sternbalkens in einer Galaxie, deren hoher Gasanteil auch tatsächlich gemessen ist.

Was noch offen ist

Die wichtigste offene Frage betrifft die Bewegung des Gases. Ein Balken sollte Gas auf charakteristischen Bahnen nach innen lenken. Die bisherigen Messungen des Kohlenmonoxids in GN20 sind dafür nicht empfindlich genug. Weitere NOEMA-Beobachtungen der Gaskinematik sollen klären, wie sich das Gas im Balken bewegt und ob er tatsächlich Material ins Zentrum schaufelt.

Daran hängt eine größere Frage der Galaxienentwicklung: Wenn Balken in gasreichen Galaxien schnell und effizient entstehen, könnten sie den Gaszufluss ins Zentrum beschleunigen, dort Sternentstehung anfachen und womöglich dazu beitragen, dass massereiche Galaxien später keine neuen Sterne mehr bilden. Das ist bislang eine Hypothese. Offen ist auch, was den Balken in GN20 ausgelöst hat. Eine Begleitgalaxie halten die Autoren für zu schnell und zu weit entfernt, um den Balken angestoßen zu haben; eine vorangegangene Verschmelzung können sie aber nicht ausschließen. Ob der Balken in einer zentralen Verdickung aufgeht oder bestehen bleibt, lässt sich aus einer Momentaufnahme ebenfalls nicht ablesen. Und schließlich sind die Sternmassen und -alter stark modellabhängig – auch das betonen die Autoren.

Quellen

Bildnachweis