Längster intergalaktischer Gasfaden entdeckt

Studie unter Federführung der Universität Bonn bestätigt Modelle zur Entwicklung unseres Universums. Eine Information des Argelander-Instituts für Astronomie (AIfA), Universität Bonn.

Quelle: AIfA Universität Bonn.

Mehr als die Hälfte der Materie in unserem Universum entzog sich bislang unserem Blick. Astrophysiker hatten allerdings eine Vermutung, wo sie sich aufhalten könnte: In sogenannten Filamenten, unvorstellbar großen fädigen Strukturen aus heißem Gas, die Galaxien und Galaxienhaufen umgeben und miteinander verbinden. Ein Team unter Federführung der Universität Bonn hat nun erstmals einen Gasfaden von 50 Millionen Lichtjahren Länge beobachtet. Sein Aufbau ähnelt frappierend den Vorhersagen von Computersimulationen. Die Beobachtung bestätigt daher auch unsere Vorstellungen von der Entstehung und Entwicklung unseres Universums. Die Ergebnisse erscheinen in der Zeitschrift Astronomy & Astrophysics.

Wir verdanken unsere Existenz einer winzigen Unregelmäßigkeit. Vor ziemlich genau 13,8 Milliarden Jahren kam es zu einem gewaltigen Rums, dem Urknall. Er bildet den Anfang von Raum und Zeit, aber auch von sämtlicher Materie, aus denen unser Universum heute besteht. Diese war zunächst auf einen Punkt konzentriert, dehnte sich aber rasend schnell aus – eine gigantische Gaswolke, in der die Materie nahezu gleichmäßig verteilt war.

Nahezu, aber eben nicht völlig: An manchen Stellen war die Wolke etwas dichter als an anderen. Und allein deshalb gibt es heute Planeten, Sterne und Galaxien. Denn von den dichteren Gebieten gingen etwas höhere Gravitationskräfte aus, die das Gas aus ihrer Umgebung zu sich heranzogen. Mit der Zeit konzentrierte sich in diesen Gegenden daher mehr und mehr Materie. Der Raum zwischen ihnen wurde dagegen leerer und leerer. So entstand innerhalb von gut 13 Milliarden Jahren eine Art Schwammstruktur: große „Löcher“ ohne Materie, dazwischen Bereiche, in denen sich auf engem Raum Tausende von Galaxien tummeln, so genannte Galaxienhaufen oder -cluster.

Wenn es sich tatsächlich so abgespielt hat, müssten die Galaxien und Cluster noch immer durch Reste dieses Gases verbunden sein, wie durch die hauchdünnen Fäden eines Spinnennetzes. „Berechnungen zufolge befindet sich in diesen Filamenten mehr als die Hälfte der gesamten baryonischen Materie unseres Universums – das ist die Materieform, aus der Sterne und Planeten bestehen, ebenso wie wir selber“, erklärt Prof. Dr. Thomas Reiprich vom Argelander-Institut für Astronomie der Universität Bonn. Dennoch entzog sie sich bislang unseren Blicken: Aufgrund der enormen Ausdehnung der Filamente ist das Materiegas in ihnen extrem verdünnt: Es enthält pro Kubikmeter gerade einmal zehn Teilchen – das ist sehr viel weniger, als in dem besten Vakuum vorhanden sind, das wir auf der Erde herstellen können.

Mit einem neuen Messinstrument, dem eROSITA-Weltraumteleskop, konnten Reiprich und seine Kollegen das Gas nun aber erstmals umfassend sichtbar machen. „eROSITA hat sehr empfindliche Detektoren für die Art von Röntgenstrahlung, die von dem Gas in Filamenten ausgeht“, erklärt Reiprich. „Außerdem hat es ein großes Gesichtsfeld – es bildet wie ein Weitwinkel-Objektiv einen relativ weiten Teil des Himmels in einer einzigen Messung ab, und das in sehr hoher Auflösung.“ Dadurch lassen sich in vergleichsweise geringer Zeit detaillierte Aufnahmen von derart großen Objekten anfertigen, wie es die Filamente sind.

Bestätigung des Standardmodells
Die Wissenschaftler nahmen in ihrer Studie ein Himmelsobjekt namens Abell 3391/95 unter die Lupe. Dabei handelt es sich um ein System von drei Galaxienhaufen, das rund 700 Millionen Lichtjahre von uns entfernt ist. Auf den eROSITA-Aufnahmen sind nicht nur die Haufen und zahlreiche Einzelgalaxien zu erkennen, sondern auch die Gasfäden, die diese Strukturen miteinander verbinden. Das gesamte Filament ist 50 Millionen Lichtjahre lang. Möglicherweise ist es aber noch riesiger: Die Wissenschaftler gehen davon aus, dass die Aufnahmen nur einen Ausschnitt zeigen.

„Wir haben unsere Beobachtungen mit den Ergebnissen einer Simulation verglichen, die die Entwicklung des Universums nachstellt“, erklärt Reiprich. „Die eROSITA-Bilder ähneln den computergenerierten Grafiken frappierend. Das spricht dafür, dass das weithin akzeptierte Standardmodell zur Entwicklung des Universums korrekt ist.“ Vor allem zeigen die Daten aber, dass sich die fehlende Materie wohl tatsächlich in den Filamenten verbirgt.

Reiprich ist auch Mitglied des Transdisziplinären Forschungsbereichs (TRA) „Bausteine der Materie und grundlegende Wechselwirkungen“ der Universität Bonn. In sechs verschiedenen TRAs kommen Wissenschaftler aus den unterschiedlichsten Fakultäten und Disziplinen zusammen, um gemeinsam an zukunftsrelevanten Forschungsthemen der Exzellenzuniversität zu arbeiten.

Beteiligte Institutionen und Förderung
An der Studie waren fast 50 Wissenschaftler aus Institutionen in Deutschland, den USA, der Schweiz, Chile, Australien, Spanien, Südafrika und Japan beteiligt.

eROSITA wurde mit Mitteln der Max-Planck-Gesellschaft und des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) entwickelt. Das Teleskop wurde im vergangenen Jahr an Bord eines russisch-deutschen Satelliten ins All geschossen, dessen Bau durch die russische Weltraumagentur Roskosmos unterstützt wurde. Die aktuelle Studie wurde durch mehrere Forschungsförderorganisationen in den beteiligten Ländern gefördert.

Bei dieser Arbeit kamen auch die Dark Energy Camera (DECam) am 4-Meter-Teleskop Víctor M. Blanco am Interamerikanischen Observatorium Cerro Tololo, ein Programm des NOIRLab der NSF, und das von der CSIRO (Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation) gebaute und betriebene Australian Square Kilometre Array Pathfinder (ASKAP) Teleskop zum Einsatz.

Publikation:
T.H. Reiprich u.a.: The Abell 3391/95 galaxy cluster system: A 15 Mpc intergalactic medium emission filament, a warm gas bridge, infalling matter clumps, and (re-) accelerated plasma discovered by combining eROSITA data with ASKAP/EMU and DECam data. Astronomy & Astrophysics,
DOI: 10.1051/0004-6361/202039590

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