Quelle: NASA / Jet Propulsion Laboratory, 26. Januar 2026

Dank der beispiellosen Empfindlichkeit des Webb-Teleskops erfahren Wissenschaftler immer mehr über den Einfluss der Dunklen Materie auf Sterne, Galaxien und sogar Planeten wie die Erde. Wissenschaftler haben anhand von Daten des James-Webb-Weltraumteleskops der NASA eine der detailliertesten und hochauflösendsten Karten der Dunklen Materie erstellt, die jemals erstellt wurde. Sie zeigt, wie sich das unsichtbare, geisterhafte Material mit „normaler“ Materie überlagert und verflechten, aus der Sterne, Galaxien und alles, was wir sehen können, bestehen. Die Karte, die am Montag, dem 26. Januar, in Nature Astronomy veröffentlicht wurde, baut auf früheren Forschungen auf und liefert zusätzliche Bestätigungen und neue Details darüber, wie dunkle Materie das Universum im größten Maßstab – Galaxienhaufen mit einem Durchmesser von Millionen von Lichtjahren – geprägt hat, aus denen letztlich Galaxien, Sterne und Planeten wie die Erde entstanden sind.

„Dies ist die größte Karte der Dunklen Materie, die wir mit Webb erstellt haben, und sie ist doppelt so scharf wie alle anderen Karten der Dunklen Materie, die von anderen Observatorien erstellt wurden“, sagte Diana Scognamiglio, Hauptautorin der Studie und Astrophysikerin am Jet Propulsion Laboratory der NASA in Südkalifornien. „Bisher hatten wir nur ein verschwommenes Bild der Dunklen Materie. Dank der unglaublichen Auflösung von Webb sehen wir nun die unsichtbare Struktur des Universums in atemberaubender Detailgenauigkeit.“

Dunkle Materie strahlt kein Licht aus, reflektiert es nicht, absorbiert es nicht und blockiert es auch nicht, sondern durchdringt normale Materie wie ein Geist. Aber sie interagiert mit dem Universum durch die Schwerkraft, was die Karte mit einer neuen Klarheit zeigt. Der Beweis für diese Interaktion liegt im Grad der Überlappung zwischen dunkler Materie und normaler Materie. Laut den Autoren der Studie bestätigen die Beobachtungen von Webb, dass diese enge Übereinstimmung kein Zufall sein kann, sondern darauf zurückzuführen ist, dass die Schwerkraft der dunklen Materie im Laufe der kosmischen Geschichte normale Materie zu sich hinzieht.

„Wo immer wir einen großen Cluster aus Tausenden von Galaxien sehen, sehen wir auch eine ebenso große Menge an dunkler Materie am selben Ort. Und wenn wir eine dünne Kette aus normaler Materie sehen, die zwei dieser Cluster verbindet, sehen wir auch eine Kette aus dunkler Materie“, sagte Richard Massey, Astrophysiker an der Durham University im Vereinigten Königreich und Mitautor der neuen Studie. „Es ist nicht nur so, dass sie die gleiche Form haben. Diese Karte zeigt uns, dass dunkle Materie und normale Materie immer am selben Ort waren. Sie sind zusammen gewachsen.“

Genauer betrachtet

Das Gebiet, das von der neuen Karte abgedeckt wird, befindet sich im Sternbild Sextans und ist etwa 2,5 Mal so groß wie der Vollmond. Eine weltweite Gemeinschaft von Wissenschaftlern hat diese Region mit mindestens 15 bodengestützten und weltraumgestützten Teleskopen für die Cosmic Evolution Survey (COSMOS) beobachtet. Ihr Ziel: die Position der regulären Materie hier genau zu messen und sie dann mit der Position der dunklen Materie zu vergleichen. Die erste Karte der dunklen Materie in diesem Gebiet wurde 2007 unter Verwendung von Daten des Hubble-Weltraumteleskops der NASA erstellt, einem Projekt unter der Leitung von Massey und dem JPL-Astrophysiker Jason Rhodes, einem Mitautor der Veröffentlichung.

Webb beobachtete diese Region insgesamt etwa 255 Stunden lang und identifizierte fast 800.000 Galaxien, von denen einige zum ersten Mal entdeckt wurden. Scognamiglio und ihre Kollegen suchten dann nach dunkler Materie, indem sie beobachteten, wie ihre Masse den Raum selbst krümmt, was wiederum das Licht von fernen Galaxien auf seinem Weg zur Erde ablenkt. Bei der Beobachtung durch die Forscher wirkt es so, als ob das Licht dieser Galaxien durch eine gekrümmte Fensterscheibe gefallen wäre.

Die Webb-Karte enthält etwa zehnmal mehr Galaxien als Karten des Gebiets, die von bodengestützten Observatorien erstellt wurden, und doppelt so viele wie die von Hubble. Sie zeigt neue Ansammlungen dunkler Materie und liefert eine höherauflösende Ansicht der zuvor von Hubble beobachteten Gebiete. Um die Entfernungsmessungen zu vielen Galaxien für die Karte zu verfeinern, verwendete das Team das Mid-Infrared Instrument (MIRI) von Webb, das vom JPL entwickelt und bis zum Start betreut wurde, zusammen mit anderen Weltraum- und bodengestützten Teleskopen. Dank der von MIRI erfassten Wellenlängen eignet es sich auch hervorragend zur Erkennung von Galaxien, die durch kosmische Staubwolken verdeckt sind.

Warum das wichtig ist

Als das Universum entstand, waren normale Materie und dunkle Materie wahrscheinlich nur spärlich verteilt. Wissenschaftler glauben, dass sich die dunkle Materie zuerst zu Klumpen zusammenballte und dass diese Klumpen dann normale Materie anzogen, wodurch Regionen mit genügend Material entstanden, in denen sich Sterne und Galaxien bilden konnten. Auf diese Weise bestimmte die dunkle Materie die großräumige Verteilung der Galaxien im Universum. Indem sie die Entstehung von Galaxien und Sternen früher als sonst ausgelöst hat, trug die Dunkle Materie auch dazu bei, die Voraussetzungen für die spätere Entstehung von Planeten zu schaffen. Denn die ersten Generationen von Sternen waren dafür verantwortlich, Wasserstoff und Helium – die den größten Teil der Atome im frühen Universum ausmachten – in die vielfältigen Elemente umzuwandeln, aus denen heute Planeten wie die Erde bestehen. Mit anderen Worten: Die Dunkle Materie verschaffte komplexen Planeten mehr Zeit für ihre Entstehung.

„Diese Karte liefert einen weiteren Beweis dafür, dass es ohne Dunkle Materie in unserer Galaxie möglicherweise keine Elemente gäbe, die das Entstehen von Leben ermöglicht hätten“, so Rhodes. „Dunkle Materie ist nichts, was wir in unserem Alltag auf der Erde oder sogar in unserem Sonnensystem antreffen, aber sie hat uns definitiv beeinflusst.“

Scognamiglio und einige ihrer Co-Autoren werden die Dunkle Materie auch mit dem kommenden Nancy Grace Roman Space Telescope der NASA über einem Gebiet kartieren, das 4.400 Mal größer ist als die COSMOS-Region. Zu den wichtigsten wissenschaftlichen Zielen von Roman gehört es, mehr über die grundlegenden Eigenschaften der Dunklen Materie zu erfahren und darüber, wie sie sich im Laufe der kosmischen Geschichte verändert haben oder auch nicht. Die Karten von Roman werden jedoch die räumliche Auflösung von Webb nicht übertreffen. Eine detailliertere Untersuchung der dunklen Materie wird nur mit einem Teleskop der nächsten Generation möglich sein, wie dem Habitable Worlds Observatory, dem nächsten Flaggschiff-Konzept der NASA im Bereich der Astrophysik.

Mehr über Webb

Das James Webb Space Telescope löst Geheimnisse in unserem Sonnensystem, blickt über diese hinaus auf ferne Welten um andere Sterne und erforscht die mysteriösen Strukturen und Ursprünge unseres Universums und unseren Platz darin. Webb ist ein internationales Programm unter der Leitung der NASA mit ihren Partnern ESA (Europäische Weltraumorganisation) und CSA (Kanadische Weltraumagentur).

Weitere Informationen über Webb finden Sie unter: https://science.nasa.gov/webb

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• Dunkle Materie

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Quelle: ESA/Science&Exploration, 1. August 2025

Das hier gezeigte Feld, das als MIRI Deep Imaging Survey (MIDIS) Region bekannt ist, wurde mit dem kurzwelligsten Filter des Mid-Infrared Instrument (MIRI) von Webb fast 100 Stunden lang beobachtet. Dies ist die bisher längste Beobachtung eines extragalaktischen Feldes mit einem einzelnen Filter, die einen der tiefsten Blicke auf das Universum ermöglicht, die jemals gewonnen wurden. In Kombination mit den Daten der Nahinfrarotkamera (NIRCam) von Webb ermöglicht dieses Bild den Astronomen zu erforschen, wie sich Galaxien über Milliarden von Jahren gebildet und entwickelt haben.
Diese tiefen Beobachtungen haben mehr als 2500 Strahlungsquellen in diesem winzigen Bereich des Himmels aufgedeckt. Darunter befinden sich Hunderte von extrem roten Galaxien – einige davon sind wahrscheinlich massive, staubverdeckte Systeme oder entwickelte Galaxien mit reifen Sternen, die sich früh in der Geschichte des Universums gebildet haben. Dank der scharfen Auflösung von Webb, selbst im mittleren Infrarotbereich, können die Forscher die Strukturen vieler dieser Galaxien auflösen und untersuchen, wie ihr Licht verteilt wird, was Aufschluss über ihr Wachstum und ihre Entwicklung gibt.
In diesem Bild verdeutlichen die Farben, die den verschiedenen Wellenlängen des Infrarotlichts zugeordnet wurden, die feinen Nuancen, die Astronomen mit diesen genauen Daten machen können. Orange und Rot stehen für die längsten Wellenlängen im mittleren Infrarot. Die Galaxien in diesen Farben weisen zusätzliche Merkmale auf – wie hohe Staubkonzentrationen, rege Sternentstehung oder einen aktiven galaktischen Kern (AGN) in ihrem Zentrum -, die mehr von diesem weiter entfernten Infrarotlicht aussenden. Kleine, grünlich-weiße Galaxien sind besonders weit entfernt und haben eine hohe Rotverschiebung. Dadurch verschiebt sich ihr Lichtspektrum in die Wellenlängen des mittleren Infrarots, die in den Daten weiß und grün dargestellt sind. Den meisten Galaxien in diesem Bild fehlt eine solche Verstärkung im mittleren Infrarot, so dass sie bei den kürzeren Wellenlängen des nahen Infrarots am hellsten sind, die in den Farben Blau und Cyan dargestellt sind.
Mit der Rückkehr zu diesem alten Feld, das durch das NASA/ESA Hubble Space Telescope berühmt wurde, setzt Webb die Tradition des Deep Field fort und erweitert sie – es enthüllt neue Details, deckt bisher verborgene Galaxien auf und bietet neue Einblicke in die Entstehung der ersten kosmischen Strukturen.

CREDIT: ESA/Webb, NASA & CSA, G. Östlin, P. G. Perez-Gonzalez, J. Melinder, the JADES Collaboration, M. Zamani (ESA/Webb)
LICENCE: CC BY 4.0 INT oder ESA Standard Licence

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• JWST – James Webb Space Telescope

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Quelle: ISTA 10. Juli 2024.

10. Juli 2024 – Wie jeden Tag herrscht am Campus des Institute of Science and Technology Austria (ISTA) rege Betriebsamkeit. Zwischen Experimenten und Simulationen treffen sich die Forscher:innen und diskutieren. Die tickende Uhr erinnert stets daran, dass die nächste Entdeckung vielleicht schon um die Ecke lauert. Doch dies ist kein gewöhnlicher Tag. Kurz zuvor hatte die NASA bekannt gegeben, dass ein neues Weltraumteleskop namens UVEX (UltraViolet EXplorer) für den Start im Jahr 2030 ausgewählt wurde. UVEX, eine große internationale Zusammenarbeit unter der Leitung von Caltech-Forscher:innen, wird das ultraviolette (UV) Licht im gesamten Himmel vermessen. Assistenzprofessorin Ylva Götberg, eine der ersten Astrophysiker:innen am ISTA, war von Anfang an beteiligt an der Entwicklung des wissenschaftlichen Konzepts für das neue Teleskop. Sie kann ihre Begeisterung kaum verbergen: „Unser Projekt stand ein Jahr lang mit einem anderen Weltraumteleskop-Projekt im Wettbewerb, während die NASA beide Projekte evaluierte. Wir freuen uns sehr, dass UVEX ausgewählt wurde.“ UVEX wird eine seit langem bestehende wissenschaftliche Lücke in der Ultraviolett-Astronomie schließen.

Heiße Sterne, Galaxien und vergangene UV-Missionen
„Der ultraviolette Wellenlängenbereich ist der Spektralbereich für die Stellarastronomie“, sagt Götberg, eine Spezialistin für Doppelsterne. Kurz vor ihrer Geburt oder ihrem Tod erreichen Sterne extreme Temperaturen – etwa das 20-fache der Sonne – und erlangen mit ihren energiereichen UV-Strahlungsemissionen neue Spitzenwerte. Daher sind UV-Messungen von entscheidender Bedeutung für die Untersuchung der Temperatur, der Zusammensetzung und der Entwicklung der heißen Sterne. „Seit etwa 20 Jahren fehlen uns jedoch umfangreiche UV-Daten“, so Götberg. „Es ist, als ob wir auf einem Auge blind sind, wenn wir durch das Weltall blicken.“ Die Gründe für diese wissenschaftliche ‚Einäugigkeit‘ sind komplex.

Zum Glück für das Leben auf der Erde filtert unsere Atmosphäre das meiste UV-Licht aus dem All heraus. Dies bedeutet aber auch, dass UV-Messungen in der Astronomie vom Weltraum aus durchgeführt werden müssen. Zu den jüngsten bedeutenden Weltraumteleskopen, die UV-Wellenlängen gemessen haben, gehören das Hubble-Weltraumteleskop, eines der Flaggschiff-Teleskope der NASA und der ESA, das seit 1990 in Betrieb ist, und der Far Ultraviolet Spectroscopic Explorer (FUSE). FUSE war zwischen 1999 und 2007 in Betrieb und ergänzte die Messungen von Hubble im Bereich des nahen UV durch seine eigenen Daten im fernen UV. Ein weiteres wichtiges UV-Teleskop war der International Ultraviolet Explorer (IUE), der zwischen 1978 und 1996 in Betrieb war. Das inzwischen 34 Jahre alte Hubble hatte jedoch zunehmend technische Schwierigkeiten, seine Ziele anzuvisieren. Daher kündigte die NASA im Juni dieses Jahres an, den Betriebsmodus von Hubble zu ändern, um sicherzustellen, dass es bis in die 2030er Jahre hinein den Himmel untersuchen kann. Andererseits wurden die neuen Großteleskope – wie das James-Webb-Weltraumteleskop, das Euclid der ESA und das Nancy-Grace-Roman-Weltraumteleskop der NASA, dessen Start für 2027 geplant ist – dem Infrarotbereich statt der Ultraviolett-Astronomie gewidmet. Daher erkannte die NASA, dass die Zeit reif ist für eine neue, umfassende UV-Mission wie UVEX, und beschloss, diese wissenschaftliche ‚Einäugigkeit‘ zu beheben.

Eine UV-Karte des gesamten Himmels als Gemeinschaftsressource
Seit dem Start von Hubble vor mehr als 30 Jahren hat es im Bereich der Optik große technologische Fortschritte gegeben. Außerdem kann Hubble aufgrund seiner begrenzten Fähigkeiten im fernen UV-Bereich und seiner langen Belichtungszeiten schwache UV-Quellen nicht erkennen. „UVEX wird sowohl im nahen als auch im fernen UV-Bereich messen und viel mehr Licht durchlassen als Hubble. So können wir mit UVEX, in der gleichen Belichtungszeit, Objekte, die viel schwächere UV-Signale ausgeben, beobachten“, sagt Götberg. In der Astrophysik gilt: Je schwächer die von einem Teleskop erfassten Objekte sind, desto umfassender ist der Datensatz (Englisch, deep dataset). Zu Beginn seiner Mission wird UVEX den gesamten Nachthimmel anhand der schwächsten UV-emittierenden Objekte kartieren. Auf diese Weise wird ein umfassender, homogener, Datensatz (deep dataset) im UV-Bereich erstellt. Nach seiner Fertigstellung wird dieser Datensatz als Gemeinschaftsressource dienen, die den Astronom:innen für künftige Forschungen zur Verfügung steht. „Das ‚deep mapping‘ [Tiefenkartierung] im UV-Bereich ist besonders für heiße Sterne wichtig, da sie nicht immer die hellsten sind“, fügt Götberg hinzu. Am wichtigsten für die Arbeit ihrer Gruppe am ISTA ist, dass UVEX in der Lage sein wird, den gesamten Massenbereich von Heliumsternen zu kartieren. Heliumsterne sind heiße und kompakte Sterne, die von einem Begleitstern ihrer Wasserstoffhülle beraubt wurden.

Entschlüsseln der Geheimnisse von Sternexplosionen
UVEX kann nicht nur die schwächsten heißen Sterne kartieren, sondern auch Sternwinde näher beobachten, und die Entwicklung massereicher Sterne und Sternexplosionen untersuchen. Dies ist besonders interessant, da Sterne in ihren Kernen Fabriken von chemischen Elementen sind. Während die Sternwinde zu einem Massenverlust führen und die Entwicklung des Sterns beeinflussen, wird das endgültige Schicksal des Sterns durch seinen Tod in einer großen Explosion besiegelt. Wenn ein Stern explodiert, verliert er viel Masse, während er die Umgebung mit neuen Elementen ‚anreichert‘. Diese Elemente – wie z. B. Sauerstoff – sind letztlich für das Leben, wie wir es kennen, unerlässlich. Astrophysiker:innen sind sich zum Beispiel einig, dass unsere Sonne ein Stern der dritten Generation ist, der Material enthält, das aus früheren Sternexplosionen stammt. Mit UVEX werden Götberg und andere Astrophysiker:innen neue Erkenntnisse über den Massenverlust in großem Maßstab gewinnen, indem sie die Eigenschaften von Sternexplosionen im gesamten Universum untersuchen. „Ich freue mich besonders auf dieses Teleskop, weil es uns ermöglichen wird, neue Beobachtungstechniken zu entwickeln und neue Strategien zu entwerfen, um theoretische Vorhersagen zu überprüfen“, sagt Götberg.

Erforschung der Entwicklung massereicher Sterne am ISTA
Götberg untersucht die Entwicklung von Doppelsternen in zwei gut untersuchten Galaxien in der Nachbarschaft der Milchstraße. Generell betrachten Astrophysiker:innen Doppelsterne in zwei Phasen ihrer Entwicklung: vor und nach dem Massentransfer. Während die Eigenschaften der Sterne vor der Wechselwirkung mit den derzeit verfügbaren Technologien leicht vorhersagbar sind, wird UVEX es Götberg ermöglichen, präzise Beobachtungen vor und nach dem Massentransfer zu vergleichen. „UVEX öffnet ein Fenster für den Blick auf die Entwicklung massereicher Sterne, das rund 20 Jahre lang verschlossen war“, sagt sie. Der würdige Nachfolger von IUE und FUSE wird im Jahr 2030 den Weltraum erobern und ISTA sowie den Fingerabdruck seiner Astronom:innen für viele Jahre in die Umlaufbahn bringen. „Es sind aufregende Zeiten für das junge Feld der Astronomie am ISTA“, schließt Götberg.

Originalpublikation:
Kulkarni S.R. et al., Science with the Ultraviolet Explorer (UVEX). arXiv:2111.15608v3 [astro-ph.GA] DOI: doi.org/10.48550/arXiv.2111.15608
https://arxiv.org/abs/2111.15608
pdf: https://arxiv.org/pdf/2111.15608

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• UVEX (UltraViolet EXplorer)

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Quelle: Universität Wien 10. Juli 2024.

10. Juli 2024 – Extrem schnell bewegte Sterne im Sternhaufen Omega Centauri, die eine neue Untersuchung ausfindig gemacht hat, zeigen: Im Zentrum des Sternhaufens befindet sich ein Schwarzes Loch mit mindestens 8.200 Sonnenmassen – damit ist dieses massereiche schwarze Loch das uns am nächsten liegende. Mit dieser Entdeckung konnten Forscher*innen des Max-Planck-Instituts für Astronomie unter Beteiligung der Universität Wien erstmals die Existenz eines Schwarzen Lochs mittlerer Masse nachweisen. Der Fund bestätigt außerdem, dass Omega Centauri die Kernregion einer Galaxie ist, die vor Milliarden von Jahren von der Milchstraße verschluckt wurde. Ohne seine äußeren Sterne hat sich der Galaxienkern seither so gut wie nicht weiterentwickelt. Die Studie wurde aktuell im renommierten Fachmagazin Nature veröffentlicht.

Omega Centauri ist eine spektakuläre Ansammlung von etwa zehn Millionen Sternen, die in südlichen Breitengraden als Fleck am Nachthimmel sichtbar ist. Durch ein kleines Teleskop sieht er nicht anders aus als andere so genannte Kugelsternhaufen. Die neue Studie bestätigt nun, was Astronom*innen schon seit längerem vermutet hatten: Omega Centauri enthält ein zentrales Schwarzes Loch. Mit einer Entfernung von etwa 18.000 Lichtjahren ist dies das nächstgelegene bekannte Beispiel für ein massereiches Schwarzes Loch. Im Vergleich dazu: Das supermassereiche Schwarze Loch im Zentrum der Milchstraße befindet sich rund 27.000 Lichtjahre von der Erde entfernt.

Aber nicht nur die Nähe zur Erde macht diesen Fund besonders. Die Astronomie kennt für Schwarze Löcher unterschiedliche Massebereiche. Stellare Schwarze Löcher mit einer bis zu einigen Dutzend Sonnenmassen sind kleinere schwarze Löcher und vergleichsweise gut erforscht, ebenso wie supermassereiche Schwarze Löcher in den Zentren von Galaxien, mit Massen von Millionen oder sogar Milliarden Sonnen. Umfassende Beweise und Forschung zu mittelgroßen schwarzen Löchern fehlten – bis jetzt. Mit mindestens 8.200 Sonnenmassen ist das Schwarze Loch in Omega Centauri der erste Nachweis eines solchen mittelgroßen Schwarzen Lochs.

Momentaufnahme der Galaxien-Evolution
„Omega Centauri ist etwas ganz Besonderes. Als Kern einer ehemals selbstständigen Galaxie, die dann mit der Milchstraße verschmolz und dabei alle Sterne außer jenen der Kernregion verlor, ist Omega Centauri eine Art Momentaufnahme aus der Galaxienevolution“, erklärt Glenn van de Ven, einer der Autor*innen der neuen Studie und Leiter des Instituts für Astrophysik an der Universität Wien. Es gibt keine weiteren Verschmelzungen und keine Möglichkeit für das zentrale Schwarze Loch, zu wachsen. Das Schwarze Loch bleibt in der Größe erhalten, die es hatte, als Omega Centauri von der Milchstraße verschluckt wurde. „Wir wissen nicht genau wie supermassereiche Schwarze Löcher entstanden sind, aber es ist möglich, dass sie aus mittelgroßen Schwarzen Löchern gewachsen sind. Wir haben nun den ersten Beweis gefunden, dass es solche mittelgroße Schwarze Löcher tatsächlich gibt“, ergänzt Anja Feldmeier-Krause von der Universität Wien und ebenfalls eine der Autor*innen.

Geschwindigkeiten von 1,4 Millionen Sternen zum Nachweis bestimmt
Der nun gelungene Nachweis stellte die Astronom*innen vor eine zeitaufwändige Herausforderung. Federführend war Maximilian Häberle, ein Doktorand am Max-Planck-Institut für Astronomie und Leiter der Studie. Er bestimmte anhand von über 500 Archivbildern des Weltraumteleskops Hubble die Geschwindigkeiten von 1,4 Millionen Sternen. „Die Suche nach schnellen Sternen und die Dokumentation ihrer Bewegung war die sprichwörtliche Suche nach der Nadel im Heuhaufen“, so Häberle. Doch am Ende hatte Häberle nicht nur den bisher vollständigsten Katalog der Bewegung von Sternen in Omega Centauri (veröffentlicht in einem separaten Artikel). Er konnte zudem sieben auffällige, sich schnell bewegende Sterne in einer kleinen Region im Zentrum von Omega Centauri ausmachen.

Anhand dieser sieben Sterne mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten und Bewegungsrichtungen konnten Häberle und seine Kolleg*innen die unterschiedlichen Effekte trennen und feststellen, dass sich im Zentrum von Omega Centauri eine Masse mit mindestens 8.200 Sonnenmassen befindet. Diese detaillierte Untersuchung verschaffte den Forscher*innen auch statistische Sicherheit: Die Beobachtung von sieben solcher Sterne kann kein Zufall sein und lässt keinen Raum für andere Erklärungen als ein Schwarzes Loch.

Beobachtungszeit mit dem Weltraumteleskop JWST soll in weiterer Folge noch mehr Details bringen, die Wissenschafter*innen wollen etwa die Bewegung der schnellen Sterne auf die Erde zu oder von ihr weg messen (Radialgeschwindigkeiten). Auch mit derzeit im Bau befindlichen neuen Instrumenten (GRAVITY+ am VLT der ESO, MICADO am Extremely Large Telescope) wird es möglich sein, Sternpositionen noch deutlich genauer zu bestimmen als mit Hubble.

Originalpublikation:
M. Häberle et al. „Fast-moving stars around an intermediate-mass black hole in ω Centauri“. Nature.
DOI: 10.1038/s41586-024-07511-z
https://www.nature.com/articles/s41586-024-07511-z
pdf: https://www.nature.com/articles/s41586-024-07511-z.pdf

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• Schwarze Löcher

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Quelle: Max-Planck-Institut für Radioastronomie 20. Juni 2024.

20. Juni 2024 – Amélie Saintonge, erst kürzlich als Direktorin an das Bonner Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR) berufen, kann auf eine lange Erfolgsgeschichte in der internationalen Spitzenforschung zur Galaxienentwicklung zurückblicken. Insbesondere untersucht sie das Zusammenspiel zwischen Galaxien und der Umgebung, in der sie leben, mit besonderem Augenmerk auf die zentrale Rolle des kalten interstellaren Mediums bei der Regulierung des Galaxienwachstums. Sie hat gezeigt, dass die Sternentstehung – weit davon entfernt, ein universeller Prozess zu sein – mit einer Effizienz abläuft, die von Galaxie zu Galaxie und auf einer kosmischen Zeitskala systematisch variiert. Ihre wissenschaftlichen Errungenschaften beruhen auf der Leitung großer Beobachtungsprojekte über das gesamte radioastronomische Spektrum, von cm- bis zu mm- und sub-mm-Wellenlängen, wobei sie auch Brücken zur optischen Astronomie und zur Theorie geschlagen hat.

Der Schwerpunkt von Amélie Saintonges neuer Forschungsabteilung „Sternentstehung und Galaxienentwicklung“ am MPIfR wird darin bestehen, eine solide Beobachtungsbasis zu schaffen, insbesondere bei (Sub-)mm- und Radiowellenlängen. Sie ist erforderlich, um die Verbindung von Galaxien mit ihrer großräumigen gasförmigen Umgebung und dem kosmischen Netz, sowie die Physik und Chemie des interstellaren Mediums und die Triebkräfte der Sternentstehung in allen Umgebungen und Maßstäben, von der Milchstraße über nahe Galaxien bis zum frühen Universum, zu untersuchen.

„Wir wissen inzwischen, dass die Geschichte der Galaxien gleichzeitig durch Dinge bestimmt wird, die sowohl auf sehr großen Skalen passieren, wie die Gasströme entlang des kosmischen Netzes der dunklen Materie, als auch auf sehr kleinen Skalen, wo sich einzelne Sterne aus diesem Gas bilden“, sagt Prof. Saintonge. „Um dieses dynamische Problem auf mehreren Ebenen zu lösen, müssen wir alle uns zur Verfügung stehenden Instrumente nutzen, aber Beobachtungen des interstellaren Mediums bei Radiowellenlängen sind besonders wichtig. Mit seinem reichen Vermächtnis an Technologieentwicklung für die Submm- und Radioastronomie und dem Zugang zu weltweit führenden Einrichtungen ist das MPIfR die perfekte Umgebung, um diese Forschung durchzuführen.“

„Wir freuen uns sehr, dass wir eine so exzellente Wissenschaftlerin für unser Institut und die Region Bonn/Köln als Ganzes gewinnen konnten. Professor Saintonge wird inspirierende neue wissenschaftliche Aspekte einbringen und die erstaunliche Bandbreite der Forschung aufzeigen, die man mit radioastronomischen Beobachtungen betreiben kann“, sagt Prof. Michael Kramer, Direktor am MPIfR und Leiter der Forschungsabteilung „Radioastronomische Fundamentalphysik“. „Während meine Abteilung extreme Zustände der Materie und ihr Verhalten in stark relativistischen Umgebungen untersucht, konzentriert sich Amélies Arbeit auf die Sternentstehung in Galaxien, aber auch auf die Wichtigkeit ihrer Entwicklung als Ganzes.“

Amélie Saintonge stammt ursprünglich aus Kanada, wo sie an der Universität von Montreal Mathematik und Physik studierte. Sie erwarb ihren Master of Science und ihren Doktortitel an der Cornell-Universität (Ithaka/USA) und spielte eine zentrale Rolle bei der ALFALFA-Durchmusterung des Arecibo-Radioobservatoriums. Anschließend war sie Postdoktorandin am Institut für Theoretische Physik der Universität Zürich, Schweiz, bevor sie eine gemeinsame Forschungsstelle an den Max-Planck-Instituten für Astrophysik und extraterrestrische Physik in Garching antrat. Seit 2013 ist sie Professorin für Astrophysik am University College London. Von 2013 bis 2021 war sie University Research Fellow der Royal Society und wurde 2018 mit dem Fowler Award for Early Achievement in Astronomy der Royal Astronomical Society ausgezeichnet.

„Wir sind begeistert, Prof. Amélie Saintonge als neue Direktorin am Max-Planck-Institut für Radioastronomie zu haben“, sagt Prof. J. Anton Zensus, Geschäftsführender Direktor am MPIfR und Leiter der Forschungsabteilung „Radioastronomie/VLBI“. „Mit ihrer exzellenten Forschung zum Zusammenspiel von Sternentstehung und Galaxienentwicklung wird sie die Wissenschaft an unserem Institut, auch unter Nutzung einer neuen Generation von Teleskopen, in hervorragender Weise ergänzen.“

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• Max Plank Institute

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Quelle: Max-Planck-Institut für Astronomie 17. Juni 2024.

17. Juni 2024 – Beobachtungen eines der am weitesten entfernten Schwarzen Löcher im frühen Universum mit dem Weltraumteleskop JWST zeigen: Offenbar wuchsen Schwarze Löcher bereits weniger als eine Milliarde Jahre nach dem Urknall in ähnlicher Weise wie heute. Dass es bereits im frühen Universum überraschend massereiche Schwarze Löcher gab, läßt sich daher nicht, wie von einer Reihe von Astronom*innen erhofft, mit besonders effizienten „Fütterungsmechanismen“ Schwarzer Löcher in der Frühzeit unseres Kosmos erklären. Die Ergebnisse wurden in der Zeitschrift Nature Astronomy veröffentlicht.

Die ersten Milliarden Jahre der kosmischen Geschichte stellen für die Astronomie eine Herausforderung dar. Die frühesten bekannten Schwarzen Löcher in den Zentren von Galaxien besaßen bereits damals überraschend große Massen. Aber wie konnten sie so schnell so massereich werden? Jetzt verschärfen neue Beobachtungen das Problem sogar noch: Sie liefern deutliche Belege gegen mehrere Lösungsvorschläge. Insbesondere scheint es für die frühesten Schwarzen Löcher keinen „ultra-effektiven Fütterungsmodus“ zu geben, der einen raschen Massezuwachs erklären könnte.

Grenzen des Wachstums supermassereicher Schwarzer Löcher
Sterne und Galaxien haben sich in den letzten 13,8 Milliarden Jahren, der bisherigen Lebenszeit unseres Kosmos, enorm verändert. Die Galaxien sind größer geworden und haben an Masse gewonnen, indem sie sich Gas aus ihrer Umgebung einverleibt haben oder (gelegentlich) indem zwei Galaxien miteinander verschmolzen sind. Lange Zeit gingen die Astronomen davon aus, dass die supermassereichen schwarzen Löcher in den Zentren der Galaxien ähnlich allmählich gewachsen sind wie die Galaxien selbst.

Schwarze Löcher können ganz allgemein nicht beliebig schnell wachsen. Materie, die auf ein Schwarzes Loch fällt, bildet eine sich drehende, heiße, helle „Akkretionsscheibe“ um das Schwarze Loch. Bei supermassereichen Schwarzen Löchern entsteht auf diese Weise ein aktiver galaktischer Kern. Die hellsten aktiven Kerne, die so genannten Quasare, gehören zu den hellsten astronomischen Objekten überhaupt. Die Helligkeit begrenzt allerdings, wie viel Materie dann noch auf das Schwarze Loch fallen kann: Licht übt einen (Strahlungs-)Druck aus, der Materieeinfall bremsen oder sogar verhindern kann.

Wie wurden Schwarze Locher so rasch so massereich?
Deshalb waren die Astronom*innen überrascht, als sie in den letzten zwanzig Jahren bei der Beobachtung entfernter Quasare sehr junge Schwarze Löcher entdeckten, die dennoch bereits Massen bis zu 10 Milliarden Sonnenmassen besaßen. In der Astronomie ist der Blick auf weit entfernte Objekte immer ein Blick in die ferne Vergangenheit, schlicht weil das Licht jener Objekte immer eine gewisse Zeit benötigt, um uns zu erreichen. Die am weitesten entfernten bekannten Quasare sehen wir so, wie sie in einer als „kosmische Dämmerung“ bezeichneten Ära waren, weniger als eine Milliarde Jahre nach dem Urknall, als die ersten Sterne und Galaxien entstanden.

Die Entstehung der frühen, massereichen Schwarzen Löcher zu erklären ist aktuell eine große Herausforderung für die Modelle der Galaxienentwicklung. Es gibt eine Reihe von möglichen Erklärungen, allerdings bislang noch keine, die allgemein akzeptiert wäre. Könnte es vielleicht sein, dass frühe Schwarze Löcher viel effizienter Gas akkretierten als ihre modernen Gegenstücke? Oder könnte Staub die Beobachtungen von Quasaren so beeinflussen, dass die Abschätzungen für die Massen von frühen Quasaren irrtümlich zu hoch ausfallen?

Genauer hingeschaut beim Wachstum früher Schwarzer Löcher
Um entscheiden zu können, welche der Erklärungen – wenn überhaupt eine davon – die richtige ist, sind genauere Beobachtungen von Quasaren nötig, als sie bislang möglich waren. Hier kommt das Weltraumteleskop JWST und insbesondere sein Instrument MIRI für den mittleren Infrarotbereich ins Spiel: Bei der Messung der Spektren entfernter Quasare ist MIRI 4000 Mal empfindlicher als alle vorherigen Instrumente.

Instrumente wie MIRI werden von internationalen Konsortien gebaut, in enger Zusammenarbeit zwischen Wissenschaftler*innen, Ingenieur*innen und Techniker*innen. Als Gegenleistung für den Bau des Instruments erhalten die Konsortien ein bestimmtes Kontingent an Beobachtungszeit. Bereits 2019, Jahre vor dem Start von JWST, beschloss das europäische MIRI-Konsortium, einen Teil dieser Zeit zu nutzen, um MIRI mit einer wichtigen Art von Beobachtung auf die Probe zu stellen: Man beschloss, den damals am weitesten entfernten bekannten Quasar zu beobachten, ein Objekt mit der Bezeichnung J1120+0641.

Blick auf eines der frühesten Schwarzen Löcher
Die Auswertung der Beobachtungen wurde Dr. Sarah Bosman übertragen, Postdoktorandin am Max-Planck-Institut für Astronomie (MPIA) und Mitglied des europäischen MIRI-Konsortiums. Das MPIA hatte zum MIRI-Instrument eine Reihe wichtiger Bauteile beigetragen. Bosman war direkt wegen ihrer Erfahrung bei der Untersuchung früher supermassereicher Schwarzer Löcher eingeladen worden, dem MIRI-Konsortium beizutreten.

Die Beobachtungen wurden im Januar 2023 durchgeführt, während des ersten Beobachtungszyklus des JWST, und dauerten etwa zweieinhalb Stunden. Dies war die erste Untersuchung eines Quasars im mittleren Infrarotbereich in der Zeit der kosmischen Dämmerung, nur 770 Millionen Jahre nach dem Urknall (Rotverschiebung z=7). Erfasst wurde dabei nicht ein Bild, sondern ein Spektrum: die regenbogenartige Aufspaltung des Lichts des Objekts in Komponenten verschiedener Wellenlängen.

Auf der Spur von Staub und schnellem Gas
Die Gesamtform des Spektrums im mittleren Infrarot („Kontinuum“) enthält Informationen über die Eigenschaften eines gigantischen, lockeren Rings aus Staub, wie er die Akkretionsscheibe von Quasaren typischerweise umgibt. Der „Staubtorus“ hilft, Materie zur Akkretionsscheibe zu leiten und so das Schwarze Loch zu „füttern“. Die schlechte Nachricht für alle, die die Lösung für die massereichen frühen Schwarzen Löcher in ungewöhnlich schnellem Wachstum suchen: Der Staubtorus und damit auch der Fütterungsmechanismus des frühen Quasars unterscheiden sich kaum von denen modernerer Gegenstücke. Den einzigen Unterschied hatte kein Modell des schnellen Wachstums früher Quasare vorhergesagt: eine rund 100 Kelvin höhere Staubtemperatur als die 1300 K, die für den heißesten Staub in weniger weit entfernten Quasaren gefunden wurden.

Bei kürzeren Wellenlängen dominiert das Licht der Akkretionsscheibe das Spektrum. Hier zeigen die neuen Beobachtungen, dass das Licht des Quasars für uns als entfernte Beobachter ausdrücklich nicht durch überdurchschnittlich viel Staub geschwächt wird. Dass wir die Massen früher Schwarzer Löcher lediglich wegen des zusätzlichen Staubs überschätzen würden, ist damit auch keine gangbare Erklärung.

Ein “schockierend normaler” früher Quasar
In der sogenannten broad-line region von Quasaren, benannt nach ihren charakteristischen breiten Spektrallinien, umkreisen Gasklumpen das Schwarze Loch mit annähernd Lichtgeschwindigkeit. Das lässt Rückschlüsse auf die Masse des Schwarzen Lochs ebenso wie auf Dichte und Ionisierung der umgebenden Materie zu. Aber auch in dieser Hinsicht war bei den Beobachtungen alles normal. Bei so gut wie allen Eigenschaften, die sich aus dem Spektrum ableiten lassen, unterscheidet sich J1120+0641 nicht von Quasaren zu späteren Zeiten.

Bosman sagt: „Mit unseren Beobachtungen wird das Rätsel noch ein bisschen rätselhafter. Frühe Quasare waren überraschend normal. Unabhängig davon, bei welchen Wellenlängen wir sie beobachten, sind Quasare offenbar in allen Epochen des Universums nahezu identisch.“ Es sieht so aus, als wären nicht nur die supermassereichen Schwarzen Löcher selbst, sondern auch ihre Fütterungsmechanismen bereits völlig „ausgereift“ gewesen, als das Universum gerade mal 5% so alt war wie heute.

Das schließt eine Reihe der Lösungsvorschläge für die große Masse früher Schwarzer Löcher aus und stützt damit die Idee, dass supermassereiche Schwarze Löcher von Anfang an eine beträchtliche Masse gehabt haben müssen, im Fachjargon der Astronomie: dass sie „primordial“ oder bereits von Anfang an „groß angelegt“ („seeded large“) sind. Supermassereiche Schwarze Löcher hätten sich demnach nicht aus den Überresten früher Sterne gebildet und wären erst anschließend sehr schnell massereich geworden. Sie dürften sich im Gegenteil von vornherein mit Massen von mindestens hunderttausend Sonnenmassen gebildet haben, vermutlich durch den Kollaps massereicher früher Gaswolken.

Hintergrundinformationen
Die hier beschriebenen Ergebnisse wurden unter dem Titel „JWST rest-frame infrared spectroscopy reveals a mature quasar at cosmic dawn“ in der Zeitschrift Nature Astronomy veröffentlicht.

Die beteiligten MPIA-Wissenschaftler sind Sarah Bosman (ebenfalls Universität Heidelberg), Fabian Walter, Leindert Boogaard, Manuel Güdel und Thomas Henning, in Zusammenarbeit mit dem MIRI Guaranteed Time Observations (MIRI GTO) Team.

Originalpublikation:
S. Bosman et al., „JWST rest-frame infrared spectroscopy reveals a mature quasar at cosmic dawn“ in Nature Astronomy.
DOI: 10.1038/s41550-024-02273-0
https://www.nature.com/articles/s41550-024-02273-0

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• Schwarze Löcher

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Quelle: Universität Bonn 23. Mai 2024.

23. Mai 2024 – Heute veröffentlicht das Euclid-Projektkonsortium die ersten wissenschaftlichen Publikationen zu Beobachtungen mit dem Euclid-Weltraumteleskop. In einer ersten frühen Beobachtungsphase konnten bereits einige wissenschaftlich spektakuläre Ergebnisse erzielt werden. Diese geben einen Vorgeschmack auf die beispiellosen Fähigkeiten des Teleskops, welches im Verlauf der nächsten Jahre eine der genauesten Karten der zeitlichen Entwicklung unseres Universums erstellen soll. Alle fünfzehn Publikationen werden ab morgen auf dem Preprint-Server arXiv veröffentlicht. Nach Abschluss der fachlichen Begutachtung erscheinen sie dann auch in einer Sonderausgabe der Fachzeitschrift “Astronomy & Astrophysics”.

Die Entdeckung freifliegender, frisch geborener Planeten, die Untersuchung der Kugelsternhaufen-Population nahegelegener Galaxien, die Entdeckung neuer leuchtschwacher Galaxien und Zwerggalaxien in nahen Galaxienhaufen, die Verteilung der Dunklen Materie und der leuchtenden Materie zwischen den Galaxien von Galaxienhaufen und die Untersuchung weit entfernter, mittels Gravitationslinsen vergrößerter Galaxien werden in einer Serie von zehn Veröffentlichungen beschrieben. Zeitgleich mit diesen ersten wissenschaftlichen Ergebnissen veröffentlicht das Euclid-Konsortium heute in fünf weiteren umfangreichen Artikeln die technischen Grundlagen der Mission. Diese zeigen die herausragenden Qualitäten von Euclid und werden auf Jahre hinaus als Referenz für die Analyse der Euclid-Daten dienen.

Alle Veröffentlichungen wurden im Vorfeld bereits im Konsortium gesichtet und diskutiert, um schon vor dem Einreichen zur Begutachtung durch eine Fachzeitschrift ein homogenes Bild und ein einheitlich hohes Qualitätsniveau jeder Publikation sicherzustellen. Das Euclid-Konsortium betreibt zu diesem Zweck ein eigenes Editorial Office, welches unter dem Vorsitz von Prof. Peter Schneider am Argelander-Institut für Astronomie (AIfA) der Universität Bonn angesiedelt ist. Die koordinierte zeitgleiche Einreichung von fünfzehn Artikeln mit zum Teil mehr als eintausend Autoren stellte eine besondere Herausforderung dar. Patrick Simon, der das Editorial Office operativ betreut, freut sich: “Mit diesem Satz von Publikationen präsentiert sich Euclid endgültig der breiten wissenschaftlichen Öffentlichkeit. Die Referenzpublikationen geben eine umfassende Beschreibung aller Aspekte der Mission, und die erste Analyse der Daten zeichnet ein beeindruckendes Bild vom wissenschaftlichen Potenzial Euclids.”

Referenzpublikationen
Ein Überblick-Artikel beschreibt die wissenschaftlichen Ziele der Euclid-Mission, die technischen Einzelheiten des Satelliten, den Beobachtungsplan, die Datenprodukte, die Pläne zur Datenanalyse und die erwarteten Resultate. Dieser Artikel stellt die Referenz für alle dar, die an den Euclid-Daten und den wissenschaftlichen Ergebnissen interessiert sind. Yannick Mellier, Leiter des Euclid-Konsortiums, unterstreicht: “Diese Arbeit fasst all die herausragenden Ergebnisse der mehr als zehnjährigen Entwicklungszeit zusammen. Euclid übertrifft bereits jetzt unsere Erwartungen und wird die Erforschung nicht nur des dunklen Universums, sondern beinahe aller Bereiche der Astronomie an vorderster Front vorantreiben.”

Drei Veröffentlichungen beschreiben detailliert die Spezifikationen, das Design, die Entwicklung und die Aufgaben der wissenschaftlichen Instrumente von Euclid. Die VIS-Kamera (für “visual” = ”sichtbar”) ist eine 609-Megapixel-Kamera, die im sichtbaren Licht arbeitet; das NISP-Instrument (für “nah-infrarot Spektrometer und Photometer”) bildet infrarotes Licht in mehreren Wellenlängenbereichen ab und kann zudem spektroskopisch beobachten. Die Kombination dieser beiden Kameras stellt die Kernkompetenz von Euclid dar. Erste Tests haben gezeigt, dass beide Instrumente die Erwartungen voll erfüllen. Sie werden über die kommenden Jahre exzellente Daten liefern, um die großskaligen Strukturen im Universum und ihre Entwicklung abzubilden. Dies soll beispielsweise helfen, die Natur der Dunklen Energie weiter zu erforschen oder die Gültigkeit der Allgemeinen Relativitätstheorie bei großen Entfernungen zu testen.

Die fünfte Publikation beschreibt den “Flagship”-Galaxienkatalog, einen simulierten Katalog von Milliarden von Galaxien. Dieser basiert auf der Flagship-Simulation des Euclid-Konsortiums, der größten jemals ausgeführten kosmologischen Simulation. Ursprünglich entwickelt, um im Vorfeld des Missionsstarts die wissenschaftliche Analyse der Euclid-Daten vorzubereiten und zu testen, werden diese Simulationen nun verwendet, um mögliche systematische Messfehler in den Daten zu identifizieren und zu korrigieren.

Erste wissenschaftliche Bilder, Analysen und Publikationen
In den ersten Monaten der Euclid-Mission, noch während der Test- und Einrichtungsphase, wurden einige ausgesuchte Ziele beobachtet, welche die Brillanz der Aufnahmen und das vielfältige wissenschaftliche Potenzial der Euclid-Daten demonstrieren sollten. Insgesamt wurden vierundzwanzig Stunden auf diese frühen Beobachtungen verwendet. Fünf Aufnahmen wurden bereits im November 2023 veröffentlicht, einen weiteren Satz veröffentlicht die ESA heute, am 23. Mai 2024.

Das Euclid-Konsortium konnte bereits eine erste wissenschaftliche Analyse einiger dieser frühen Aufnahmen (“Early Release Observations”, ERO) durchführen. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen werden heute der Öffentlichkeit zugänglich gemacht und demonstrieren die breite Vielfalt an astronomischen Untersuchungen, die durch Euclid möglich werden.

Bei den Untersuchungen wurden frei fliegende, gerade erst entstandene Planeten in Sternentstehungsregionen entdeckt; die Struktur ausgewählter Kugelsternhaufen der Milchstraße konnte bis in die äußeren Randbereiche vermessen werden; die detaillierte Morphologie und Zusammensetzung einiger naher Galaxien wurde untersucht; die Verteilung von Kugelsternhaufen im Fornax-Galaxienhaufen konnte mit bislang unerreichter Genauigkeit vermessen werden. Die Untersuchung des nahen Perseus-Galaxienhaufens führte zu einer Verdoppelung der bekannten Zwerggalaxien und zur Entdeckung, dass Sterne und Kugelsternhaufen im freien Raum zwischen den Galaxien mit einem Drittel zur Leuchtkraft des Haufens beitragen. Die Beobachtung zweier Gravitationslinsenhaufen führte nicht nur zur Entdeckung stark verzerrter Hintergrundobjekte, sondern auch zur Identifikation von neunundzwanzig Kandidaten für Galaxien aus der frühesten Epoche unserers Universums.

“Die Leistungsfähigkeit von Euclid zeigt sich in der Kombination aus dem außerordentlich großen Bildfeld, der sehr stabilen Optik und der breiten spektralen Abdeckung vom Optischen bis ins Nah-Infrarote. Das erlaubt es uns, die unterschiedlichsten Objekte und Skalen in einer einzigen Aufnahme einzufangen. Die ERO geben nur einen kleinen Vorgeschmack auf die zu erwartenden Ergebnisse der Euclid-Mission”, betont Reiko Nakajima vom AIfA der Universität Bonn, die als Instrument-Wissenschaftlerin verantwortlich für die Bildqualität des optischen VIS-Instruments ist. Tatsächlich konnten all diese spektakulären Beobachtungen bereits innerhalb eines kurzen Zeitraumes gemacht werden, der weniger als 0,1% der gesamten geplanten Beobachtungszeit von Euclid ausmacht.

Alle fünfzehn Publikationen werden ab morgen auf dem Preprint-Server arXiv veröffentlicht. Nach Abschluss der fachlichen Begutachtung erscheinen sie dann auch in einer Sonderausgabe der Fachzeitschrift “Astronomy & Astrophysics”. Die ERO-Aufnahmen werden zusammen mit den Originaldaten von der ESA zum Download bereitgestellt.

Zukünftige geplante Meilensteine der Euclid-Mission
Die nächsten geplanten Datenveröffentlichungen des Euclid-Konsortiums werden die Kernziele des Projekts zum Inhalt haben: Ein erster öffentlicher Zugang zu den regulären wissenschaftlichen Daten wird mit einem “Quick Release” im Frühjahr 2025 möglich; die Daten des ersten Jahres des regulären Beobachtungsprogramms, der am Ende ein Drittel des gesamten Himmels abdecken wird, sollen im Somer 2026 öffentlich werden. In weiteren Datenreleases in den Folgejahren werden dann sukzessive die jeweiligen Projektfortschritte öffentlich zugänglich gemacht, bis zur Vollendung des nominellen Beobachtungsprogramms im Jahr 2031.

Das Euclid-Konsortium
Das Euclid-Konsortium verantwortet zusammen mit der Europäischen Weltraumagentur (ESA) die Planung, den Bau und den Betrieb des Weltraumteleskops Euclid. Ziel des Projekts ist die Kartierung der dunkelsten Regionen des Himmels über einen Zeitraum von sechs Jahren hinweg. Die umfassenden Daten sollen insbesondere neue Einblicke in die Natur der Dunklen Energie und der Dunklen Materie geben. Das Teleskop wurde am 1. Juli 2023 erfolgreich in den Weltraum gestartet und hat nach einer gut halbjährigen Einrichtungsphase am 14. Februar 2024 mit seinem regulären Beobachtungsprogramm begonnen.

Das Euclid-Konsortium setzt sich aus mehr als 2600 Mitgliedern zusammen, darunter mehr als 1000 aktive Wissenschaftler aus über 300 Forschungsinstituten in 15 europäischen Ländern sowie in Japan, Kanada und den USA.

Übersicht der Referenz- und ERO-Publikationen:
https://www.euclid-ec.org/science/publications/

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• Weltraumteleskop EUCLID

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Quelle: Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) 25. März 2024.

25. März 2024 – Neutronensterne, Supernovaüberreste und schwarze Löcher: Sie alle senden Röntgenstrahlen aus, die Physikerinnen und Physikern dabei helfen, Rückschlüsse auf die Entwicklung des Universums zu ziehen. Bisher haben sie sich dafür auf Objekte in der Milchstraße und ihren nächsten Satellitengalaxien fokussiert, die näher und damit heller sind als andere. Nun haben Forschende des Astronomischen Instituts des Erlangen Centre for Astroparticle Physics (ECAP) der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) ein neues Ziel: Sie werden weiter entfernte und damit auch leuchtschwächere Quellen in ihre Analysen miteinbeziehen. So möchten sie herausfinden, wie einzelne Galaxien entstanden sind und wie sie sich weiterentwickeln werden. In dieser zweiten Förderperiode wird die Forschungsgruppe nun von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) über drei Jahre erneut gefördert.

Schon seit 2021 untersucht die Forschungsgruppe „eROSITA-Studien zu Endstadien der Sterne“ (eRO-STEP) astrophysikalische Quellen im All, die Röntgenstrahlung aussenden. Dazu gehören beispielsweise kompakte Objekte, das heißt weiße Zwerge, Neutronensterne und schwarze Löcher, oder Gas zwischen den Sternen, das entsteht, wenn Sterne sterben. „Dieses Gas kann unterschiedliche Phasen haben, zum Beispiel kalte und heiße Phasen. Die heißen Phasen sind dabei so heiß, dass sie nicht optisch strahlen, sondern Röntgenstrahlung aussenden“, erklärt Prof. Dr. Manami Sasaki, Sprecherin der Forschungsgruppe an der FAU. Mithilfe des Röntgenteleskops „eROSITA“ hat die FAU als eines der Kerninstitute des deutschen eROSITA-Konsortiums von 2019 bis 2022 den gesamten Himmel nach solchen Quellen durchforstet und festgehalten, an welchen Stellen Röntgenstrahlung auftritt. „Wenn wir Röntgenstrahlung im All durch das Teleskop beobachten, können wir die Strahlung bei höheren Energien untersuchen“, sagt Prof. Sasaki. „Daraus können wir Rückschlüsse ziehen, wie sich einzelne Objekte verhalten haben und es in Zukunft werden.“

In den vergangenen Jahren haben sich Prof. Sasaki und ihr Team auf nähere und damit hellere Quellen und Quellpopulationen in der Milchstraße und den Magellanschen Wolken fokussiert, das sind die größten Satellitengalaxien der Milchstraße. Dabei haben sie beispielsweise bis dahin unbekannte Supernovaüberreste entdeckt – ein Hinweis dafür, dass Sterne aus den Magellanschen Wolken herausgeschleudert oder zwischen ihr und der Milchstraße herausgerissen wurden. Neben neuen Daten haben die Forschenden eROSITA auf technische Unsicherheiten untersucht und neue Analyseroutinen entwickelt. In der neuen Förderperiode werden die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler weiter entfernte und damit leuchtschwächere Quellen untersuchen und eine Studie der gesamten Milchstraße anfertigen. Das Ziel: Herausfinden, wie einzelne Galaxien wie die Milchstraße und die Magellanschen Wolken entstanden sind und wie sie sich in Zukunft entwickeln könnten. Langfristig will die Forschungsgruppe ein tieferes Verständnis der kompakten Objekte, den großen interstellaren Strukturen, der interstellaren Stoßwellen und der Teilchenbeschleunigung gewinnen.

An der Forschungsgruppe 2990 eRO-STEP sind neben der FAU die Eberhard-Karls-Universität Tübingen, die Universität Hamburg, das Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam und das Max-Planck-Institut für Extraterrestrische Physik beteiligt.

Zur Forschungsgruppe:
https://www.ero-step.de/

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• Röntgenteleskope ART-XC und eRosita auf Spektr-RG (SRG)

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Quelle: Max-Planck-Institut für Astronomie 21. März 2024.

21. März 2024 – Der neue Fund ist das astronomische Äquivalent dazu, dass Archäologen Spuren einer ersten Siedlung finden, die sich später zu einer großen Stadt entwickelte. Die Rekonstruktion gelang mit Hilfe von Daten für fast 6 Millionen Sterne aus der ESA-Mission Gaia und der SDSS-Durchmusterung. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Astrophysical Journal veröffentlicht.

Die Frühgeschichte unserer Heimatgalaxie, der Milchstraße, ist eine Geschichte des Zusammenfügens kleinerer Galaxien – also bereits für sich genommen ziemlich großer Bausteine. Nun konnten Khyati Malhan und Hans-Walter Rix vom Max-Planck-Institut für Astronomie zwei der frühesten solchen Bausteine identifizieren, die heute noch als solche zu erkennen sind: proto-galaktische Fragmente, die vor 12 bis 13 Milliarden Jahren, als die Galaxienbildung im Universum noch ganz am Anfang war, mit einer frühen Version unserer Milchstraße verschmolzen. Die Astronomen haben jene Komponenten Shakti und Shiva getauft. Identifiziert werden konnten sie durch die Kombination von Daten des ESA-Astrometrie-Satelliten Gaia mit Daten aus der SDSS-Durchmusterung. Für die Astronomie ist dieser Fund gleichbedeutend mit der Entdeckung von Spuren einer ersten Siedlung, die sich zu einer großen heutigen Stadt entwickelte.

Dem Ursprung von Sternen aus anderen Galaxien auf der Spur
Wenn Galaxien zusammenstoßen und verschmelzen, geschehen mehrere Dinge parallel: Jede Galaxie führt ihr eigenes Reservoir an Wasserstoffgas mit sich. Bei der Kollision werden diese Wasserstoffgaswolken instabil. Teilregionen davon kollabieren und bilden so zahlreiche neue Sterne. Andererseits besitzen auch die ankommenden Galaxien ihre eigenen Sterne, und bei einer Verschmelzung vermischen sich die Sterne der Galaxien. Langfristig werden diese „akkretierten Sterne“ Teil der Sternpopulation der neu entstandenen kombinierten Galaxie. Man könnte denken, es sei hoffnungslos, nachträglich, nämlich nach Abschluss des Verschmelzungsprozesses, herauszufinden, welche Sterne aus welcher Vorgängergalaxie stammen. Tatsächlich gibt es aber zumindest einige Möglichkeiten, die Abstammung solcher Sterne zurückzuverfolgen.

Glücklicherweise kann die Physik an dieser Stelle weiterhelfen. Wenn Galaxien kollidieren und sich ihre Sternpopulationen vermischen, behalten die meisten Sterne grundlegende Eigenschaften bei, die direkt mit der Geschwindigkeit und der Richtung der Galaxie zusammenhängen, aus der sie stammen. Sterne aus ein und derselben Galaxie, die mit unserer Milchstraße verschmolz, haben sehr ähnliche Werte sowohl für ihre Energie als auch für das, was Physiker als Drehimpuls bezeichnen – vereinfacht gesagt: der Schwung, der mit einer Kreisbewegung oder Rotation verbunden ist. Bei Sternen, die sich im Gravitationsfeld einer Galaxie bewegen, bleiben sowohl Energie als auch Drehimpuls über lange Zeiträume hinweg erhalten. Größere Gruppen von Sternen, die alle ungefähr dieselben ungewöhnlichen Werte für Energie und Drehimpuls haben, sind gute Kandidaten für den Überrest einer Galaxie, die mit der Milchstraße verschmolz.

Weitere Hinweise können bei der Identifizierung helfen. Sterne, die in jüngerer Zeit entstanden sind, enthalten einen höheren Anteil an schwereren Elementen (in der Sprache der Astronomie sind das „Metalle“) als Sterne, die vor langer Zeit entstanden sind. Je niedriger der Metallgehalt (die „Metallizität“), desto früher dürfte der betreffende Stern entstanden sein. Wenn man versucht, Sterne zu identifizieren, die bereits vor 13 Milliarden Jahren existierten, sollte man nach Sternen mit sehr geringem Metallgehalt („metallarm“) suchen.

Virtuelle Daten-Ausgrabungen
Es ist allerdings erst seit vergleichsweise kurzer Zeit möglich, auf diese Weise Sterne zu identifizieren, die sich unserer Milchstraße im Laufe solch eines Verschmelzungsprozesses angeschlossen haben. Dazu sind große, qualitativ hochwertige Datensätze erforderlich, die für die Analyse auf geschickte Weise gesichtet werden müssen, um die gesuchte Objektklasse zu identifizieren – und solche Datensätze sind erst seit einigen Jahren verfügbar. Der ESA-Astrometrie-Satellit Gaia bietet einen idealen Datensatz für diese Art von galaktischer Big-Data-Archäologie. Er wurde 2013 gestartet und hat in den vergangenen zehn Jahren einen immer genaueren Datensatz produziert, der mittlerweile Positionen, Positionsänderungen und Entfernungen für fast 1,5 Milliarden Sterne in unserer Galaxie enthält.

Die Gaia-Daten haben das Studium der Dynamik der Sterne in unserer Heimatgalaxie auf eine ganz neue Grundlage gestellt. Auf Basis dieser Daten wurden bereits eine ganze Reihe neuer Strukturen in unserer Milchstraße entdeckt. Eine davon ist der Gaia-Enceladus/Sausage-Sternstrom, ein Überbleibsel der jüngsten größeren Verschmelzung, die unsere Heimatgalaxie durchlaufen hat – vor 8 bis 11 Milliarden Jahre. Zwei weitere Strukturen waren im Jahr 2022 identifiziert worden: Der von Malhan und Kolleg*innen identifizierte Pontus-Strom und das von Rix und Kolleg*innen identifizierte „arme alte Herz“ der Milchstraße. Bei letzterem handelt es sich um eine Population von Sternen, die während der allerersten Fusionen, aus denen die Proto-Milchstraße hervorging, neu entstanden sind und sich weiterhin in der zentralen Region unserer Galaxie befinden.

Spuren von Shakti und Shiva
Den hier beschriebenen Fund machten Malhan und Rix mit Hilfe von Gaia-Daten in Kombination mit hochaufgelösten Sternspektren des Sloan Digital Sky Survey (DR17). Letztere liefern detaillierte Informationen über die chemische Zusammensetzung der Sterne. Malhan sagt: „Für eine bestimmte Gruppe metallarmer Sterne gibt es eine Häufung bei zwei bestimmten Kombinationen von Energie und Drehimpuls.“

Im Gegensatz zum „armen alten Herzen“, das die Astronomen ebenfalls in den entsprechenden Diagrammen ausmachen, wiesen die beiden Gruppen gleichgesinnter Sterne dabei einen vergleichsweise großen Drehimpuls auf. Genau das würde man für Gruppen von Sternen erwarten, die zu separaten Galaxien gehörten, welche dann mit der Milchstraße verschmolzen. Malhan nannte diese beiden Strukturen Shakti und Shiva, letztere eine der Hauptgottheiten des Hinduismus und erstere eine weibliche kosmische Kraft, die oft als Gefährtin Shivas dargestellt wird.

Die Energie- und Drehimpulswerte sowie die insgesamt niedrige Metallizität, die in etwa jener des „armen alten Herzens“ entspricht, machen Shakti und Shiva zu guten Kandidaten für einige der frühesten Vorfahren unserer Milchstraße. Rix sagt: „Shakti und Shiva könnten die ersten beiden Neuzugänge zum ‚armen alten Herzen‘ unserer Milchstraße sein, die ihr Wachstum zu einer großen Galaxie einleiteten.“

Mehrere Durchmusterungen, die entweder bereits laufen oder in den nächsten Jahren beginnen werden, versprechen relevante zusätzliche Daten, sowohl Spektren (SDSS-V, 4MOST) als auch genaue Entfernungen (LSST/Rubin-Observatorium). Sie sollten es den Astronomen ermöglichen, eine eindeutige Entscheidung darüber zu treffen, ob Shakti und Shiva tatsächlich ein Blick auf die früheste Vorgeschichte unserer Heimatgalaxie sind oder nicht.

Originalveröffentlichung
K. Malhan & H.-W. Rix
SHIVA and SHAKTI: Presumed Proto-Galactic Fragments in the Inner Milky Way
The Astrophysical Journal, Vol. 964 (Issue 2), 104 (2024)
dx.doi.org/10.3847/1538-4357/ad1885
pdf: https://www.mpg.de/21722952/malhan_rix_2024_apj_964_104.pdf

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• Die Milchstraße

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Quelle: Universität Potsdam (UP) 7. Dezember 2023.

7. Dezember 2023 – Das Team konnte zeigen, dass es sich um einen universellen Prozess handelt. Der Potsdamer Astrophysiker Dr. Martin Wendt ist an der Studie beteiligt, die jetzt in der Fachzeitschrift „Nature“ veröffentlicht wurde.

Galaktische Winde entstehen durch die Explosion von massereichen Sternen in Galaxien. Dabei wird Materie kegelförmig entlang der Rotationsachse einer Galaxie ausgestoßen, senkrecht zu beiden Seiten der galaktischen Ebene. Durch diesen Prozess wird Materie zwischen Galaxien und ihrer kosmischen Umgebung ausgetauscht und somit das Wachstum von Galaxien begrenzt.

Mithilfe des Instruments Multi Unit Spectroscopic Explorer (MUSE), das Teil des Very Large Telescope der Europäischen Südsternwarte (ESO) in Chile ist, gelang es den Forschenden nun, Galaktische Winde mit einer speziellen Technik sichtbar zu machen. Sie kombinierten dafür Bilder von mehr als 100 Galaxien, die mit sehr langen Belichtungszeiten aufgenommen wurden. Um die Form und Verteilung von Galaktischem Wind zu kartieren, nutzte das Team ausströmende Magnesiumatome.

Die neuen Erkenntnisse können künftig dabei helfen, die Ausdehnung der Winde und die Mengen an Materie, die sie transportieren, genau zu messen. Ko-Autor Dr. Martin Wendt vom Institut für Physik und Astronomie der Universität Potsdam sagt: „Es ist immer wieder beeindruckend wie sich unser Bild vom Universum mit neuen Beobachtungen erweitert und verfeinert.“

Link zur Publikation:
Guo, Y., Bacon, R., Bouché, N.F. et al. & Wendt, M. Bipolar outflows out to 10 kpc for massive galaxies at redshift z ≈ 1. Nature 624, 53–56 (2023).
doi.org/10.1038/s41586-023-06718-w
https://www.nature.com/articles/s41586-023-06718-w

Link zur Pressemitteilung CNRS:
https://www.cnrs.fr/en/press/stellar-winds-regulate-growth-galaxies

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• Galaxien – Entstehung und Entwicklung

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Quelle: AIP 6. Dezember 2023.

6. Dezember 2023 – Ein internationales Forschungsteam, das vom französischen Centre national de la recherche scientifique (CNRS) geleitet wurde, fand bei der Untersuchung einer Stichprobe von rund 100 Galaxien die für galaktische Winde charakteristischen doppelkegelförmigen Strukturen vor. Diese werden jedoch nur in bestimmten Spektrallinien des Lichts und nur bei extrem hoher Empfindlichkeit der Messung erkennbar. Zuvor waren nur einige wenige solcher Fälle bekannt, die meisten davon ebenfalls mit dem MUSE-Instrument entdeckt. Prof. Dr. Lutz Wisotzki, Leiter der Abteilung Galaxien und Quasare am Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam (AIP), und Mitautor des Fachartikels im Wissenschaftsmagazin „Nature“ sagt dazu: „MUSE zeigt uns, dass solche galaxienweiten Ausströmungen in so gut wie jeder sternbildenden Galaxie vorhanden sind. Darüber hinaus können wir anhand der neuen Ergebnisse genau erkennen, welche Ausdehnung und welche Form diese galaktischen Winde typischerweise haben. Bisher war dies nur in sehr seltenen Extremfällen möglich.“

Es wird angenommen, dass ausströmendes Gas eine entscheidende Rolle bei der kosmischen Entwicklung von Galaxien spielt, indem es deren Wachstum und Sternentstehung reguliert. Theoretische Berechnungen sagen „bipolare“ Formen für die Ausströmungen vorher, die sich oberhalb und unterhalb der Galaxienebene bis weit in das zirkumgalaktische Medium erstrecken. Ähnliche Formen wurden auch in einigen nahen Galaxien, beispielsweise der „Zigarrengalaxie“ M82 und sogar in unserer eigenen Milchstraße, schon direkt beobachtet, allerdings sieht man hier nur die innersten Bereiche und kann kein Gesamtbild erstellen.

Kosmologische Simulationen der Galaxienbildung sagen für das junge Universum voraus, dass das Phänomen der galaktischen Winde während dieser Frühphasen deutlich häufiger und stärker auftrat: Aufgrund der höheren Sternbildungsaktivität junger Galaxien gab es mehr Supernova-Explosionen und dadurch stärkere Ausströmungen. Diese transportieren Gas und Energie aus einer Galaxie in ihre Umgebung und entziehen ihr somit den notwendigen Treibstoff für weitere Sternentstehung, während sie gleichzeitig ihre „zirkumgalaktische“ Umgebung anreichern. Dieser Rückkopplungsprozess ist vermutlich ein entscheidendes Element für unser Verständnis der Entstehung und Entwicklung von Galaxien, er ist aber aufgrund der schwierigen Nachweisbarkeit des Phänomens nur sehr unzureichend durch Beobachtungen erforscht.

Die neue Studie mit dem MUSE-Instrument zeigt nun unmittelbar, dass das galaktische Gas bis zu einer Entfernung von mehr als 30.000 Lichtjahren in die Umgebung der Galaxien ausströmt. Dabei hängt das beobachtbare Signal stark von der Ausrichtung der Galaxie relativ zur Sichtlinie ab: Sieht man das System von der Seite, so findet sich starke Emission oberhalb und unterhalb der Galaxienebene, während bei Galaxien, die wir von „oben“ oder „unten“ betrachten, das Signal schwächer und gleichmäßiger verteilt ist. Diese Beobachtungen bestätigen auf sehr eindrückliche Weise die zuvor theoretisch vorhergesagte bipolare Form der Ausströmungen senkrecht zur Galaxienebene.

Über das AIP
Das Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam (AIP) widmet sich astrophysikalischen Fragen, die von der Untersuchung unserer Sonne bis zur Entwicklung des Kosmos reichen. Forschungsschwerpunkte sind dabei kosmische Magnetfelder und extragalaktische Astrophysik sowie die Entwicklung von Forschungstechnologien in den Bereichen Spektroskopie, robotische Teleskope und E-Science. Seinen Forschungsauftrag führt das AIP im Rahmen zahlreicher nationaler, europäischer und internationaler Kooperationen aus. Das Institut ist Nachfolger der 1700 gegründeten Berliner Sternwarte und des 1874 gegründeten Astrophysikalischen Observatoriums Potsdam, das sich als erstes Institut weltweit ausdrücklich der Astrophysik widmete. Seit 1992 ist das AIP Mitglied der Leibniz-Gemeinschaft.

Originalveröffentlichung
Guo, Y., Bacon, R., Bouché, N.F. et al. Bipolar outflows out to 10 kpc for massive galaxies at redshift z ≈ 1. Nature 624, 53–56 (2023).
doi.org/10.1038/s41586-023-06718-w
https://www.nature.com/articles/s41586-023-06718-w

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• Galaxien – Entstehung und Entwicklung

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Quelle: AIP 22. November 2023.

22. November 2023 – Die preisgekrönte Dissertation mit dem Titel „Simulating Galaxy Evolution with Cosmic Rays: The Multi-Frequency View“ befasst sich mit der Rolle der kosmischen Strahlung bei der Entstehung des interstellaren Mediums von Galaxien, die auf deren Entwicklung und ihre Sternbildungseffizienz Auswirkungen hat. Da es nicht möglich ist, die kosmische Strahlung in fernen Galaxien direkt zu messen, können Forschende ihre Eigenschaften nur indirekt einschränken. Maria Werhahn entwickelte daher numerische Methoden, um die Spektren der kosmischen Strahlung in Galaxien und die damit verbundenen Emissionsprozesse zu modellieren, die von Radiowellenlängen bis hin zu hochenergetischer Gammastrahlung reichen.

„Durch hochauflösende magnetohydrodynamische Simulationen von Galaxien habe ich diese Ergebnisse mit Beobachtungen verglichen. So konnte ich die beobachtete kosmische Strahlung und die Emissionsspektren sowie die Beziehungen zwischen Radio- und Gammastrahlenleuchtkraft und der Emission im fernen Infrarot erfolgreich reproduzieren, was Einblicke in die Transporteigenschaften der kosmischen Strahlung ermöglicht“, erklärt Maria Werhahn. „Ich freue mich sehr und fühle mich geehrt, mit diesem Preis ausgezeichnet zu werden. Ein großer Dank gilt auch meinem Betreuer der Doktorarbeit, Christoph Pfrommer, sowie den Kolleginnen und Kollegen am AIP, ohne die diese Arbeit nicht möglich gewesen wäre.“

„Es ist sehr bemerkenswert, dass es Dr. Werhahn gelungen ist, ein einheitliches Modell zu entwickeln, das gleichermaßen lokale Beobachtungen der kosmischen Strahlung mit der Radio- und Gammastrahlung von entfernten Galaxien in Einklang bringt, und es uns ermöglicht, die Physik der Galaxienentstehung besser zu verstehen” würdigt Prof. Dr. Christoph Pfrommer, Leiter der Abteilung Kosmologie und Hochenergie-Astrophysik am AIP, die Arbeit.

Der Carl-Ramsauer-Preis 2023 wird im Rahmen eines Festkolloquiums verliehen. Dabei stellen die vier Preisträgerinnen und Preisträger ihre ausgezeichneten Arbeiten vor. Die Preisverleihung findet am Mittwoch, den 22. November 2023, um 17:15 Uhr an der Technischen Universität Berlin, Eugene-Paul-Wigner-Gebäude, Hörsaal EW201, Hardenbergstr. 36, 10623 Berlin, statt.

Die Physikalische Gesellschaft zu Berlin vergibt den Carl-Ramsauer-Preis zu Ehren des Experimentalphysikers Carl Ramsauer (1879-1955). Seit 2002 werden jährlich jeweils vier hervorragende Doktorarbeiten in Physik und angrenzender Gebiete an der Freien Universität Berlin, der Humboldt-Universität zu Berlin, der Technischen Universität Berlin und der Universität Potsdam ausgezeichnet, seit 2022 auch an der Brandenburgisch Technischen Universität Cottbus-Senftenberg. Der Carl-Ramsauer-Preis wird seit 2015 von der Firma SPECS GmbH gefördert.

Dissertation „Simulating Galaxy Evolution with Cosmic Rays: The Multi-Frequency View“
doi.org/10.25932/publishup-57285
pdf: https://publishup.uni-potsdam.de/opus4-ubp/frontdoor/deliver/index/docId/57285/file/werhahn_diss.pdf

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• Ehrungen

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AIP 21. November 2023.

21. November 2023 – Dank des neuesten Katalogs des ESA-Satelliten Gaia konnte ein internationales Team nachweisen, dass Zwerggalaxien aus dem Gleichgewicht geraten sein könnten. Die Studie wirft wichtige Fragen zum kosmologischen Standardmodell auf, insbesondere zum Vorhandensein Dunkler Materie in unserer unmittelbaren Umgebung.

Eine Besonderheit dieser Studie liegt in der Rolle der Dunklen Materie. Erstens verhindert das fehlende Gleichgewicht eine Schätzung der dynamischen Masse der Zwerggalaxien der Milchstraße und damit ihres Anteils an Dunkler Materie. Zweitens: Während im vorherigen Szenario die Dunkle Materie die vermeintliche Stabilität von Zwerggalaxien sicherte, wird sie bei Objekten, die aus dem Gleichgewicht geraten sind, eher hinderlich. Enthielte nämlich der Zwerg bereits viel Dunkle Materie, hätte diese seine anfängliche rotierende Sternscheibe stabilisiert und seine Umwandlung in eine Galaxie mit zufälligen Sternbewegungen, wie sie beobachtet werden, verhindert.

Die beschriebene erst kürzliche Ankunft von Zwerggalaxien und ihre Umwandlung im Halo erklären viele beobachtete Eigenschaften dieser Objekte, insbesondere, warum sie Sterne in großer Entfernung von ihrem Zentrum besitzen. Ihre Eigenschaften scheinen sich auch ohne Dunkle Materie erklären zu lassen – im Gegensatz zur bisherigen Auffassung, dass Zwerggalaxien die am stärksten von Dunkler Materie dominierten Objekte sind. Nun stellen sich viele Fragen, wie zum Beispiel: Wo sind die vielen von Dunkler Materie dominierten Zwerggalaxien, die das kosmologische Standardmodell um die Milchstraße erwartet? Wie können wir auf den Gehalt an Dunkler Materie in einer Zwerggalaxie schließen, wenn kein Gleichgewicht angenommen werden kann? Welche anderen Beobachtungen könnten zwischen den vorgeschlagenen Zwerggalaxien außerhalb des Gleichgewichts und dem klassischen Bild mit von Dunkler Materie dominierten Zwergen unterscheiden?

Man geht seit langem davon aus, dass die Zwerggalaxien rund um die Milchstraße uralte Satelliten sind, die unsere Galaxie seit fast 10 Milliarden Jahren umkreisen. Dazu müssten sie riesige Mengen an Dunkler Materie enthalten, um sie vor den enormen Gezeiteneffekten zu schützen, die durch die Anziehungskraft unserer Galaxie verursacht werden. Es wurde angenommen, dass Dunkle Materie die Ursache für die großen Geschwindigkeitsunterschiede zwischen den Sternen in diesen Zwerggalaxien ist.

Die neuesten Gaia-Daten haben nun ein völlig anderes Bild der Eigenschaften von Zwerggalaxien ergeben. Astronominnen und Astronomen des Pariser Observatoriums PSL, des Centre national de la recherche scientifique (CNRS) und des Leibniz-Instituts für Astrophysik Potsdam (AIP) waren in der Lage, die Geschichte der Milchstraße zu datieren, und zwar dank der Beziehung zwischen der Bahnenergie eines Objekts und seiner Eintrittszeit in den Halo, dem Zeitpunkt, zu dem sie erstmals vom Gravitationsfeld der Milchstraße erfasst wurden: Objekte, die zu früheren Zeiten in die Milchstraße eindrangen, als diese noch weniger massereich war, haben eine niedrigere Energie als solche, die erst kürzlich eintrafen. Die Bahnenergie der meisten Zwerggalaxien ist überraschenderweise deutlich größer als jene der Sagittarius-Zwerggalaxie, die vor 5 bis 6 Milliarden Jahren in den Halo eintrat. Dies deutet darauf hin, dass die meisten Zwerggalaxien erst vor viel kürzerer Zeit, nämlich vor weniger als drei Milliarden Jahren, in den Halo eingetreten sind.

Eine solche jüngste Ankunft bedeutet, dass die nahen Zwerggalaxien von außerhalb des Halos stammen, wo fast alle Zwerggalaxien riesige Reservoirs an neutralem Gas enthalten. Diese gasreichen Galaxien verloren ihr Gas, als sie mit dem heißen Gas des galaktischen Halos zusammenstießen. Die Gewalt der Schocks und Turbulenzen in diesem Prozess veränderte diese Zwerggalaxien völlig. Während die zuvor gasreichen Zwerggalaxien durch die Rotation von Gas und Sternen bestimmt wurden, wird ihre Schwerkraft bei der Umwandlung in gasfreie Systeme durch die zufälligen Bewegungen der verbleibenden Sterne ausgeglichen. Der Prozess, mit dem Zwerggalaxien ihr Gas verlieren, ist so heftig, dass er sie aus dem Gleichgewicht bringt. Das bedeutet, dass die Geschwindigkeit, mit der sich ihre Sterne bewegen, nicht mehr im Gleichgewicht mit ihrer Gravitationsbeschleunigung ist. Die kombinierten Auswirkungen von Gasverlust und Gravitationsschocks durch den Sturz in die Galaxie erklären die große Streuung der beobachteten Geschwindigkeiten der Sterne innerhalb des Überrests der Zwerggalaxie gut.

Originalveröffentlichung
Francois Hammer, Jianling Wang, Gary A Mamon, Marcel S Pawlowski, Yanbin Yang, Yongjun Jiao, Hefan Li, Piercarlo Bonifacio, Elisabetta Caffau, Haifeng Wang, The accretion history of the Milky Way – II. Internal kinematics of globular clusters and of dwarf galaxies, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Volume 527, Issue 2, January 2024, Pages 2718–2733.
doi.org/10.1093/mnras/stad2922
https://arxiv.org/abs/2311.05677
pdf: https://arxiv.org/pdf/2311.05677

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• Die Milchstraße

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Quelle: Max-Planck-Institut für Astrophysik 19. Juli 2023.

19. Juli 2023 – Ein internationales Astrophysik-Team unter der Leitung des Max-Planck-Instituts für Astrophysik in Deutschland, der Harvard University in den USA und der Durham University im Vereinigten Königreich hat den ehrgeizigen Versuch unternommen, gleichzeitig die Entstehung von Galaxien und die großräumige Struktur im Kosmos in erstaunlich großen Regionen des Weltalls zu simulieren. Ihre Simulationen berücksichtigen zudem die geisterhaften Neutrinos und könnten dazu beitragen, die Masse dieser Elementarteilchen einzugrenzen. Die ersten Ergebnisse des „MillenniumTNG“-Projekts wurden soeben in einer Reihe von 10 Artikeln in der Zeitschrift Monthly Notices of the Royal Astronomical Society veröffentlicht. Die neuen Rechnungen tragen dazu bei, das kosmologische Standardmodell einem Präzisionstest zu unterziehen und die meisten Informationen aus den bevorstehenden kosmologischen Beobachtungen herauszuholen.

In der Kosmologie hat sich in den letzten Jahrzehnten die verblüffende Annahme etabliert, dass die Materie im Universum von einer rätselhaften ‚Dunklen Materie‘ dominiert wird und dass ein noch seltsameres Feld aus ‚Dunkler Energie‘ als eine Art Anti-Schwerkraft wirkt, und die Expansion des heutigen Kosmos beschleunigt. Die gewöhnliche baryonische Materie trägt mit weniger als 5 % zum kosmischen Gemisch bei, dennoch bildet sie die Grundlage für die Sterne und Planeten in Galaxien wie unserer eigenen Milchstraße. Dieses seltsam anmutende kosmologische Modell wird LCDM genannt. Es liefert eine hartnäckig erfolgreiche Beschreibung einer Vielzahl von Beobachtungsdaten: von der kosmischen Mikrowellenstrahlung – der Restwärme, die der heiße Urknall hinterlassen hat – bis hin zum „kosmischen Netz“, in dem die Galaxien entlang eines verschlungenen Netzes mit Filamenten aus Dunkler Materie angeordnet sind.

Die tatsächliche physikalische Natur der Dunklen Materie und der Dunklen Energie ist jedoch immer noch nicht verstanden, weshalb Astrophysiker und Astrophysikerinnen nach Defiziten in der LCDM-Theorie suchen. Fänden sich Ungereimtheiten im Vergleich zu Beobachtungsdaten so könnte dies zu einem besseren Verständnis dieser grundlegenden Rätsel unseres Universums führen. Empfindliche Tests sind erforderlich, die beides brauchen: aussagekräftige neue Beobachtungsdaten und detailliertere Vorhersagen darüber, was das LCDM-Modell tatsächlich impliziert.

Forschenden am Max-Planck-Institut für Astrophysik (MPA) ist es nun zusammen mit einem internationalen Team der Harvard University und der Durham University sowie der York University in Kanada und des Donostia International Physics Center in Spanien gelungen, bei der theoretischen Beschreibung einen entscheidenden Schritt voranzukommen. Aufbauend auf ihren früheren Erfolgen mit den Projekten „Millennium“ und „IllustrisTNG“ entwickelten sie eine neue Reihe von Simulationsmodellen mit dem Namen „MillenniumTNG“, die die Physik der kosmischen Strukturbildung mit wesentlich höherer statistischer Genauigkeit nachzeichnen, als dies mit früheren Berechnungen möglich war.

Große Simulationen mit neuen physikalischen Details
Das Team nutzte den fortschrittlichen kosmologischen Rechen-Code GADGET-4, der speziell für diesen Zweck am MPA entwickelt wurde, um die bisher größten, hochaufgelösten Dunkle-Materie-Simulationen zu berechnen, die eine Region von fast 10 Milliarden Lichtjahren abdecken. Darüber hinaus verwendeten sie den hydrodynamischen Code AREPO, dessen Zellgröße sich dynamisch anpasst, um die Prozesse der Galaxienbildung direkt in so großen Volumina zu verfolgen, dass sie als repräsentativ für das gesamte Universum angesehen werden können. Aus dem Vergleich der beiden Arten an Simulation kann genau bewertet werden, wie sich baryonische Prozesse im Zusammenhang mit Supernova-Explosionen und supermassereichen Schwarzen Löchern auf die Gesamtverteilung der Materie auswirken. Dies wiederum erlaubt kommende Beobachtungen korrekt zu interpretieren, wie z. B. die so genannten schwachen Gravitationslinseneffekte. Diese reagieren auf Materie unabhängig davon, ob sie dunkel oder baryonisch ist.

Außerdem bezog das Team massereiche Neutrinos in seine Simulationen ein – zum ersten Mal in Simulationen, die groß genug sind, um kosmologische Beobachtungen aussagekräftig nachzustellen. In früheren kosmologischen Simulationen wurden Neutrinos meist der Einfachheit halber weggelassen, da sie höchstens 1-2 % der Masse der Dunklen Materie ausmachen und ihre nahezu relativistischen Geschwindigkeiten ein Zusammenklumpen verhindern. Nun aber werden künftige kosmologische Durchmusterungen des Universums (wie mit dem kürzlich gestarteten Euclid-Satelliten der Europäischen Weltraumorganisation) eine Genauigkeit erreichen, die einen Nachweis der damit verbundenen prozentualen Effekte ermöglicht. Dies eröffnet die verlockende Aussicht, die Neutrinomasse selbst zu bestimmen, eine grundlegende, offene Frage in der Teilchenphysik – es steht viel auf dem Spiel.

Für die bahnbrechenden MillenniumTNG-Simulationen nutzten die Forscher zwei extrem leistungsstarke Supercomputer: den SuperMUC-NG am Leibniz-Rechenzentrum in Garching und den Cosma8-Rechner, der von der Durham University im Auftrag der britischen DiRAC-Hochleistungsrechenanlage betrieben wird. Mehr als 120 000 Rechnerkerne arbeiteten am SuperMUC-NG fast zwei Monate lang, wobei die vom deutschen Gauß-Zentrum für Hochleistungsrechnen zur Verfügung gestellte Rechenzeit genutzt wurde, um das bisher umfassendste hydrodynamische Simulationsmodell zu erstellen. MillenniumTNG verfolgt die Entstehung von etwa einhundert Millionen Galaxien in einer Region des Universums mit einem Durchmesser von etwa 2400 Millionen Lichtjahren (siehe Abbildung 1). Diese Berechnung ist etwa 15 Mal größer als die bisher beste in dieser Kategorie, das TNG300-Modell des IllustrisTNG-Projekts.

Mit Cosma8 berechnete das Team ein noch größeres Volumen des Universums, das mit mehr als einer Billion Teilchen der Dunklen Materie und mehr als 10 Milliarden Teilchen gefüllt ist, um den massereichen Neutrinos zu folgen (siehe Abbildung 2). Obwohl diese Simulation die baryonische Materie nicht direkt verfolgte, können die Galaxien in MillenniumTNG mit Hilfe eines semi-analytischen Modells, das gegen die baryonische Berechnung des Projekts kalibriert wird, genau vorhergesagt werden. Dieses Verfahren führt zu einer detaillierten Verteilung der Galaxien und der Materie in einem Volumen, das zum ersten Mal groß genug ist, um für das gesamte Universum repräsentativ zu sein, so dass Vergleiche mit bevorstehenden Beobachtungen auf eine solide statistische Grundlage gestellt werden können.

Theoretische Vorhersagen für die Kosmologie
Die ersten Ergebnisse des MillenniumTNG-Projekts zeigen eine Fülle von neuen theoretischen Vorhersagen, die die Bedeutung von Computersimulationen in der modernen Kosmologie unterstreichen. Das Team hat zehn wissenschaftliche Paper für das Projekt verfasst und eingereicht. Acht davon sind soeben in der Fachzeitschrift MNRAS erschienen, die beiden anderen werden in Kürze folgen.

Eine der Studien beschäftigte sich mit der Form von Galaxien. Nahe Galaxien haben die subtile Tendenz, ihre Formen ähnlich auszurichten anstatt in willkürliche Richtungen zu zeigen – ein Effekt, der „intrinsische Galaxienausrichtung“ genannt wird. Dieser kaum erforschte Effekt verzerrt die Ergebnisse, die sich aus dem schwachen Gravitationslinseneffekt ergeben, der ja sein eigenes statistisches Ausrichtungssignal erzeugt. Im Rahmen des MillenniumTNG-Projekts konnten zum ersten Mal intrinsische Ausrichtungen mit einem sehr hohen Signal-Rausch-Verhältnis direkt bei den simulierten Galaxien gemessen werden, und zwar bis zu Entfernungen von mehreren hundert Millionen Lichtjahren. „Unsere Bestimmung der intrinsischen Ausrichtung von Galaxien kann vielleicht dazu beitragen eine Diskrepanz aufzulösen, die derzeit zwischen zwei Methoden herrscht, um die Amplitude zu messen, wie stark Materie klumpt“, sagt die Doktorandin Ana Maria Delgado, Erstautorin dieser Studie im MillenniumTNG-Team. „Die Materie-Anhäufung wird dabei einmal über den schwachen Gravitationslinseneffekt bestimmt und einmal aus dem kosmischen Mikrowellenhintergrund abgeleitet.“ Mit Hilfe der MillenniumTNG-Ergebnisse werden die Astronomen in der Lage sein, diesen wichtigen systematischen Effekt viel besser zu korrigieren.

Ein weiteres aktuelles Ergebnis bezieht sich auf die jüngste Entdeckung einer Population sehr massereicher Galaxien im jungen Universum mit dem James-Webb-Weltraumteleskop (JWST). Kurze Zeit nach dem Urknall sind die Massen dieser Galaxien unerwartet groß, was den theoretischen Erwartungen zu widersprechen scheint. Dr. Rahul Kannan analysierte die Vorhersagen von MillenniumTNG für diese frühe Epoche. Während die Simulationen bis zu einer Rotverschiebung von z=10 (als das Universum weniger als 500 Millionen Jahre alt war) mit den Beobachtungen übereinstimmen, bestätigte er, dass die neuen JWST-Ergebnisse bei einer noch höheren Rotverschiebung im Widerspruch zu den Vorhersagen der Simulationen stehen, falls sie Bestand haben. „Vielleicht ist die Sternentstehung kurz nach dem Urknall viel effizienter als zu späteren Zeiten, oder vielleicht sind damals massereiche Sterne in höheren Anteilen entstanden, was diese Galaxien ungewöhnlich hell macht“, erklärt Dr. Kannan.

Andere Arbeiten des Teams konzentrieren sich auf die Signale der Haufenbildung bei Galaxien. So erstellte die MPA-Doktorandin Monica Barrera extrem große und äußerst realistische Scheinkataloge von Galaxien auf dem rückwärtigen „Lichtkegel“ eines Referenzbeobachters (siehe Abbildung 3). In diesem Fall sind Galaxien, die weiter entfernt sind, automatisch auch jünger, was die Reisezeit des Lichts widerspiegelt, das unsere Teleskope erreicht. Anhand dieser virtuellen Beobachtungen untersuchte sie die so genannte baryonische akustische Oszillation (BAO) – ein kosmologisch wichtiges Standard-„Maßband“ – in der projizierten Zweipunkt-Korrelationsfunktion von Galaxien. Ihre Ergebnisse zeigen, dass die Messung dieser BAOs ein ziemlich kniffliges Unterfangen ist, das durch so-genannte kosmische Varianzeffekte erheblich beeinflusst werden kann – selbst wenn in Beobachtungen extrem große Volumina durchmustert und untersucht werden. Während man in Simulationen das modellierte Universum aus verschiedenen Blickwinkeln beobachten kann, um den korrekten statistischen Ensemble-Mittelwert zu ermitteln, ist dies für das reale Universum nicht ohne weiteres möglich. „Die MillenniumTNG-Simulationen sind so groß und enthalten so viele Galaxien – mehr als eine Milliarde in der größten Berechnung – dass es wirklich schwierig war, sie zu untersuchen“, sagt Monica Barrera. „Skripte, die für die Analyse kleinerer Simulationen gut funktionieren, brauchen für MillenniumTNG ewig.“

Analyse der kosmologischen Daten
Die Serie der ersten Ergebnisse der MillenniumTNG-Simulationen macht deutlich, dass die Berechnungen eine große Hilfe bei der Entwicklung besserer Strategien für die Analyse künftiger kosmologischer Daten sein werden. Der Leiter des Teams, Prof. Volker Springel vom MPA, führt an, dass „MillenniumTNG die jüngsten Fortschritte bei der Simulation der Galaxienentstehung mit dem Bereich der großräumigen kosmischen Struktur verbindet und eine verbesserte theoretische Modellierung ermöglicht, wie sich Galaxien mit dem Rückgrat der Dunklen Materie des Universums verbinden. Dies könnte sich als entscheidend für Fortschritte bei wichtigen Fragen in der Kosmologie erweisen, etwa wie die Masse von Neutrinos am besten mit Daten zur großräumigen Struktur eingeschränkt werden kann.“ Die MillenniumTNG-Simulationen lieferten mehr als 3 Petabyte an Simulationsdaten und bilden damit einen reichen Fundus für die weitere Forschung, die das Wissenschaftlerteam noch viele Jahre lang beschäftigen wird.

Wissenschaftliche Originalpublikationen:

• The MillenniumTNG Project: High-precision predictions for matter clustering and halo statistics
  C. Hernández-Aguayo, V. Springel, R. Pakmor, M. Barrera, F. Ferlito, S. D. M. White, L. Hernquist, B. Hadzhiyska, A. M. Delgado, R. Kannan, S. Bose, C. Frenk
  MNRAS, July 2023 (preprint: https://arxiv.org/abs/2210.10059)
• The MillenniumTNG Project: The hydrodynamical full physics simulation and a first look at its galaxy clusters
  R. Pakmor, V. Springel, J. P. Coles, T. Guillet, C. Pfrommer, S. Bose, M. Barrera, A. M. Delgado, F. Ferlito, C. Frenk, B. Hadzhiyska, C. Hernández-Aguayo, L. Hernquist, R. Kannan, S. D. M. White
  MNRAS, July 2023 (preprint: https://arxiv.org/abs/2210.10060)
• The MillenniumTNG Project: Semi-analytic galaxy formation models on the past lightcone
  M. Barrera, V. Springel, S. White, C. Hernández-Aguayo, L. Hernquist, C. Frenk, R. Pakmor, F. Ferlito, B. Hadzhiyska, A. M. Delgado, R. Kannan, S. Bose
  MNRAS, submitted (preprint: https://arxiv.org/abs/2210.10419)
• The MillenniumTNG Project: The galaxy population at z ≥ 8
  R. Kannan, V. Springel, L. Hernquist, R. Pakmor, A. M. Delgado, B. Hadzhiyska, C. Hernández-Aguayo, M. Barrera, F. Ferlito, S. Bose, S. D. M. White, C. Frenk, A. Smith, E. Garaldi
  MNRAS, July 2023 (preprint: https://arxiv.org/abs/2210.10066)
• The MillenniumTNG Project: Refining the one-halo model of red and blue galaxies at different redshifts
  B. Hadzhiyska, L. Hernquist, D. Eisenstein, A. M. Delgado, S. Bose, R. Kannan, R. Pakmor, V. Springel, S. Contreras, M. Barrera, F. Ferlito, C. Hernández-Aguayo, S. D. M. White, C. Frenk
  MNRAS, July 2023 (preprint: https://arxiv.org/abs/2210.10068)
• The MillenniumTNG Project: An improved two-halo model for the galaxy-halo connection of red and blue galaxies
  B. Hadzhiyska, D. Eisenstein, L. Hernquist, R. Pakmor, S. Bose, A. M. Delgado, S. Contreras, R. Kannan, S. D. M. White, V. Springel, C. Frenk, C. Hernández-Aguayo, F. Ferlito, M. Barrera
  MNRAS, July 2023 (preprint: https://arxiv.org/abs/2210.10072)
• The MillenniumTNG Project: The large-scale clustering of galaxies
  S. Bose, B. Hadzhiyska, M. Barrera, A. M. Delgado, F. Ferlito, C. Frenk, C. Hernández-Aguayo, L. Hernquist, R. Kannan, R. Pakmor, V. Springel, S. D. M. White
  MNRAS, July 2023 (preprint: https://arxiv.org/abs/2210.10065)
• The MillenniumTNG Project: Inferring cosmology from galaxy clustering with accelerated N-body scaling and subhalo abundance matching
  S. Contreras, R. E. Angulo, V. Springel, S. D. M. White, B. Hadzhiyska, L. Hernquist, R. Pakmor, R. Kannan, C. Hernández-Aguayo, M. Barrera, F. Ferlito, A. M. Delgado, S. Bose, C. Frenk
  MNRAS, July 2023 (preprint: https://arxiv.org/abs/2210.10075)
• The MillenniumTNG Project: Intrinsic alignments of galaxies and halos
  A. M. Delgado, B. Hadzhiyska, S. Bose, V. Springel, L. Hernquist, M. Barrera, R. Pakmor, F. Ferlito, R. Kannan, C. Hernández-Aguayo, S. D. M. White, C. Frenk
  MNRAS, July 2023 (preprint: https://arxiv.org/abs/2304.12346)
• The MillenniumTNG Project: The impact of baryons and massive neutrinos on high-resolution weak gravitational lensing convergence maps
  F. Ferlito, V. Springel, C. T. Davies, C. Hernández-Aguayo, R. Pakmor, M. Barrera, S. D. M. White, A. M. Delgado, B. Hadzhiyska, L. Hernquist, R. Kannan, S. Bose, C. Frenk
  MNRAS, submitted (preprint: https://arxiv.org/abs/2304.12338)

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• Die großräumige Struktur des Universums

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Quelle: MPIA 22. Juni 2023.

22. Juni 2023 – Das Ergebnis ermöglicht zudem eine neue Art von Vergleich zwischen unserer Heimatgalaxie und den vielen fernen Galaxien, die wir von außen beobachten. Es liefert damit einen Teil der Antwort auf die alte Frage, ob unsere Heimatgalaxie etwas Besonderes ist: Zumindest was die chemische Zusammensetzung betrifft, ist unsere Milchstraße ungewöhnlich, aber nicht einzigartig.

Wir sehen ferne Galaxien von außen: Teleskopbeobachtungen zeigen uns die Form einer Galaxie und ihr Spektrum (die regenbogenartige Aufspaltung des Lichts eines Himmelsobjekts). Wie würde also unsere eigene Galaxie aus dieser Perspektive für „extragalaktische“ Astronom*innen aussehen, die nicht von unserer eigenen, sondern von einer anderen Galaxie aus das Weltall erforschen? Das ist eine schwierigere Frage, als es zunächst scheinen mag. Schließlich haben die Astronom*innen hier auf der Erde recht raffinierte Methoden entwickelt, um aus ihren Beobachtungen die Eigenschaften einer Galaxie zu rekonstruieren, und extragalaktische Astronom*innen dürften ihnen darin nicht nachstehen.

Die Antwort auf die Frage nach den Erkenntnissen extragalaktischer Astronom*innen ist damit gar nicht so einfach zu beantworten. Aber die Antwort ist durchaus auch für unsere irdische Forschung interessant. Jianhui Lian (Max-Planck-Institut für Astronomie und Universität Yunnan), der Hauptautor der jetzt veröffentlichten Studie, sagt: „Seit Astronom*innen vor hundert Jahren erkannt haben, dass die Milchstraße nicht die einzige Galaxie im Universum ist, haben sie sich gefragt, ob unsere Milchstraße etwas Besonderes ist oder nicht. Um diese Frage beantworten zu können, müssen wir Möglichkeiten finden, unsere Heimatgalaxie mit weit entfernten Galaxien zu vergleichen.“

Fortschritte bei Daten und Simulationen
Die Frage mag alt sein; dass wir darauf für die Chemie unserer Heimatgalaxie eine Antwort finden können, ist dagegen durchaus neu. Zum einen hat es in den letzten zehn Jahren enorme Fortschritte bei der systematischen Erforschung unserer Heimatgalaxie gegeben. Durchmusterungen wie APOGEE haben mit Hilfe der Auswertung von Sternspektren Informationen über die chemische Zusammensetzung, die physikalischen Eigenschaften und die 3D-Bewegungen von Millionen einzelner Sterne in unserer Milchstraße geliefert. Auch für weit entfernte Galaxien gibt es viel mehr und viel bessere Daten als je zuvor. Bei der MaNGA-Durchmusterung beispielsweise wurden fast 10 000 Galaxien eingehend untersucht. Während frühere Durchmusterungen, die auf so viele Galaxien abzielten, nur ein Gesamtspektrum pro Galaxie lieferten, zeichnet MaNGA ein „spektrales Bild“, das zeigt, wie z. B. die chemische Zusammensetzung jeder Galaxie vom Zentrum zu den äußeren Regionen hin variiert.

Nicht zuletzt zeichnen moderne Simulationen der Galaxienentstehung und -entwicklung, wie die TNG50-Simulation (https://www.tng-project.org), die Geschichte von Tausenden von Galaxien in einem Modelluniversum von der Zeit nach dem Urknall bis zur Gegenwart nach. All diese Fortschritte waren nötig damit wir eine Antwort auf die Frage finden können, was außergalaktische Astronom*innen herausfänden, wenn sie ihre Teleskope auf die Milchstraße richten und deren chemische Zusammensetzung studieren würden.

Extragalaktische Astronomie
Genau das hat eine neue Studie unter der Leitung von Lian und Maria Bergemann (Max-Planck-Institut für Astronomie) getan. Konkret untersuchten Lian, Bergemann und ihre Kollegen die chemische Zusammensetzung von Sternen. Die Sterne, die wir um uns herum sehen, bestehen größtenteils aus Wasserstoff und Helium. Sie enthalten aber auch ein paar Elemente, die schwerer sind als Helium – solche Elemente heißen in der Astronomie (aber nicht in der gewöhnlichen Chemie!) „Metalle“.

Einige dieser Metalle entstehen im Inneren von Sternen und werden in den Weltraum geschleudert, wenn massereiche Sterne am Ende ihres Lebens explodieren. Andere entstehen in den äußeren Schichten aufgeblähter Riesensterne und werden von dort aus ins All geschleudert. Dabei gibt es einen allgemeinen Trend: Die Konzentration von Metallen im interstellaren Medium – in dem dünnen Gemisch aus Gas und Staub, das den Raum zwischen den Sternen ausfüllt – nimmt mit der Zeit zu. Sterne, die früher geboren wurden, enthalten weniger Metalle, später geborene Sterne enthalten mehr. Findet man heraus, in welchen Regionen einer Galaxie es Sterne mit weniger oder mehr Metallen gibt, dann kann man auf diese Weise rekonstruieren, in welcher Region die Sterne früher und in welcher Region sie später entstanden sind.

Von der lokalen Kosmologie zur Außenansicht
Unsere Heimatgalaxie, die Milchstraße, ist derzeit die einzige Spiralgalaxie, in der wir direkt eine groß angelegte Durchmusterung vieler einzelner Sterne durchführen können. Wir können die Positionen von Sternen innerhalb unserer Galaxie messen und über ihre Spektren ihren Metallgehalt, ihre Oberflächentemperatur und andere physikalische Eigenschaften feststellen. Lian, Bergemann und ihre Kollegen machten sich daran, zu rekonstruieren, was extragalaktische Astronom*innen sehen würden, wenn sie das Vorkommen von Metallen in der Milchstraße kartieren würden. Da unsere Heimatgalaxie eine Scheibengalaxie ist, lautet die Schlüsselfrage: Wie würde eine extragalaktischer Astronom*in aus der Ferne die Häufigkeit von Metallen in Abhängigkeit von der Entfernung einer Region vom Zentrum unserer Galaxie rekonstruieren?

Das herauszufinden erfordert einiges an Arbeit. Die Daten aus der APOGEE-Durchmusterung waren nur der Ausgangspunkt. Als Nächstes mussten die Forscher*innen die Tatsache berücksichtigen, dass wir von der Erde aus keinen freien Blick auf die Milchstraße haben: In einigen Richtungen befindet sich mehr Staub zwischen uns und weiter entfernten Sternen, der das Licht der Sterne abschwächt und einige der schwächsten Sterne ganz verdeckt. In anderen Richtungen wird es weniger Staub geben. Die Forscher*innen mussten die Beobachtungsdaten sowie das, was wir über Staub und die Eigenschaften von Sternen wissen, kombinieren, um die tatsächliche Verteilung der Sterne in unserer Galaxie zu rekonstruieren.

Der hochmetallische „Gürtel“ unserer Galaxis
Die Ergebnisse lieferten eine Überraschung. Verfolgt man den durchschnittlichen Metallgehalt der Sterne vom Zentrum der Galaxie aus nach außen, so steigt er an und erreicht in einer Entfernung von etwa 23 000 Lichtjahren vom Zentrum einen Metallgehalt, der dem unserer Sonne nahe kommt. (Zum Vergleich: Unsere Sonne ist rund 26 000 Lichtjahre vom galaktischen Zentrum entfernt.) In noch größerer Entfernung sinkt der durchschnittliche Metallgehalt dann allerdings wieder ab und beträgt in etwa 50 000 Lichtjahren Entfernung vom Zentrum nur noch ein Drittel des Sonnenwerts.

Um zu verstehen, was dort vor sich ging, untersuchten die Forscher Sterne verschiedener Altersgruppen – die APOGEE-Spektren ermöglichen immerhin eine grobe Schätzung des Sternalters. Bei der getrennten Betrachtung jüngerer und älterer Sterne stellten sie fest, dass jede Altersgruppe für sich einem ungebrochenen Trend folgt, mit einem höheren Metallgehalt näher am Zentrum und einem niedrigeren weiter außen. Der Anstieg und das Maximum der Gesamtverteilung waren ausschließlich darauf zurückzuführen, dass ältere Sterne (mit viel geringerem Metallgehalt) in der Nähe des galaktischen Zentrums häufiger vorkamen und somit den Gesamtdurchschnitt nach unten zogen, während jüngere Sterne weiter draußen häufiger wurden.

Unsere Milchstraße im intergalaktischen Vergleich
Lian, Bergemann und ihre Kollegen verglichen dieses interessante Ergebnis mit den Eigenschaften anderer Galaxien. Einerseits betrachteten sie dazu 321 Galaxien in der MaNGA-Durchmusterung, die alle eine ähnliche Masse wie die Milchstraße haben, ähnliche Mengen an Sternen produzieren und die wir alle einigermaßen in Draufsicht sehen, so dass die Änderung der durchschnittlichen Metallizität gemessen werden kann. Andererseits wandten die Forscher*innen die gleichen Kriterien an, um 134 milchstraßenähnliche Galaxien im Modelluniversum der TNG50-Simulation zu identifizieren.

Wie besonders ist also unsere Heimatgalaxie – oder eben nicht? Die Antwort in Bezug auf die chemische Zusammensetzung: Was die Verteilung der Metallhäufigkeiten angeht, ist unsere Milchstraße zwar ungewöhnlich, aber nicht einzigartig. Nur 11 % der Galaxien in der TNG50-Stichprobe und etwa 1 % der Galaxien in der MaNGA-Stichprobe zeigten ein ähnliches Auf und Ab der durchschnittlichen Metallizität. Die Diskrepanz zwischen 11 % und 1 % dürfte auf eine Kombination aus Unsicherheiten in den MaNGA-Daten und auf die Grenzen des Realismus des TNG50-Modelluniversums zurückzuführen zu sein.

Außerdem ist die Abnahme der durchschnittlichen Metallizität in den äußeren Regionen mit zunehmender Entfernung vom Zentrum bei der Milchstraße im Vergleich zu den MaNGA- und TNG50-Galaxien eher steil.

Die Frage nach dem Warum
Warum also hat die Milchstraße diese vergleichsweise ungewöhnlichen Eigenschaften, und was bedeuten diese Eigenschaften für die Entstehungsgeschichte unserer Heimatgalaxie? Es gibt mehrere Möglichkeiten, die vergleichsweise geringe Anzahl metallreicher Sterne in der Nähe des galaktischen Zentrums zu erklären. Sie könnte mit der Entstehung des so genannten Bulge zusammenhängen, einer näherungsweise kugelförmigen Region älterer Sterne, die das galaktische Zentrum in einer Entfernung von etwa 5000 Lichtjahren umgibt. Die Bildung des Bulges dürfte den größten Teil des verfügbaren Wasserstoffgases verbraucht haben, was die spätere Sternbildung in diesem Bereich erheblich erschwert hätte. Alternativ könnte die Knappheit mit einer aktiven Phase zusammenhängen, in der aus der unmittelbaren Nachbarschaft des zentralen supermassereichen Schwarzen Lochs im Zentrum unserer Galaxie Teilchen und Strahlung emittiert wurden, die die Sternentstehung hemmten.

Die Metallizität in den äußeren Regionen kann durch verschiedene Szenarien erklärt werden, welche die Entwicklung des Gases in unserer Heimatgalaxie mit der Geschichte der Sternentstehung in der galaktischen Scheibe kombinieren. Der steile Rückgang könnte ein Zeichen für eine ungewöhnliche Episode in der Geschichte unserer Galaxie sein – zum Beispiel könnte er darauf zurückgehen, dass unsere Heimatgalaxie eine kleinere Galaxie mit Gas „verschluckte“, die nur sehr wenig an Metallen enthielt. Dieses Gas hätte dann später als Rohstoff für die Bildung von Sternen mit weniger Metallen in der Scheibe gedient. Außerdem ist möglich, dass unsere Schätzung für die Ausdehnung der stellaren Scheibe der Milchstraße falsch ist und dass dieser Fehler den Vergleich mit anderen Galaxien verzerrt, wenn es darum geht zu beurteilen, wie steil die Metallizität abnimmt.

Ausblick
Maria Bergemann sagt zu den neuen Ergebnissen: „Die Ergebnisse sind sehr spannend! Das hier ist das erste Mal, dass wir die chemische Zusammensetzung unserer Galaxis sinnvoll mit den Messungen an zahlreichen anderen Galaxien vergleichen können. Die Ergebnisse sind wichtig für die nächste Generation umfassender Studien zur Galaxienentstehung. Solche Studien werden Daten aus zukünftigen, groß angelegten Beobachtungsprogrammen nutzen, die auf die Milchstraße oder auf weit entfernte Galaxien abzielen. Unsere Forschung zeigt, wie man diese beiden Arten von Datensätzen sinnvoll kombinieren kann.“

Alles in allem wirft die hier beschriebene Forschung eine Reihe von interessanten Fragen auf. Mit neuen Durchmusterungen und neuen Studien, die die Perspektive eines „extragalaktischen Astronom*innen“ einnehmen, können wir hoffen, Antworten zu finden und dabei die Geschichte unserer Heimatgalaxie besser zu verstehen.

Hintergrundinformationen
Die hier beschriebenen Ergebnisse wurden als J. Lian et al. „The integrated metallicity profile of the Milky Way“ in der Zeitschrift Nature Astronomy veröffentlicht (DOI: 10.1038/s41550-023-01977-z, https://www.nature.com/articles/s41550-023-01977-z, pdf: https://www.nature.com/articles/s41550-023-01977-z.pdf).

Die beteiligten MPIA-Forscher sind Jianhui Lian (außerdem Universität Yunnan), Maria Bergemann und Annalisa Pillepich in Zusammenarbeit mit Gail Zasowski (University of Utah) und Richard R. Lane (Universidad Bernardo O’Higgins, Santiago, Chile).

Diese Forschung wurde im Rahmen des ERC-Projekts ELEMENTS (https://www2.mpia-hd.mpg.de/~bergemann/elements.html) durchgeführt.

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