Quelle: MPE 23. Mai 2024.

23. Mai 2024 – Heute veröffentlicht die ESA-Weltraummission Euclid fünf neue, spektaktuläre Ansichten des Universums. Die noch nie zuvor gezeigten Bilder zeigen, dass Euclid in der Lage ist, die Geheimnisse des Kosmos zu entschlüsseln, und ermöglichen es den Wissenschaftlern, nach fremden Planeten zu suchen, Galaxien mit dem Gravitationslinseneffekt zur Untersuchung geheimnisvoller Materie zu nutzen und die Entwicklung des Universums zu erforschen. Die neuen Bilder begleiten die ersten wissenschaftlichen Daten der Mission, die ebenfalls heute veröffentlicht wurden, sowie mehrere wissenschaftliche Arbeiten. Im Fokus der ersten Datenanalyse stand unter anderem der Perseus-Galaxienhaufen, bei dem Wissenschaftler unter der Leitung des Max-Planck-Instituts für extraterrestrische Physik in Garching das schwache Licht innerhalb des Galaxienhaufens untersuchten.

Im Vorfeld der anstehenden Euclid-Hauptdurchmusterung beobachtete das Weltraumteleskop 17 astronomische Objekte, von nahen Gas- und Staubwolken bis hin zu weit entfernten Galaxienhaufen. Euclid wird die verborgenen, netzartigen Stukturen des Kosmos aufzeichnen, Milliarden von Galaxien in mehr als einem Drittel des Himmels kartieren, erforschen, wie sich unser Universum im Laufe der kosmischen Geschichte entwickelt hat, und die geheimnisvollsten seiner grundlegenden Bestandteile untersuchen: dunkle Energie und dunkle Materie.

Die Bilder sind weit mehr als nur schöne Schnappschüsse. Dank der neuartigen Beobachtungsmöglichkeiten von Euclid enthüllen sie neue physikalische Eigenschaften des Universums, die in einer Reihe von Veröffentlichungen der Euclid-Kollaboration näher erläutert werden (siehe ESA-Pressemitteilung). Euclid erstellte den neuen Katalog an nur einem einzigen Tag und entdeckte dabei mehr als elf Millionen Objekte im sichtbaren Licht und weitere fünf Millionen im Infrarotlicht. Daneben werden in fünf weiteren Arbeiten wichtige Aspekte der Euclid-Mission näher beschrieben.

Euclids Bild des Perseus-Galaxienhaufens wurde vor nur sechs Monaten als eines der ersten Bilder des Weltraumteleskops veröffentlicht. Perseus ist eines der spektakulärsten Objekte in unserer kosmischen Nachbarschaft: Er befindet sich in einer Entfernung von „nur“ 240 Millionen Lichtjahren (bei einer Rotverschiebung von z = 0,018) und ist der hellste Röntgenhaufen. Mit seiner hohen Gesamtmasse von 650 Billionen Sonnenmassen bindet seine Schwerkraft Tausende von Galaxien aneinander.

Zum ersten Mal konnte ein Team angeführt vom Max-Planck-Institut für Extraterrestrische Physik nun auch das diffuse Licht aus dem Perseus-Galaxienhaufen bis in die Randbereiche des Haufens analysieren. „Euclid bietet sowohl die nötige Empfindlichkeit als auch ein großes Gesichtsfeld, um das schwache Licht im Perseus-Haufen aufzufangen,“ sagt Matthias Kluge, Hauptautor der Studie, die nun zusammen mit 14 anderen Arbeiten veröffentlicht wurde. „Dieses Licht ist etwa 100.000-mal schwächer im Infraroten als der dunkelste Nachthimmel auf der Erde. Trotzdem macht es aufgrund seiner großen Ausdehnung rund 20% der Gesamt-Leuchtkraft des Haufens aus.“

Darüber hinaus nutzte das Team die hervorragenden Abbildungseigenschaften von Euclid im sichtbaren Licht – vergleichbar mit denen des Hubble-Weltraumteleskops – um 50.000 frei fliegende Kugelsternhaufen zu entdecken. Die Eigenschaften der Kugelsternhaufen und die bläuliche Farbe des diffusen Lichts deuten auf einen gemeinsamen Ursprung hin: Zum einen stammen sie aus den metallarmen Außenbereichen massereicher Haufengalaxien, die durch die Gezeitenkräfte des Haufens abgestreift wurden. Zum anderen steigt mit zunehmender Entfernung vom Haufenzentrum der Anteil der Zwerggalaxien, die ebenfalls durch die starken Gezeitenkräfte vollständig zerrissen wurden.

In einer weiteren Studie wurden zahlreiche noch existierende Zwerggalaxien im Perseus-Haufen nachgewiesen. Raphael Zöller vom MPE und der LMU war maßgeblich an den Messungen beteiligt: „Euclid befindet sich am zweiten Lagrange-Punkt weit außerhalb der Erdatmosphäre. Dank des dunklen Bildhintergrundes, der exzellenten Bildauflösung und des großen Gesichtsfeldes konnten wir 1100 Zwerggalaxien nachweisen, darunter Hunderte mit viel schwächerer Leuchtkraft als jemals zuvor im Perseus-Galaxienhaufen.“

Hintergrundinformationen
Euclid ist eine Weltraummission der Europäischen Weltraumagentur (ESA) mit Beiträgen der National Aeronautics and Space Administration (NASA). Im „Cosmic Vision“-Programm der ESA ist es die zweite M-Klasse-Mission.

VIS und NISP wurden von einem Konsortium aus Wissenschaftlern und Ingenieurinnen aus 17 Ländern entwickelt und gebaut, viele aus Europa, aber auch aus den USA, Kanada und Japan. Aus Deutschland beteiligen sich das Max-Planck-Institut für Astronomie (MPIA) in Heidelberg, das Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik (MPE) in Garching, die Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) in München, die Universität Bonn (UB), die Ruhr-Universität Bochum (RUB) sowie die Deutsche Raumfahrtagentur im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Bonn.

Die Deutsche Raumfahrtagentur im DLR koordiniert die deutschen ESA-Beiträge und stellt darüber hinaus aus dem Nationalen Raumfahrtprogramm Fördermittel in Höhe von 60 Millionen Euro für die beteiligten deutschen Forschungsinstitute zur Verfügung.

Deutschland ist mit rund 21 Prozent der größte Beitragszahler im ESA-Wissenschaftsprogramm.

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• Weltraumteleskop EUCLID

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Quelle: MPE 14. Februar 2024.

14. Februar 2024 – Eine neue Analyse davon, wie sich Galaxienhaufen im Laufe der Zeit entwickelt haben, hat präzise Messungen des gesamten Materiegehalts im Universums und seiner Verklumpung ergeben. Diese und andere Ergebnisse stellt das deutsche eROSITA-Konsortium unter Leitung des Max-Planck-Instituts für extraterrestrische Physik heute in einer Reihe von Veröffentlichungen vor. Sie entschärfen unter anderem eine Diskrepanz zwischen vorherigen Messungen der Verklumpung und geben gleichzeitig Aufschluss über die schwer fassbare Masse der Neutrinos und die Zustandsgleichung der dunklen Energie. Einer der größten Röntgenkataloge von Galaxienhaufen wurde ebenfalls heute veröffentlicht. Viele der Quellen waren bisher nicht bekannt, was das immense Entdeckungspotenzial von eROSITA verdeutlicht.

Vor zwei Wochen veröffentlichte das deutsche eROSITA-Konsortium seine Daten der ersten vollständigen Himmelsdurchmusterung. Das Hauptziel der Mission ist ein besseres Verständnis der Kosmologie mittels der Messung, wie sich Galaxienhaufen – einige der größten Strukturen in unserem Universum – im Laufe der kosmischen Zeit zusammenballen. eROSITA beobachtet die Röntgenstrahlung, die von heißem Gas in Galaxienhaufen emittiert wird, und kann damit sowohl die Gesamtmenge der Materie im Universum als auch deren Verklumpung präzise messen. Die eROSITA-Messungen beseitigen frühere Unstimmigkeiten zwischen bisherigen Messungen der Verklumpung mit verschiedenen Techniken, insbesondere dem kosmischen Mikrowellenhintergrund (CMB) und dem schwachen Gravitationslinseneffekt.

„eROSITA hebt damit die Messung der Entwicklung von Galaxienhaufen als Instrument für die Präzisionskosmologie auf eine neue Stufe“, sagt Dr. Esra Bulbul (MPE), die das eROSITA-Team für Galaxienhaufen und Kosmologie leitet und die bahnbrechenden Ergebnisse heute vorstellt. „Die kosmischen Parameter, die wir aus Galaxienhaufen messen, stimmen mit den modernsten CMB-Daten überein und zeigen, dass das gleiche kosmologische Modell von kurz nach dem Urknall bis heute gilt.“

Nach dem kosmischen Standardmodell, dem sogenannten Lambda Cold Dark Matter (ΛCDM)-Modell, war das junge Universum ein extrem heißes, dichtes Meer aus Photonen und Teilchen. Im Laufe der kosmischen Zeit wuchsen winzige Dichteunterschiede zu den großen Galaxien und Galaxienhaufen, die wir heute sehen. Die Beobachtungen der eROSITA-Galaxienhaufen zeigen, dass alle Arten von Materie (sichtbare und dunkle) 29 % der derzeitigen Gesamtenergiedichte des Universums ausmachen – in hervorragender Übereinstimmung mit Werten aus Messungen der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung aus der Frühzeit des Universums.

Neben der Messung der Gesamtmateriedichte hat eROSITA auch die Verklumpung der Materieverteilung mit Hilfe eines Parameters namens S8 gemessen. In den letzten Jahren hat sich in der Kosmologie die so genannte „S8-Spannung“ herausgebildet. Diese besteht darin, dass bei Studien basierend auf dem kosmischen Mikrowellenhintergrund ein höherer S8-Wert gemessen wird als z. B. bei kosmologischen Durchmusterungen aufgrund des schwachen Gravitationslinseneffekts. Es könnte auf eine neue Physik hindeuten, wenn diese Spannung nicht aufgelöst werden kann – und genau das hat eROSITA getan. „eROSITA sagt uns, dass sich das Universum während der gesamten kosmischen Geschichte verhalten hat wie erwartet“, sagt Dr. Vittorio Ghirardini, Postdoktorand am MPE und verantwortlich für die kosmologische Studie. „Es gibt keine Spannungen mit dem CMB – vielleicht können sich die Kosmologen jetzt ein wenig entspannen.“

Die größten Strukturen im Universum enthalten zudem Informationen über die kleinsten Teilchen: Neutrinos. Diese Leichtgewichte sind fast unmöglich zu entdecken. „Es mag paradox klingen, aber wir haben durch die Häufigkeit der größten Objekte im Universum enge Grenzen für die Masse der leichtesten bekannten Teilchen gefunden“, sagt Ghirardini. Obwohl Neutrinos klein sind, sind sie „heiß“, d. h. sie bewegen sich fast mit Lichtgeschwindigkeit. Daher neigen sie dazu, die Verteilung der Materie zu glätten – was durch die Analyse der Entwicklung der größten kosmischen Strukturen untersucht werden kann. „Wir stehen sogar kurz vor einem Durchbruch bei der Messung der Gesamtmasse der Neutrinos, wenn wir sie mit Neutrinoexperimenten auf der Erde zusammenbringen“, fügt Ghirardini hinzu. Die Häufigkeit der Haufen in den eROSITA-Daten allein ergibt eine Obergrenze für die Gesamtmasse von 0,22 eV; in Kombination mit den CMB-Daten verringert sich diese sogar auf 0,11 eV (bei einem Vertrauensniveau von 95 %). Dies ist die bisher genaueste kombinierte Messung aus allen kosmologischen Beobachtungen.

eROSITA kann uns aber noch mehr über die Beschaffenheit des Universums verraten. Die Gravitationstheorien sagen voraus, dass große kosmische Strukturen im Laufe der Entwicklung des Universums mit einer bestimmten Geschwindigkeit wachsen sollten. Mit den eROSITA-Daten kann diese Wachstumsrate gemessen werden. Die derzeitige Analyse hat bereits eine Reihe von Erweiterungen der Allgemeinen Relativitätstheorie Einsteins ausgeschlossen. „Aber es gibt noch mehr,“ sagt Dr. Emmanuel Artis, ein Postdoktorand am MPE. „Wenn wir irgendwelche Hinweise finden, wird eROSITA den Weg für neue spannende Theorien jenseits der Allgemeinen Relativitätstheorie weisen.“

All diese Ergebnisse basieren auf einem der bisher größten reinen Kataloge von Galaxienhaufen, der ebenfalls heute der Öffentlichkeit vorgestellt wird. In der Hälfte der ersten eROSITA-Himmelsdurchmusterung entdeckten die Wissenschaftler 12.247 optisch identifizierte Galaxienhaufen. „8.361 davon sind Neuentdeckungen – mehr als 80 %“, staunt Dr. Matthias Kluge, Postdoktorand am MPE und verantwortlich für die optische Identifikation der entdeckten Haufen. „Das zeigt das enorme Entdeckungspotenzial von eROSITA.“

Bezieht man die Entfernung der Galaxienhaufen mit ein, so befinden sich diese an den Schnittpunkten des sogenannten kosmischen Netzes. Der ebenfalls heute veröffentlichte Superhaufen-Katalog kartiert die Galaxienhaufen und wie sie mit großräumigen Filamenten miteinander verbunden sind. „Wir haben mehr als 1300 Superhaufensysteme gefunden, was dies zur bisher größten Sammlung von Röntgen-Superhaufen macht“, sagt Dr. Ang Liu, Postdoktorand am MPE.

Ein weiteres Erfolgsgeheimnis dieser Studie war die korrekte Reproduktion der eROSITA-Beobachtungen durch umfangreiche Computersimulationen. „Auf diese Weise konnten wir die Haufen in den eROSITA-Daten vollständig erfassen, indem wir verstanden, welche wir übersehen haben“, sagt Dr. Nicolas Clerc, Forscher am IRAP in Toulouse. „Der Umgang mit diesen so genannten ‚Selektionsfehlern‘ war eine zusätzliche Schwierigkeit bei unserer Arbeit“.

Um die Masse der einzelnen Sternhaufen zu messen, nutzten die Wissenschaftler des eROSITA-Teams ein schwaches Gravitationssignal, das aus drei optischen Durchmusterungen stammt: der von Europa geleiteten KiloDegree-Survey, der von den USA geleiteten Dark Energy Survey und das von Japan geleitete Hyper Suprime-Cam Subaru Strategic Program, ein wahrhaft globales Unterfangen. Der so genannte schwache Gravitationslinseneffekt tritt auf, wenn das Licht von Hintergrundgalaxien durch gravitative Wechselwirkungen mit dem Haufen im Vordergrund verzerrt wird. „Wir entschlüsseln dann diese Verzerrungen, um die Masse der Galaxienhaufen zu bestimmen“, sagt Sebastian Grandis, wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Universität Innsbruck.

„Während wir die monumentale Leistung des eROSITA-Teams würdigen, sind wir gespannt auf die aufregenden weiteren Entdeckungen, die unser Verständnis der Ursprünge und der Entwicklung unseres Universums vertiefen werden“, betont Dr. Esra Bulbul. Das eROSITA-Team ist gespannt darauf, die im Februar 2022 abgeschlossenen 4,5 vollständigen Himmelsdurchmusterungen weiter zu analysieren. „Wenn die vollständigen Daten ausgewertet sind, wird eROSITA erneut unsere kosmologischen Modelle dem strengsten Test unterziehen, der jemals mit einer Durchmusterung von Galaxienhaufen durchgeführt wurde.“

Hinweis
Dieses Projekt wurde vom Europäischen Forschungsrat (ERC) im Rahmen des Forschungs- und Innovationsprogramms Horizon 2020 der Europäischen Union gefördert („Grant Agreement No 101002585“).

Originalveröffentlichung
The SRG/eROSITA All-Sky Survey – Cosmology Constraints from Cluster Abundances in the Western Galactic Hemisphere
V. Ghirardini, E. Bulbul, E. Artis et al.
Submitted to A&A
https://arxiv.org/abs/2402.08458
pdf: https://arxiv.org/abs/2402.08458

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

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Dunkle Materie muss es geben – jene unsichtbare Materie, die auch unsere Galaxie vor dem Auseinanderfliegen bewahrt. Bis zu 85 Prozent aller Materie in unserem Universum sollte daraus bestehen. Aber wo ist sie? Und was ist sie? Als guter Kandidat galten und gelten hypothetische Teilchen namens WIMP (weakly interacting massive particles). Stimmt das, wäre unsere ganze Galaxie in einen Nebel aus jenen zwar massereichen, aber extrem flüchtigen Teilchen regelrecht eingebettet. Auch durch die Erde würden in jedem Moment Billionen von WIMPs fliegen.

Zwar gelten die WIMPs als guter Kandidat für die so dringend gesuchten Materieteilchen – aber ihr Nachweis auf der Erde gestaltet sich als schwierig. Oder doch nicht? Es gibt da zumindest ein Experiment in einem italienischen Labor, rund 1400 Meter unter der Erde, das behauptet: Wir haben die WIMPs gefunden! Und das schon seit über 25 Jahren!

Franzi erzählt die Geschichte des Dramas um das DAMA-Experiment: eine Geschichte vom Suchen und, nun ja, Nicht-Finden der Dunklen Materie – eine Erfolgsgeschichte der wissenschaftlichen Methode oder doch eher ein Trauerspiel?

Im AstroGeo Podcast erzählen sich die Wissenschaftsjournalisten Franziska Konitzer und Karl Urban alle regelmäßig eine Geschichte, die ihnen entweder die Steine unseres kosmischen Vorgartens eingeflüstert – oder die sie in den Tiefen und Untiefen des Universums aufgestöbert haben. Der Podcast ist auch auf iTunes oder Spotify zu finden.

Frühere Ausgaben des AstroGeo Podcast gibt es auf astrogeo.de. AstroGeo ist der Podcast der Riffreporter eG. Er ist frei verfügbar und entsteht durch die finanzielle Unterstützung seiner Hörerinnen und Hörer. Das geht mit einem monatlichen Abonnement oder einer Spende. Diese und jede andere Form der finanziellen Unterstützung hilft dabei, dass der Podcast weiter werbefrei bleibt.

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• AstroGeo Podcast
• Dunkle Materie

Der Beitrag AstroGeo Podcast: Dunkle Materie – Wo sind die WIMPs? erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Inzwischen hat man sich fast an den Gedanken gewöhnt, dass unser Universum voll Dunkler Materie ist. Die können wir zwar nicht sehen, aber sie sorgt dafür, dass unsere Galaxienhaufen und auch unsere eigene Galaxie nicht auseinanderfliegen. Tatsächlich ist die Dunkle Materie für uns überlebenswichtig. Da verzeiht man ihr es gerne, dass sie wohl 84 Prozent aller Materie im Universum ausmacht.

Seit Jahrzehnten suchen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler fieberhaft nach der Dunklen Materie – was gar so einfach ist, wenn man bedenkt, dass niemand sie sehen kann und sie auch nicht mit sichtbarer Materie wechselwirkt, aus der wir und alles um uns herum besteht. Aber, da sind Forschende fast sicher: Es muss sie einfach geben, die Dunkle Materie.

Aber warum muss es Dunkle Materie in unserem Universum geben? In dieser Folge von AstroGeo erzählt Franzi den Anfang einer Geschichte: die der Entdeckung der Dunklen Materie. Sie fängt mit dem Coma-Galaxienhaufen an, dessen Galaxien zu schnell unterwegs sind, hin zu Galaxien, die zu schnell rotieren und eigentlich auseinanderfliegen sollten. Doch schließlich war es die Kosmologie und der Wunsch nach einem ganz bestimmten Universum, welche der Dunklen Materie zu ihrem Durchbruch auf der wissenschaftlichen „Most-Wanted“-Liste verhalfen.

Im AstroGeo Podcast erzählen sich die Wissenschaftsjournalisten Franziska Konitzer und Karl Urban alle regelmäßig eine Geschichte, die ihnen entweder die Steine unseres kosmischen Vorgartens eingeflüstert – oder die sie in den Tiefen und Untiefen des Universums aufgestöbert haben. Der Podcast ist auch auf iTunes oder Spotify zu finden.

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• Dunkle Materie
• AstroGeo Podcast

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Quelle: Ludwig-Maximilians-Universität München 3. Mai 2023.

3. Mai 2023 – Als Edwin Hubble in den 1920er Jahren entfernte Galaxien beobachtete, machte er eine bahnbrechende Entdeckung: Das Universum dehnt sich immer weiter aus. Erst 1998 fanden Wissenschaftler durch die Beobachtung von Supernovae des Typs Ia schließlich heraus, dass sogar eine Phase der beschleunigten Expansion begonnen hat. „Um diese Beschleunigung zu erklären, brauchen wir eine Quelle“, sagt Joe Mohr, Astrophysiker an der LMU. „Und diese Quelle bezeichnen wir als „Dunkle Energie“.“ Sie liefert eine Art „Antischwerkraft“ zur Beschleunigung der kosmischen Expansion. Wissenschaftlich betrachtet ist die Existenz der Dunklen Energie und der kosmischen Beschleunigung durchaus überraschend, deutet sie doch darauf hin, dass unser derzeitiges Verständnis der Physik entweder unvollständig oder falsch ist. Welche Bedeutung die Entdeckung der sich beschleunigenden Expansion hat, zeigt der 2011 verliehene Nobelpreis für Physik. „Die Natur der Dunklen Energie ist längst zum nächsten Nobelpreisproblem geworden“, sagt Mohr.

Nun hat I-Non Chiu von der National Cheng Kung University in Taiwan gemeinsam mit den LMU-Astrophysikern Matthias Klein, Sebastian Bocquet und Joe Mohr eine erste Untersuchung der Dunklen Energie mit Hilfe des Röntgenteleskops eRosita veröffentlicht, im Focus stehen dabei die Galaxienhaufen im Universum.

Die von der Dunklen Energie möglicherweise verursachte Antigravitation drückt Materie auseinander und verhindert die Bildung großer kosmischer Objekte, die sich sonst aufgrund der anziehenden Wirkung der Gravitation bilden würden. Die Dunkle Energie beeinflusst somit auch, wo und wie die größten Objekte im Universum entstehen, die „Galaxienhaufen“ mit einer Gesamtmasse von 10¹³ bis 10¹⁵ Sonnenmassen. „Wir können viel über die Natur der Dunklen Energie lernen, wenn wir die Anzahl der im Universum gebildeten Galaxienhaufen als Funktion der Zeit – oder in der Beobachtungswelt als Funktion der Rotverschiebung – zählen“, erklärt Klein.

Allerdings sind Galaxienhaufen extrem selten und schwer zu finden, was Durchmusterungen eines großen Teils des Himmels mit den empfindlichsten Teleskopen der Welt erfordert. Zu diesem Zweck startete im Jahr 2019 das eROSITA-Röntgenteleskop unter der Leitung des Max-Planck-Instituts für extraterrestrische Physik (MPE) in München, es durchmustert seitdem den Himmel auf der Suche nach Galaxienhaufen. In der sogenannten eROSITA Final Equatorial-Depth Survey (eFEDS), einer Mini-Durchmusterung, die der Leistungsüberprüfung der folgenden All-Sky-Durchmusterung diente, wurden zunächst rund 500 Galaxienhaufen nachgewiesen. Es ist eine der größten Stichprobe massearmer Galaxienhaufen. Sie deckt die letzten 10 Jahrmilliarden in der kosmischen Entwicklung ab.

Chiu und seine Kollegen nutzten für ihre Untersuchung nicht nur die eFEDS Daten, sondern zusätzlich einen weiteren Datensatz, nämlich die optischen Daten des sogenannten Hyper-Suprime-Cam Subaru Strategic Program, das von Taiwan, Japan und Princeton University geleitet wird. Der ehemalige LMU Doktorand I-Non Chiu und seine LMU-Kollegen nutzten diese Daten, um die Galaxienhaufen in eFEDS zu charakterisieren und ihre Massen mithilfe des schwachen Gravitationslinseneffektes zu messen. Die Kombination beider Datensätze ermöglichte die erste kosmologische Studie mit Galaxienhaufen, die von eROSITA entdeckt wurden.

Die Ergebnisse zeigen, dass die Dunkle Energie nach dem Vergleich zwischen den Daten und den theoretischen Vorhersagen 76 Prozent der gesamten Energiedichte im Universum ausmacht. Außerdem ergaben die Berechnungen, dass die Energiedichte der Dunklen Energie gleichmäßig im Raum und konstant in der Zeit zu sein scheint. „Unsere Ergebnisse stimmen gut mit anderen unabhängigen Ansätzen überein, wie zum Beispiel früheren Untersuchungen von Galaxienhaufen sowie solchen, die schwache Gravitationslinsen und den kosmischen Mikrowellenhintergrund verwenden“, sagt Bocquet. Bislang deuten alle Beobachtungsergebnisse, einschließlich der jüngsten Ergebnisse von eFEDS, darauf hin, dass die Dunkle Energie durch eine einfache Konstante beschrieben werden kann, die gewöhnlich als „kosmologische Konstante“ bezeichnet wird.

„Die derzeitigen Fehler bei der Bestimmung der Dunklen Energie sind zwar immer noch größer, als wir es uns wünschen würden, aber bislang nutzt unsere eFEDS-Stichprobe auch nur einen Bereich von weniger als 1 Prozent des gesamten Himmels“, sagt Mohr. Die erste Analyse könnte somit eine gute Grundlage für künftige Studien der eROSITA-Stichprobe für den gesamten Himmel sowie für andere Haufenproben bieten.

Originalpublikation:
I-Non Chiu, Matthias Klein, Joseph Mohr, Sebastian Bocquet. Cosmological constraints from galaxy clusters and groups in the eROSITA final equatorial depth survey. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 2023
doi.org/10.1093/mnras/stad957
https://academic.oup.com/mnras/article/522/2/1601/7110415

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• Dunkle Energie

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Quelle: Universität Heidelberg 14. Dezember 2022.

14. Dezember 2022 – Mit den Beobachtungen einer weit entfernten und sehr hellen Galaxie hat ein internationales Forschungsteam mithilfe des James Webb Space Telescope (JWST) einen Galaxienhaufen und zugleich eines der dichtesten bekannten Gebiete der Galaxienentstehung im frühen Universum entdeckt. Die Beobachtungen mit dem neuen Weltraumteleskop enthüllten einen Galaxien-Protohaufen, der sich im Umfeld eines Quasars bildet. Dieser noch in Entstehung begriffene Galaxienhaufen könnte Aufschluss darüber geben, wie sich die Galaxien im frühen Universum zum heute sichtbaren kosmischen Netz entwickelt haben. Geleitet wurden die Forschungsarbeiten von Dr. Dominika Wylezalek, Wissenschaftlerin am Zentrum für Astronomie der Universität Heidelberg (ZAH).

Ziel der Untersuchungen war eine Galaxie mit einem sehr aktiven und hellen Kern, der von einem extrem massereichen Schwarzen Loch im Herzen der Galaxie gespeist wird. Von einem solchen als Quasar bezeichneten Kern wird angenommen, dass er einen sogenannten galaktischen Wind auslösen kann, der Gas aus der Heimatgalaxie verdrängt. Diese Ausflüsse von Materie könnten damit die Entstehung anderer Sterne und Galaxien beeinflussen. Das internationale Forschungsteam unter der Leitung von Dr. Wylezalek hat den Quasar SDSS J165202.64+172852.3 – kurz J1652 – mit dem James Webb Space Telescope beobachtet. Er existierte bereits im sehr frühen Universum, das heißt vor etwa 11,5 Milliarden Jahren. Sein auffälliges rotes Licht wurde durch seine große Entfernung und die Ausdehnung des Universums in den Infrarotbereich verschoben. Daher eignet sich der Quasar J1652 ganz besonders für Beobachtungen mit dem für diesen Spektralbereich konzipierten James-Webb-Teleskop.

In früheren Untersuchungen konnte nachgewiesen werden, dass schnelle Gasausflüsse von dem Quasar angetrieben werden; zudem wurden Hinweise auf das Verschmelzen des Quasars mit einer Nachbargalaxie gefunden. Überraschenderweise bestätigen die Beobachtungen mit dem JWST, dass nicht nur eine einzige Galaxie, sondern mindestens drei weitere mit hoher Geschwindigkeit und sehr dicht gepackt umherwirbeln. In der Wissenschaft wird ein derartiges System auch als Galaxien-Protohaufen bezeichnet – ein Galaxienhaufen in der Phase der Entstehung. Die Objekte im direkten Umfeld des Quasars wurden im infraroten Spektralbereich analysiert. Sie deuten nach Angaben von Dr. Wylezalek darauf hin, dass J1652 Teil eines dichten Knotens der Galaxienentstehung ist. Erst die hervorragenden bildgebenden und spektroskopischen Fähigkeiten des James Webb Space Telescope erlauben diese Schlussfolgerung. „Es gibt nur wenige Galaxien-Protohaufen, die zu diesem frühen Zeitpunkt bekannt sind. Sie sind schwer zu finden und nur sehr wenige hatten seit dem Urknall Zeit, sich zu bilden. Unsere Entdeckung könnte dabei helfen, zu verstehen, wie sich Galaxien in dichten Umgebungen entwickeln“, so die Astrophysikerin. „Wir werfen einen Blick in die frühesten Entwicklungsphasen dieser Galaxien.“

Das internationale Forscherteam glaubt, eines der dichtesten bekannten Gebiete der Galaxienentstehung im frühen Universum entdeckt zu haben – aufgrund der Geschwindigkeit, mit der drei bestätigte Galaxien einander umkreisen, und der Dichte, mit der sie in die Region um den Quasar „gepackt“ sind. „Selbst ein dichter Knoten aus Dunkler Materie reicht nicht aus, um die von uns beobachteten Eigenschaften zu erklären. Wir nehmen an, dass wir eine Region sehen, in der zwei Knoten aus Dunkler Materie miteinander verschmelzen“, sagt die Wissenschaftlerin, die an der Universität Heidelberg eine Emmy-Noether-Nachwuchsgruppe an dem zum ZAH gehörenden Astronomischen Rechen-Institut leitet. Von Folgebeobachtungen erhofft sie sich Aufschluss darüber, wie solche dichten, chaotischen Galaxienhaufen entstehen und wie sie sich zum heute sichtbaren kosmischen Netz entwickelt haben. Mit ihrem Team, zu dem auch Postdoktorandin Dr. Caroline Bertemes gehört, will Dr. Wylezalek zunächst herausfinden, welchen Einfluss galaktische Winde und die von dem aktiven, supermassiven Schwarzen Loch in seinem Herzen erzeugten Quasar-Rückkopplungen auf den Protohaufen ausüben.

An den Forschungsarbeiten waren neben dem Heidelberger Team auch weitere Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus Deutschland sowie aus Frankreich, Großbritannien, Mexiko und den USA beteiligt. Die Beobachtungen mit dem James Webb Space Telescope fanden im Rahmen des sogenannten Early Release Science-Programms innerhalb der ersten fünf Monate nach Beginn des wissenschaftlichen Betriebs des JWST statt. Die Deutsche Forschungsgemeinschaft, die Daimler und Benz Stiftung und das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt haben die Arbeiten an der Universität Heidelberg unterstützt. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift „The Astrophysical Journal Letters“ veröffentlicht.

Originalpublikation:
D. Wylezalek, A. Vayner, D. S. N. Rupke, N. L. Zakamska, S. Veilleux, Y. Ishikawa, C. Bertemes, W. Liu, J. K. Barrera-Ballesteros, H.-W. Chen, A. D. Goulding, J. E. Greene, K. N. Hainline, F. Hamann, T. Heckman, S. D. Johnson, D. Lutz, N. Lützgendorf, V. Mainieri, R. Maiolino, N. P. H. Nesvadba, P. Ogle, E. Sturm: First Results from the JWST Early Release Science Program Q3D: Turbulent Times in the Life of a z ∼ 3 Extremely Red Quasar Revealed by NIRSpec IFU, The Astrophysical Journal Letters (15 November 2022), DOI: 10.3847/2041-8213/ac98c3, https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ac98c3, pdf: https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ac98c3/pdf.

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• JWST – James Webb Space Telescope

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Quelle: Universität Hamburg 28. September 2022.

28. September 2022 – Aus großer Entfernung betrachtet, ist Masse im Universum nicht gleichmäßig verteilt, sondern ähnelt einer netzartigen Struktur, dem sogenannten kosmischen Netz. An den Knotenpunkten des kosmischen Netzes befinden sich häufig tausende Galaxien. Das Aufeinanderprallen solcher Galaxienhaufen gilt nach dem Urknall als eines der mächtigsten astronomischen Ereignisse überhaupt. Bei solchen Kollisionen werden winzige geladene Teilchen fast auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigt. Dadurch entsteht Radiostrahlung, die mit speziellen Teleskopen messbar ist.

Mithilfe des weltgrößten Radioteleskops, dem „Low Frequency Array“ (LOFAR), hat ein internationales Team unter Leitung von Dr. Virginia Cuciti von der Hamburger Sternwarte nun vier Galaxienhaufen aufgespürt, die von einer Hülle schwacher Radiostrahlung umgeben sind. Dieses Phänomen bezeichnet die Forschungsgruppe als „Megahalos“. Sie sind etwa 30 Mal größer als alle bisher bekannten Radioquellen. „Wir haben also gigantische kosmische Teilchenbeschleuniger entdeckt“, erklärt Cuciti, Hauptautorin der Studie und Alexander-von-Humboldt-Stipendiatin an der Universität Hamburg.

„Die Wahrscheinlichkeit ist groß, dass die vier entdeckten Megahalos nur die Spitze des Eisbergs eines weit verbreiteten kosmologischen Phänomens sind und künftige Beobachtungen weitere Megahalos zu Tage fördern werden,“ sagt Dr. Cuciti. „Das bedeutet auch, dass weitere Beobachtungen Megahalos in viel mehr Galaxienhaufen aufdecken könnten“, fügt Prof. Dr. Marcus Brüggen, Mitautor der Studie, hinzu. Megahalos deuten darauf hin, dass die meisten Teile des Universums mit ultraschnellen Elektronen und mit Magnetfeldern gefüllt sind, und dass es einen Mechanismus geben muss, diese Elektronen sehr effizient zu beschleunigen.

LOFAR ist ein europaweites Netz von Radioantennen, dessen Kernstück sich in den Niederlanden befindet. Das Teleskop ist darauf ausgelegt, niedrigfrequente Radiowellen im Bereich von 10-240 MHz aufzuspüren. Es wird von dem niederländischen Institut für Radioastronomie betrieben. Frankreich, Deutschland, Irland, Italien, Lettland, Polen, Schweden, Bulgarien und Großbritannien sind Partnerländer.

Aktuell durchläuft LOFAR ein großes Upgrade, um seine Empfindlichkeit zu erhöhen. Diese Aufrüstung wird es den Forschenden ermöglichen, die Radiowellen des Universums auf noch nie dagewesene Weise zu erforschen und weitere Megahalos zu entdecken.

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• Radioteleskop LOFAR

Der Beitrag Bis zehn Millionen Lichtjahre groß: Gigantische Radioquellen im Universum entdeckt erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: MPA 28. Juli 2022.

28. Juli 2022 – Als Gravitationslinse vervielfacht und vergrößert SMACS J0723.3−7327 Bilder von Hintergrundgalaxien. Eine Familie solcher Mehrfachbilder gehört zu einer Galaxie, deren Entfernung sich mithilfe des neuen Modells auf 13 Milliarden Lichtjahre schätzen lässt. Wenn dies bestätigt wird, unterstreicht es die Bedeutung genauer Gravitationslinsenmodelle für die Identifizierung entfernter Galaxien und ihre detaillierte Untersuchung.

Das erste vom James Webb Space Telescope (JWST) veröffentlichte wissenschaftliche Bild zeigt den Galaxienhaufen SMACS J0723.3−7327. Insbesondere Galaxienhaufen können als Gravitationslinsen wirken und das Licht von Hintergrundgalaxien verstärken sowie mehrere Bilder von diesen erzeugen. Vor JWST waren hinter SMACS J0723.3−7327 insgesamt 19 Mehrfachbilder von sechs Hintergrundquellen bekannt. Die JWST-Daten enthüllten nun 27 zusätzliche Mehrfachbilder von zehn weiteren Objekten.

„In diesem ersten Schritt haben wir die Daten dieses brandneuen Teleskops verwendet, um den Linseneffekt von SMACS0723 mit großer Genauigkeit zu modellieren“, betont Gabriel Bartosch Caminha, Postdoc-Fellow am Max-Planck-Institut für Astrophysik (MPA), der Technischen Universität München und dem German Centre for Cosmological Lensing (GCCL). Die Forschenden verwendeten zunächst Daten des Hubble Space Telescopes (HST) und des Multi Unit Spectroscopic Explorers (MUSE), um ein „Pre-JWST“-Linsenmodell zu erstellen, und verfeinerten es dann mit den neu verfügbaren JWST-Nahinfrarotdaten. „Die JWST-Aufnahmen sind absolut verblüffend und wunderschön. Sie zeigen viel mehr Mehrfachbilder von Hintergrundquellen, die es uns ermöglichten, unser Massenmodell für die Gravitationslinse erheblich zu verbessern“, fügt er hinzu.

Von den neu entdeckten, gelinsten Objekten gibt es bisher noch keine Entfernungsschätzungen. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler verwendeten ihr neues Modell für die Massenverteilung, um die Entfernung dieser Linsengalaxien abzuschätzen. Ein Objekt scheint sich demnach in der erstaunlichen Entfernung von 13 Milliarden Lichtjahren zu befinden (Rotverschiebung > 7,5), das heißt sein Licht wurde in den frühen Entwicklungsstadien unseres Universums emittiert. Von dieser Galaxie entstanden drei Mehrfachbilder und ihre Helligkeit wurde insgesamt um etwa das 20-fache verstärkt.

Um solche weit entfernten Objekte zu untersuchen, ist es jedoch von grundlegender Bedeutung, den Linseneffekt des Galaxienhaufens im Vordergrund genau zu beschreiben. „Unser genaues Massenmodell bildet die Grundlage für die Untersuchung der JWST-Daten“, betont Sherry Suyu, Forschungsgruppenleiterin am MPA und dem Exzellenzcluster Origins, außerordentliche Professorin an der Technischen Universität München und Gastwissenschaftlerin am Academia Sinica Institut für Astronomie und Astrophysik. „Die spektakulären JWST-Bilder zeigen eine große Vielfalt stark gelinster Galaxien, die dank unseres genauen Modells jetzt im Detail untersucht werden können“, erläutert sie.

Das neue Modell für die Massenverteilung des Vordergrundhaufens ist in der Lage, die Positionen aller Mehrfachbilder mit hoher Genauigkeit zu reproduzieren und ist damit eines der besten verfügbaren Massenmodelle. Für Folgestudien dieser Quellen werden die Linsenmodelle, einschließlich Vergrößerungskarten (magnification maps) und Rotverschiebungen (also Entfernungen), die aus dem Modell geschätzt werden, öffentlich zugänglich gemacht. „Wir freuen uns sehr darüber“, fügt Suyu hinzu, „und wir warten gespannt auf zukünftige JWST-Beobachtungen anderer Galaxienhaufen mit starkem Linseneffekt. Diese werden es uns nicht nur ermöglichen, die Massenverteilungen von Galaxienhaufen besser einzugrenzen, sondern auch Galaxien mit hoher Rotverschiebung zu untersuchen.“

Publikation
G. B. Caminha, S. H. Suyu, A. Mercurio, G. Brammer, P. Bergamini, A. Acebron, and E. Vanzella: First JWST observations of a gravitational lens – Mass model of new multiple images with near-infrared observations of SMACS J0723.3−7327, submitted to A&A Letters.
https://arxiv.org/abs/2207.07567
pdf: https://arxiv.org/pdf/2207.07567

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• JWST – James Webb Space Telescope

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Quelle: Universität Bonn.

Vor einem halben Jahr meldeten Astronomen der Universität Bonn die Entdeckung eines extrem langen intergalaktischen Gasfadens mit dem Röntgenteleskop eROSITA. In einer neuen Studie haben sie sich nun auf eine interessante Struktur in dem Faden konzentriert, den nördlichen Klumpen. Ihre neuen Beobachtungsdaten belegen, dass es sich dabei um einen Galaxienhaufen mit einem schwarzen Loch im Zentrum handelt. Der Gasfaden ist demnach eine galaktische Materiestraße: Der nördliche Klumpen bewegt sich auf ihr auf zwei weitere riesige Galaxienhaufen zu und wird irgendwann mit ihnen verschmelzen. Die Veröffentlichung erfolgt in der Zeitschrift Astronomy & Astrophysics, zusammen mit weiteren Arbeiten, die aus Anlass der ersten eROSITA-Daten erscheinen.

Das Universum ähnelt einem Schweizer Käse – allerdings einem mit riesigen Löchern: Große Bereiche im All sind absolut leer. Dazwischen tummeln sich auf vergleichsweise engem Raum Tausende von Galaxien. Diese Cluster sind durch Straßen aus dünnem Materiegas miteinander verbunden, wie durch die hauchdünnen Fäden eines Spinnennetzes.

So sagt es zumindest das Standardmodell der Kosmologie voraus. Ob es sich tatsächlich so verhält, war bis vor kurzem kaum zu belegen. Denn die Materie in den Gasfäden ist so stark verdünnt, dass sie sich dem Blick selbst der empfindlichsten Messinstrumente entzog: Die Fäden enthalten pro Kubikmeter gerade einmal zehn Teilchen – das ist sehr viel weniger, als in dem besten Vakuum vorhanden sind, das Menschen herstellen können.

Entsprechend viel Aufsehen erregte im letzten Winter eine Studie unter Federführung der Universität Bonn. Die Forschenden hatten einen intergalaktischen Gasfaden von mindestens 50 Millionen Lichtjahren Länge entdeckt, der von zwei riesigen Galaxienhaufen ausgeht. „In diesem Faden gibt es einen weiteren Galaxienhaufen, den nördlichen Klumpen“, erklärt Prof. Dr. Thomas Reiprich vom Argelander-Institut für Astronomie der Universität Bonn. „In der jetzt erschienenen Arbeit haben wir ihn genauer unter die Lupe genommen.“

Bugwelle und Materieschweif
Die Wissenschaftler kombinierten dazu Aufnahmen verschiedener Quellen miteinander: der Satelliten SRG/eROSITA, XMM-Newton und Chandra sowie der EMU-Durchmusterung mit dem ASKAP-Radioteleskop und optische DECam Daten. Auf diese Weise entstanden Bilder mit nie gesehenem Detailreichtum. „So können wir im Mittelpunkt des nördlichen Klumpen eine große Galaxie ausmachen“, sagt Reiprichs Mitarbeiterin und Erstautorin der Studie Angie Veronica. „In ihrem Zentrum wiederum befindet sich ein supermassereiches schwarzes Loch.“ Von ihm gehen zwei so genannte Materiejets aus, in denen sich die Teilchen mit annähernd Lichtgeschwindigkeit vom schwarzen Loch entfernen. Dabei entsteht Synchroton-Strahlung, die sich in den Radioteleskop-Aufnahmen sichtbar machen lässt.

Darüber hinaus enthält der nördliche Klumpen sehr heißes Materiegas. „Aufgrund seiner hohen Temperatur von 20 Millionen Grad emittiert es Röntgenstrahlung, die wir in den eROSITA-Bildern sehen und mit dem XMM-Newton Satelliten nun sehr genau vermessen konnten“, sagt Veronica. Insgesamt zeigt die Kombination der Datenquellen, dass der nördliche Klumpen sich wahrscheinlich mit hoher Geschwindigkeit bewegt. Die Materiejets, die vom schwarzen Loch ausgehen, weisen wie die Zöpfe eines rennenden Mädchens nach hinten; vor dem Klumpen scheint das Gas zudem eine Art Bugwelle zu bilden. „Zudem sehen wir hinter ihm einen Materieschweif“, erklärt Reiprich. „Wir interpretieren diese Beobachtung momentan so, dass der nördliche Klumpen bei seiner Reise Materie verliert. Allerdings könnte es auch so sein, dass noch kleinere Materieklumpen in der Straße auf den nördlichen Klumpen zufallen.“

Insgesamt bestätigen die Beobachtungen die aus Theorien abgeleitete These, dass es sich bei dem Gasfaden um eine intergalaktische Materiestraße handelt. Der nördliche Klumpen bewegt sich auf dieser Straße mit hoher Geschwindigkeit auf zwei weitere, sehr viel größere Galaxienhaufen namens Abell 3391 und Abell 3395 zu. „Er fällt sozusagen auf diese Haufen und wird sie weiter vergrößern – ganz nach dem Prinzip: Wer hat, dem wird gegeben“, erklärt Reiprich, der auch Mitglied im transdisziplinären Forschungsbereich „Bausteine der Materie“ an der Universität Bonn ist. „Was wir sehen, ist eine Momentaufnahme dieses Falls.“

Beobachtungen in Übereinstimmung mit theoretischen Vorhersagen
Die Beobachtungen stimmen erstaunlich gut mit dem Ergebnis der Magneticum-Computersimulationen überein, die von Forschern des eROSITA-Konsortiums entwickelt wurden. Sie lassen sich daher auch als Argument dafür werten, dass die heute gültigen Annahmen über die Entstehung und Entwicklung des Universums korrekt sind. Dazu zählt auch die These, dass ein großer Teil der Materie für unsere Messinstrumente unsichtbar ist. 85 Prozent unseres Universums sollen aus dieser „dunklen Materie“ bestehen. Im Standardmodell der Kosmologie spielt sie unter anderem eine wichtige Rolle als Kondensationskeim, der nach dem Urknall die Verdichtung der gasförmigen Materie zu Galaxien bewirkte.

Beteiligte Institutionen und Förderung:
An der Studie waren über 20 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus Deutschland, Italien, den USA und Australien beteiligt. eROSITA wurde mit Mitteln der Max-Planck-Gesellschaft und des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) entwickelt. Die aktuelle Studie wurde durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert.

Publikation:
Angie Veronica u.a.: The eROSITA view of the Abell 3391/95 field: The Northern Clump. The largest infalling structure in the longest known gas filament observed with eROSITA, XMM-Newton, and Chandra.
Astronomy & Astrophysics, der Artikel wird in der Astronomy & Astrophysics-Spezialausgabe erscheinen: The Early Data Release of eROSITA and Mikhail Pavlinsky ART-XC on the SRG Mission, vorab auf

Verwandte Meldung bei Raumfahrer.net:

• Längster intergalaktischer Gasfaden entdeckt (17. Dezember 2020)

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• Röntgenteleskope ART-XC und eRosita auf Spektr-RG (SRG)
• Galaxien – Entstehung und Entwicklung

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Quelle: AIP.

Eine Rotation in dieser Größenordnung wurde bisher noch nie beobachtet. Die in Nature Astronomy veröffentlichten Ergebnisse deuten an, dass Drehimpulse auf noch nie dagewesenen Skalen erzeugt werden können.

Kosmische Filamente sind riesige Brücken aus Galaxien und Dunkler Materie, die Galaxienhaufen miteinander verbinden. Sie leiten Galaxien zu und in große Galaxienhaufen, die sich an ihren Enden befinden. „Indem wir die Bewegung von Galaxien in diesen riesigen kosmischen Autobahnen mit Hilfe des Sloan Digital Sky Survey – einer Himmelsdurchmusterung zur Vermessung von Hunderttausenden von Galaxien – untersuchten, fanden wir eine bemerkenswerte Eigenschaft dieser Filamente: Sie drehen sich“, sagt Peng Wang, Erstautor der jetzt veröffentlichten Studie und Astronom am AIP. „Obwohl es sich um dünne Zylinder – ähnlich der Form eines Bleistifts – handelt, die Hunderte von Millionen Lichtjahren lang sind, aber nur wenige Millionen Lichtjahre im Durchmesser, drehen sich diese fantastischen Materieströme“, ergänzt Noam Libeskind, Initiator des Projekts am AIP. „Auf diesen Skalen wirken die Galaxien in ihnen wie Staubkörnchen. Sie bewegen sich auf helix- oder korkenzieherartigen Bahnen, rotieren um die Achse des Filaments, während sie sich in ihm in Längsrichtung bewegen. Eine solche Drehung wurde noch nie zuvor auf solch enormen Skalen beobachtet und impliziert, dass es einen noch unbekannten dafür verantwortlichen physikalischen Mechanismus gibt.“

Wie der für die Rotation verantwortliche Drehimpuls entsteht, ist eines der ungelösten Schlüsselprobleme der Kosmologie. Im Standardmodell der Strukturbildung im Universum wachsen kleine „Überdichten“, die im frühen Universum vorhanden sind, durch gravitative Instabilität, da Materie von unter- zu überdichten Regionen fließt. In der Theorie ist eine solche Strömung drehungs- oder wirbelfrei: Da es keine ursprüngliche Rotation im frühen Universum gibt, muss diese bei der Bildung von Strukturen erzeugt werden. Das kosmische Netz im Allgemeinen und Filamente im Besonderen sind eng mit der Entstehung und Entwicklung von Galaxien verbunden. Sie haben zudem einen starken Einfluss auf den Spin, die Eigenrotation, von Galaxien und regulieren oft die Richtung, in der Galaxien und ihre Halos aus Dunkler Materie rotieren. Es ist jedoch nicht bekannt, ob nach dem derzeitigen Modell der Strukturbildung die Filamente selbst, als nicht kollabierte quasi-lineare Objekte, sich drehen.

„Angeregt durch die Vermutung des Theoretikers Dr. Mark Neyrinck, dass Filamente sich drehen könnten, untersuchten wir die beobachtete Galaxienverteilung im Hinblick auf Filamentrotation“, sagt Noam Libeskind. „Es ist fantastisch, die Bestätigung dafür zu sehen, dass intergalaktische Filamente sowohl im realen Universum als auch in Computersimulationen rotieren.“ Mit Hilfe einer ausgeklügelten Kartierungsmethode segmentierten sie die beobachtete Galaxienverteilung in ihre zugrunde liegende Filamentstruktur und betrachteten jedes Filament näherungsweise als einen langgestreckten Zylinder. Die Galaxien darin unterteilten sie in zwei Bereiche entlang der Achse des Filaments und ermittelten sorgfältig die mittlere Rotverschiebungsdifferenz zwischen den beiden Regionen. Die mittlere Rotverschiebungsdifferenz gibt Aufschluss über die Geschwindigkeitsdifferenz (die Dopplerverschiebung) zwischen den Galaxien auf der sich von uns weg rotierenden und der in unsere Richtung rotierenden Seite der Röhre des Filaments. Somit ist die Bestimmung der Rotation des Filaments möglich. Die Studie impliziert, dass Filamente im Universum je nach Beobachtungswinkel und der Masse der sich an ihren Endpunkten befindlichen Galaxienhaufen ein deutliches Signal zeigen, das auf eine Rotationsbewegung schließen lässt.

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
Possible observational evidence for cosmic filament spin
Possible observational evidence that cosmic filaments spin
DOI: Possible observational evidence for cosmic filament spin

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• Kosmologie

Der Beitrag Entdeckung der größten Rotationsbewegung im Universum erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: AIfA Universität Bonn.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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Quelle: ESA.

Astronomen gehen seit Jahrzehnten davon aus, dass sich das Universum in allen Richtungen gleich schnell ausdehnt. Eine neue Studie, die auf Daten der XMM-Newton-Mission der ESA, der NASA-Mission Chandra und des deutschen ROSAT-Röntgensatelliten (DLR) basiert, legt nahe, dass diese Schlüsselprämisse der Kosmologie falsch sein könnte.

Konstantinos Migkas, ein promovierter Astronom und Astrophysiker an der Universität Bonn, und sein Professor Thomas Reiprich wollten ursprünglich eine neue Methode verifizieren, mit der Astronomen die so genannte Isotropie-Hypothese überprüfen können. Nach dieser Annahme hat das Universum trotz einiger lokaler Unterschiede im Großmaßstab in jeder Richtung die gleichen Eigenschaften.

Diese Hypothese ist als Ergebnis einer gut etablierten Fundamentalphysik weithin anerkannt und wurde durch Beobachtungen des kosmischen Mikrowellenhintergrunds gestützt. Dieser ist ein direkter Überrest des Urknalls und spiegelt den Zustand des Universums in seinen Anfängen, im Alter von nur 380 000 Jahren, wider. Die gleichmäßige Verteilung des kosmischen Mikrowellenhintergrunds am Himmel deutet darauf hin, dass sich das Universum in diesen frühen Tagen schnell und mit gleicher Geschwindigkeit in alle Richtungen ausdehnte.

Im heutigen Universum ist dies jedoch möglicherweise nicht mehr der Fall.

„Gemeinsam mit Kollegen von der Universität Bonn und der Harvard University haben wir das Verhalten von über 800 Galaxienhaufen im heutigen Universum untersucht“, sagt Konstantinos. „Wenn die Isotropie-Hypothese richtig wäre, wären die Eigenschaften dieser Haufen über den ganzen Himmel gleichförmig. Aber wir sahen tatsächlich signifikante Unterschiede.“

Die Astronomen verwendeten Röntgen-Temperaturmessungen des extrem heißen Gases, das die Galaxienhaufen durchdringt, und verglichen die Daten damit, wie hell die Haufen am Himmel erscheinen. Haufen, auch Cluster genannt, mit gleicher Temperatur und in ähnlicher Entfernung sollten ähnlich hell erscheinen. Aber das ist nicht das, was die Astronomen beobachtet haben.

„Wir sahen, dass Cluster mit den gleichen Eigenschaften, mit ähnlichen Temperaturen, weniger hell zu sein schienen als das, was wir in einer Richtung des Himmels erwarten würden, und in einer anderen Richtung heller als erwartet“, sagt Thomas. „Der Unterschied war recht signifikant, etwa 30 Prozent. Diese Unterschiede sind nicht zufällig, sondern weisen ein klares Muster auf, das von der Richtung abhängt, in der wir am Himmel beobachtet haben.

Bevor das weithin akzeptierte kosmologische Modell, das die Grundlage für die Schätzung der Haufenabstände bildet, in Frage gestellt wurde, haben Konstantinos und seine Kollegen zunächst andere mögliche Erklärungen untersucht. Vielleicht könnte es unentdeckte Gas- oder Staubwolken geben, die die Sicht versperren und die Haufen in einem bestimmten Gebiet schwächer erscheinen lassen. Die Daten unterstützen dieses Szenario jedoch nicht.

In einigen Regionen des Weltraums könnte die Verteilung von Galaxienhaufen durch Massenströme beeinflusst werden, d.h. durch großräumige Materiebewegungen, die durch die Gravitationskraft extrem massiver Strukturen wie etwa großer Clustergruppen verursacht werden. Diese Hypothese erscheint aber auch unwahrscheinlich. Konstantinos fügt hinzu, dass die Ergebnisse das Team überrascht haben.

„Wenn das Universum wirklich anisotrop ist, und sei es auch nur in den letzten Milliarden Jahren, dann würde das einen gewaltigen Paradigmenwechsel bedeuten, denn die Richtung jedes Objekts müsste bei der Analyse seiner Eigenschaften berücksichtigt werden“, sagt er. „Zum Beispiel schätzen wir heute die Entfernung von sehr weit entfernten Objekten im Universum durch die Anwendung einer Reihe von kosmologischen Parametern und Gleichungen. Wir glauben, dass diese Parameter überall gleich sind. Aber wenn unsere Schlussfolgerungen richtig sind, dann wäre das nicht der Fall, und wir müssten alle unsere früheren Schlussfolgerungen noch einmal überdenken“.

„Das ist ein unglaublich faszinierendes Ergebnis“, kommentiert Norbert Schartel, XMM-Newton-Projektwissenschaftler bei der ESA. „Frühere Studien haben angedeutet, dass sich das gegenwärtige Universum möglicherweise nicht gleichmäßig in alle Richtungen ausdehnt, aber dieses Ergebnis – zum ersten Mal wurde ein solcher Test mit Galaxienhaufen im Röntgenlicht durchgeführt – hat eine viel größere Bedeutung und zeigt auch ein großes Potenzial für zukünftige Untersuchungen.“

Die Wissenschaftler spekulieren, dass dieser möglicherweise ungleichmäßige Effekt auf die kosmische Expansion durch dunkle Energie verursacht wird, der geheimnisvollen Komponente des Kosmos, die den Großteil – etwa 69% – seiner Gesamtenergie ausmacht. Über die dunkle Energie ist heute nur sehr wenig bekannt, außer, dass sie offenbar die Expansion des Universums in den letzten Milliarden Jahren beschleunigt hat.

Das geplante ESA-Teleskop Euclid, das Milliarden von Galaxien abbilden und die Ausdehnung des Kosmos, seine Beschleunigung und die Beschaffenheit der dunklen Energie untersuchen soll, könnte in Zukunft zur Lösung dieses Rätsels beitragen.

„Die Ergebnisse sind wirklich interessant, aber die in die Studie einbezogene Stichprobe ist noch relativ klein, um solch tiefgreifende Schlussfolgerungen zu ziehen“, sagt René Laureijs, Euclid-Projektwissenschaftler bei der ESA. „Das ist das Beste, was man mit den verfügbaren Daten machen kann, aber wenn wir das weithin akzeptierte kosmologische Modell wirklich überdenken würden, bräuchten wir mehr Daten.“

Und Euclid könnte genau das tun. Der Satellit, der 2022 gestartet werden soll, könnte nicht nur Beweise dafür finden, dass die dunkle Energie das Universum wirklich ungleichmäßig in verschiedene Richtungen ausdehnt, sondern wird den Wissenschaftlern auch ermöglichen, mehr Daten über die Eigenschaften einer großen Anzahl von Galaxienhaufen zu sammeln, die die derzeitigen Erkenntnisse unterstützen oder widerlegen könnten.

Weitere Daten werden demnächst auch von dem vom Max-Planck-Institut für Extraterrestrische Physik gebauten Röntgeninstrument eROSITA kommen. Das Instrument an Bord des kürzlich gestarteten deutsch-russischen Satelliten Spektr-RG wird die erste vollständige Himmelsdurchmusterung im mittleren Röntgenbereich durchführen und sich auf die Entdeckung Zehntausender bisher unbekannter Galaxienhaufen und aktiver galaktischer Zentren konzentrieren.

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• Expansion des Universums

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Quelle: DLR.

„Ein First Light Ereignis ist immer ein bewegender Moment. Nach vielen Jahren der Vorbereitung, des Baus und nach einem Bilderbuchstart in der kasachischen Steppe sehen wir nun, dass sich alle Anstrengungen gelohnt haben. Das Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik hat hier ganze Arbeit geleistet und wir sind sehr froh, dass diese wichtige deutsche Mission nun seine Arbeit aufnehmen kann“, freut sich Dr. Thomas Mernik, eROSITA-Projektleiter im Raumfahrtmanagement des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR), mit dessen Unterstützung eROSITA vom Max-Planck-Institut für Extraterrestrische Physik (MPE) gebaut wurde, in Washington, DC. Dort auf dem 70. International Astronautical Congress 2019 und in Deutschland am MPE in Garching wurde das Ereignis gemeinsam mit den russischen Partnern entsprechend gefeiert. Denn neben dem deutschen Röntgenteleskop ist auch das russische ART-XC mit an Bord der russischen Raumsonde Spektrum-Röntgen-Gamma (SRG).

„First Light“ mit kurzer Verzögerung
eROSITA besteht aus sieben einzelnen Teleskopmodulen, die das einfallende Röntgenlicht aus den heißen Quellen des Universums sammeln. Seit dem Start von SRG am 13. Juli 2019 haben die Techniker und Astrophysiker des MPE an der Inbetriebnahme des Teleskops gearbeitet. Zunächst wurden nur einzelne Komponenten angeschaltet und vorsichtig nach und nach auf ihre Funktionsfähigkeit überprüft. Doch kam es in den ersten Wochen nach der Inbetriebnahme gelegentlich in einzelnen Teleskopmodulen zu einem Fehlverhalten der Elektronik. So wurden Parameter ohne erkennbaren Grund verstellt. „Um möglichen Schaden vom Instrument abzuwenden, wurden die Module „schlafen geschickt“ und einzelne Bauteile nur sehr vorsichtig wieder „aufgeweckt“, um sie einzeln zu testen. Als „Übeltäter“ steht die kosmische Strahlung im Verdacht, die kleine Änderungen in manchen Bausteinen ausgelöst haben könnte. Mittlerweile sind wir zu der Auffassung gelangt, dass das Risiko vertretbar ist, so dass eROSITA nach einer kurzen Verzögerung nun seinen Betrieb aufgenommen hat“, erklärt Thomas Mernik erleichtert. Seit dem 13. Oktober 2019 beobachten alle sieben Module des Röntgenteleskops gleichzeitig den Himmel mit ihren maßgeschneiderten CCD-Kameras.

Historischer Moment im Leben eines Teleskops
„Nun ist der historische Moment im Leben eines Teleskops gekommen, an dem wir zum ersten Mal sehen können, wie gut das Gesamtsystem tatsächlich ist. Mit der Aufnahme von der großen Magellanschen Wolke hat eROSITA eindrucksvoll bewiesen, zu welcher Leistung dieses Instrument fähig ist. Wir sehen ein gestochen scharfes Bild mit erstaunlich wenig Hintergrundrauschen. Diese ersten Eindrücke lassen auf großartige Ergebnisse in den kommenden Jahren hoffen“, freut sich Thomas Mernik. Bei der Röntgenquelle handelt es sich um einen alten Bekannten, der bereits mit anderen Teleskopen wie XMM-Newton beobachtet worden ist. „Wir haben uns für die große Magellansche Wolke entschieden, weil sie schon oft mit anderen Röntgenteleskopen beobachtet worden ist. Der direkte Vergleich mit früheren Aufnahmen zeigt die wahre Leistungsfähigkeit von eROSITA. XMM-Newton beobachtet hauptsächlich speziell ausgewählte Objekte und sieht sie deshalb besonders detailreich. eROSITA liefert genauso detailreiche Aufnahmen – allerdings vom gesamten heißen Universum. Zum anderen haben wir diese Region ausgewählt, weil sie sehr mit „nur“ 170.000 Lichtjahren Entfernung unserem Sonnensystem sehr nahe liegt“, erklärt Thomas Mernik. Bei dem zweiten beobachteten Motiv – den zwei verschmelzenden Galaxienhaufen A3391 und A3395 – ist das Gegenteil der Fall. „Beide Galaxienhaufen liegen 800 Millionen Lichtjahre von uns entfernt. Hier wollten wir mal sehen, wie weit eROSITA ins heiße Universum schauen kann und wie klar auf diese unvorstellbar große Distanz die Aufnahmen noch sind. Das brillante Ergebnis hat uns alle überrascht“, freut sich Mernik. eROSITA wird in den kommenden Monaten noch weitere solche Aufnahmen machen, um das ganze Leistungsspektrum des deutschen Röntgenteleskops zu überprüfen. Die Sonde Spektrum-Röntgen-Gamma ist nach mehr als drei Monaten Flugzeit nun in einen Orbit um den Lagrange-Punkt 2, der von der Sonne aus betrachtet 1,5 Millionen Kilometer hinter der Erde liegt, eingeschwenkt. Von hier aus wird eROSITA mit einer Durchmusterung des gesamten Himmels beginnen, um eine Karte der heißen Strukturen im Universum zu erstellen.

eROSITA erstellt eine Himmelskarte des Universums – im Röntgenbereich
Ein Röntgenteleskop sieht die Materie im Universum die besonders heiß ist. Typische Röntgenquellen sind beispielsweise Doppelsternsysteme in denen ein normaler Stern wie unsere Sonne, sich mit einem Neutronenstern oder einem schwarzen Loch umkreist. Hier wird dem Stern durch die starke Anziehungskraft des kompakten Begleiters Masse in Form von Gas abgesogen. Dieses Gas fällt dann auf eine Scheibe welches das schwarze Loch umgibt. Dabei heizt es sich zu extrem hohen Temperaturen auf und sendet Licht im Röntgenbereich aus, das wiederum von Röntgenteleskopen gesehen werden kann. eROSITA wurde auch entwickelt, um Aktive Galaxienkerne (AGNs) zu beobachten. Dies sind supermassereiche schwarze Löcher mit vielen Millionen Sonnenmassen. Auch sie sind von heißen Scheiben umgeben, die im Röntgenbereich gut zu beobachten sind. Einen besonderen Schwerpunkt der Mission liegt allerdings auf der Entdeckung und Kartierung von Galaxienhaufen. Diese bestehen aus mehreren hundert Galaxien und saugen durch ihre Schwerkraft Gas aus ihrer Umgebung ein. Das einströmende Gas erhitzt sich und strahlt intensiv im Röntgenbereich. Im Laufe der Missionsdauer wird eROSITA bis zu 100.000 Galaxienhaufen finden und kartieren. Dafür durchmustert eROSITA alle sechs Monate den gesamten Himmel und erstellt in vier Jahren eine tiefe und detaillierte Karte des Universums. Diese gigantische kosmische Inventur des heißen Universums wird uns helfen, die Struktur des Kosmos und dessen Entwicklung besser zu verstehen. Denn speziell die Expansion des Universums bereitet den Astronomen großes Kopfzerbrechen. Aus bislang ungeklärten Gründen beschleunigt sich diese Ausdehnung immer weiter. Jene geheimnisvolle Kraft die das Universum auseinandertreibt nennen wir Dunkle Energie. „Da eROSITA uns hilft die Dynamik der größten Strukturen im Universum besser zu verstehen, lernen wir auch mehr über die kosmische Expansion. eROSITA liefert uns somit Parameter, um der Lösung des Rätsels um die Dunkle Energie näher zu kommen“, erklärt Thomas Mernik.

Spektrum-Röntgen-Gamma – eine Raumfahrtmission mit vielen Partnern
Spektrum-Röntgen-Gamma (SRG) ist eine Raumfahrtmission mit vielen Partnern. Auf russischer Seite sind die Raumfahrtagentur Roskosmos, der Raumfahrtkonzern Lavochkin sowie das Institut für Weltraumforschung der Russischen Akademie der Wissenschaften (IKI) eingebunden. Das deutsche Röntgenteleskop eROSITA wurde mit der Unterstützung des DLR Raumfahrtmanagements vom Max-Planck-Institut für Extraterrestrische Physik in Garching gemeinsam mit dem Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam (AIP) Potsdam sowie den Universitäten Erlangen-Nürnberg, Hamburg und Tübingen entwickelt und gebaut. Zudem bereiten die Universitäten München und Bonn die wissenschaftliche Auswertung der eROSITA-Daten mit vor. Die am deutschen Teleskop beteiligten Partnerinstitute haben Software für die Datenanalyse, Missionsplanung und Simulationen erstellt sowie Teile der Hardware beigestellt. Die hauptsächliche Hardwareverantwortung lag aber im Wesentlichen beim MPE. Hier wurden viele Komponenten entwickelt und zum Teil in Partnerschaft mit ausgewählten Industrieunternehmen gefertigt. Auch der Zusammenbau des Teleskops fand in Garching statt. Von hier aus wurde das Teleskop nach Moskau verbracht, um gemeinsam mit dem russischen Teleskop auf die Satellitenplattform integriert zu werden.

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Quelle: FAU.

21. Mai 2019 – Mit Röntgenaugen tief ins heiße Universum schauen: Das soll die sogenannte Röntgenintegralfeldeinheit (X-IFU) an Bord von ATHENA, einem Weltraumobservatorium der Europäischen Weltraumorganisation (ESA), einmal möglich machen. Das Projekt hat eine wichtige Hürde genommen: Die Machbarkeit des Instruments ist von der ESA und der französischen Weltraumorganisation (CNES) betätigt worden. Die FAU ist ebenfalls Teil dieses Forschungskonsortiums, das aus den Institutionen elf europäischer Länder sowie der USA und Japans besteht, und unterstützt mit einer besonderen Software für mathematische Modelle das Projekt. Das Teleskop soll ab den 2030er Jahren den Weltraum untersuchen.

Mathematische Modelle aus der FAU
Der Astrophysiker Prof. Dr. Wilms und sein Team von der Remeis-Sternwarte der FAU und dem Erlangen Centre for Astroparticle Physics (ECAP) steuern für das ATHENA-Weltraumobservatorium ein wichtiges Element bei. Das Team hat eine Software entwickelt, die den gesamten geplanten Detektionsprozess in Geräten wiedergeben und mit der sich simulieren lässt, welche Daten von Instrumenten wie X-IFU erfasst werden. „Wir können damit mathematische Modelle bauen, die so ausgereift sind, dass die simulierten Daten den Messdaten aus den Geräten gleichen“, erklärt Prof. Wilms. „Das brauchen wir, um die Leistung der Geräte optimieren zu können.“ Mit dieser einzigartigen Simulationssoftware sind die FAU-Forscher sehr gefragt: Sie lässt sich auf alle möglichen Missionen anpassen und ermöglicht spezifische Leistungsstudien. Doch an der Softwareanpassung für die ATHENA-Mission arbeiten die Erlanger Wissenschaftler nicht alleine. Einzelne Module werden von den Partnern im Konsortium geliefert. Die Koordinationsarbeit übernehmen die FAU-Astronomen, die wiederum die Wissenschaftler in den anderen Forschungsinstitutionen unterstützen, die Software bei unterschiedlichen Studien einzusetzen.

Galaxienhaufen und Schwarze Löcher
X-IFU stellt zusammen mit dem vom Garchinger Max Planck Institut für extraterrestrische Physik (MPE) koordinierten Wide Field Imager (WFI) die wissenschaftliche Nutzlast des Weltraumteleskops ATHENA (Advanced Telescope for High Energy Astrophysics). Beide Instrumente werden mit dem Röntgenteleskop einen Energiebereich des Lichtes beobachten, der nur vom Weltraum aus zugänglich ist, nämlich das heiße und energetische Universum, also die Welt von Galaxienhaufen, Schwarzen Löchern oder explodierenden Sternen. Diese Objekte enthalten die Schlüssel zum Verständnis der Entstehung und Entwicklung des Universums. X-IFU wird den Forschern ermöglichen, wichtige Informationen über die Bildung und Entwicklung der im Universum beobachteten, großen Materiestrukturen zu erlangen. Zudem sollen so Daten über die Entstehung von Schwarzen Löchern und ihre Wechselwirkung mit den Galaxien, in denen sie sind, gesammelt werden. WFI, an dem die FAU ebenfalls beteiligt ist, wird hierfür besonders die weiträumigen Strukturen abbilden und Strahlung aus der Nähe der schwarzen Löcher vermessen. Das ATHENA-Weltraumteleskop wird in den frühen 2030er Jahren starten.

Das X-IFU-Konsortium versammelt Ingenieure und Forscher aus 50 Laboren, verteilt auf elf ESA-Mitgliedstaaten, Japan und die Vereinigten Staaten. Die Arbeiten in der Arbeitsgruppe von Prof. Wilms wurden vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) bislang mit 621.000 Euro gefördert, bis 2021 sind weitere 684.000 Euro bewilligt worden.

Der Beitrag ATHENA X-IFU: Röntgenaugen für den Sternenhimmel erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Ein Beitrag von Ralph-Mirko Richter. Quelle: Max-Planck-Institut für Astronomie, Keck-Observatorium, Science.

Bei einem Quasar handelt es sich um den extrem intensiv leuchtenden Kernbereich einer entfernt gelegenen aktiven Galaxie, welcher gewaltige Mengen an Energie abstrahlt. Für diese Leuchtkraft, so die gängige Theorie, ist ein im Zentrum dieser Galaxie gelegenes supermassereiches Schwarzes Loch verantwortlich, welches über eine Masse verfügt, die einigen Millionen bis Milliarden Sonnenmassen entspricht.

Obwohl Schwarze Löcher in erster Linie dafür bekannt sind, die sie umgebende Materie anzuziehen, welche sich dann in einer schnell rotierenden Akkretionsscheibe in der unmittelbarer Umgebung des Schwarzen Lochs sammelt, stoßen Quasare einen Teil des sie umgebenden Materials auch wieder ab. Dieses Material wird dabei in Form von langgezogenen Strahlen – sogenannten Jets – mit hohen Geschwindigkeiten entlang der Rotationsachsen der Quasare von diesen weggeschleudert. Die Materie in der rotierenden Scheibe kann dabei Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeiten und Temperaturen von bis zu mehreren Millionen Grad erreichen und sendet gewaltige Mengen an Licht aus. Diese Materieflüsse nehmen letztendlich eine entscheidende Rolle bei der weiteren Entwicklung der jeweiligen Galaxien ein.

Quasare – Selten auftretende ‚kosmische Leuchtfeuer‘
Quasare treten allerdings nur in einer vergleichsweise kurze Phase der Galaxienentwicklung auf. Während dieser Phase gehört der Galaxienkern zu den hellsten Objekten im Universum überhaupt. Er sendet dabei mehr als hundert Mal mehr Licht aus als der gesamte Rest der Galaxie mit seinen immerhin mehreren Hunderten von Milliarden von Sternen. Die von ihnen erzeugte immense Helligkeit macht Quasare somit praktisch zu ‚kosmischen Leuchtfeuern‘, deren nähere Untersuchung es den Astronomen und Astrophysikern ermöglicht, die Anfänge der Entstehungsgeschichte unseres Universums und die Entstehung der ersten Sterne und Galaxien näher zu analysieren und zu interpretieren.

In der Gegenwart finden Astronomen zwar im Zentrum aller massereichen Galaxien supermassereiche Schwarze Löcher. Diese sind allerdings, abgesehen von verhältnismäßig wenigen Ausnahmen, inaktiv. Es strömen also keine nennenswerten Mengen an Gas oder anderer Materie in diese Schwarzen Löcher. In der Vergangenheit muss sich diese Situation jedoch anders gestaltet haben. Den derzeitigen Wachstumsmodellen von supermassereichen Schwarzen Löchern zufolge fand ein beträchtlicher Anteil des Massenzuwachses dieser Objekte während der Quasar-Phase der Galaxie statt. Diese ‚Blütezeit‘ der Quasar-Aktivitäten in Galaxien fand allerdings vermutlich bereits zu einer Zeit statt, als das Universum nur rund ein Fünftel so alt war wie heute.

Alle supermassereichen Schwarzen Löcher in massereichen Galaxien sollten laut den aktuellen Modellen in einem bestimmten Entwicklungsstadium zu Quasaren geworden sein. Allerdings hält die Quasar-Aktivität nur etwa zehn Millionen Jahre lang an. Verglichen mit den Alter von rund zehn Milliarden Jahren, über das typische Galaxien verfügen, ist dies ein nur sehr kurzer Zeitraum. Die physikalischen Prozesse und Voraussetzungen, unter denen sich ein supermassereiches Schwarzes Loch zu einem Quasar entwickelt, sind allerdings immer noch nicht vollständig verstanden. Von hoher Bedeutung dürften dabei jedoch die Bedingungen in den Zentren der jeweiligen Galaxien sein. Um eine ‚Quasar-Phase‘ auszulösen, muss sich eine große Menge von Materie in der Kernregionen der Galaxie befinden und dabei zudem hinreichend nahe an das Schwarze Loch gelangen, um von dessen Gravitationskraft angezogen zu werden.

Beobachten die Astronomen einen Quasar, dann beobachten sie damit auch eine Galaxie in einem zeitlich sehr begrenzten Abschnitt ihres Daseins. Dies erklärt auch, warum man bei Himmelsbeobachtungen nur sehr selten auf diese Art von Objekt trifft. Und weil Quasare so selten sind, liegen die bisher bekannten Exemplare zudem weit voneinander entfernt. Typischerweise betragen deren Abständen zueinander einige hundert Millionen Lichtjahren. Entsprechend selten tritt der Fall ein, dass sich zwei Quasare in unmittelbarer Nachbarschaft zueinander befinden. Unter den mehr als 500.000 Quasaren, welche die Astronomen bislang identifiziert haben, finden sich nur etwa 100 solcher ‚Doppelquasare‘.

Entsprechend groß war die Überraschung, als ein Team aus US-amerikanischen und Schweizer Astronomen im Jahr 2007 die Entdeckung des ersten ‚Tripel-Quasars‘ (katalogisiert als LBQS 1429-008) bekannt gab – dreier sich in unmittelbarer Nachbarschaft zueinander befindlicher Quasare. Die Wahrscheinlichkeit, einen ‚Vierfachquasar‘ zu entdecken, wurde von den Astronomen dagegen auf der Basis des heutigen Verständnisses von Quasarhäufigkeiten und der großräumigen Verteilung von Materie im Universum auf einen Wert von lediglich eins zu zehn Millionen geschätzt. Doch genau dieser Fall, der von der Wahrscheinlichkeit her fast mit einem „Sechser im Lotto“ zu vergleichen ist, ist jetzt eingetreten.

Erstmals entdeckt: Ein Quasar-Quartett
Einem internationalen Astronomenteam unter der Leitung von Dr. Joseph F. Hennawi vom Max-Planck-Institut für Astronomie (MPIA) in Heidelberg ist es jetzt erstmals gelungen, einen solchen ‚Vierfachquasar‘ aufzuspüren. Die vier Quasare befinden sich in einem Bereich des Weltalls, welcher über einen Durchmesser von lediglich einer Million Lichtjahren verfügt. Ihre Entdeckung gelang den Wissenschaftlern mit dem W.-M.-Keck-Observatorium auf dem Vulkan Mauna Kea auf Hawaii.

Dr. Hennawi und seine Kollegen waren dabei ursprünglich auf der Suche nach sogenannten Lyman-Alpha-Nebeln. Hierbei handelt es sich um gigantische, aus kühlen und vergleichsweise dichten Wasserstoff bestehende Gaskonzentrationen im Weltall. Ist ein Quasar von einem solchen Reservoir aus kühlem Wasserstoffgas umgeben, so kann die intensive Quasar-Strahlung wie eine Art kosmischer Flutlichtscheinwerfer wirken, wobei das umgebende Gas letztendlich zum Leuchten angeregt wird und so seine Struktur offenbart.

Um bisher unbekannte Lyman-Alpha-Nebel zu entdecken, hatten die Astronomen zunächst die Spektren von 29 vielversprechenden Quasaren analysiert und darin nach den Spuren einer diffusen, großräumigen Strahlung Ausschau gehalten, wie sie ein zum Leuchten angeregtes Gas aussendet. Einer der so untersuchten Quasare – er trägt die Katalognummer SDSSJ0841+3921 – zeigte in der Tat vielversprechende Anzeichen solcher Spuren. Dieser Quasar wurde anschließend mit der Spektrograf-Kamera-Kombination LRIS (kurz für „Low Resolution Imaging Spectrometer“) des Keck-Observatoriums genauer untersucht. Hierzu wurde das besagte Objekt bereits im November 2012 über einen Zeitraum von drei Stunden beobachtet. Dabei kam ein ‚maßgeschneiderter‘ engbandiger Lyman-Alpha-Filter zum Einsatz, welcher lediglich für das charakteristische Licht des kühlen Wasserstoffgases durchlässig ist.

Diese Beobachtungen zeigten, dass die Astronomen einen der größten und hellsten Lyman-Alpha-Nebel, der anschließend von Dr. Hennawi und seinen Kollegen mit dem treffenden Namen „Jackpot-Nebel“ belegt wurde, entdeckt hatten, welcher bis dahin bekannt war. Der etwa 10,5 Milliarden Lichtjahre entfernt gelegene Nebel (kosmologische Rotverschiebung z=2,0412) verfügt über einen Durchmesser von rund einer Million Lichtjahren. Bei der Auswertung der Keck/LRIS-Aufnahmen stellten die Astronomen zudem zu ihrer Überaschung fest, dass sie es nicht etwa mit nur einem einzigen Quasar zu tun hatten, sondern vielmehr mit gleich vier Quasaren, welche offenbar alle in dieselbe riesige Wolke aus Wasserstoffgas eingebettet waren.

Eine nachfolgende Untersuchung der Spektren dieser vier Quasare bestätigte, dass es sich hier in der Tat um vier unterschiedliche Quasare – und damit insbesondere nicht um eine sogenannte Gravitationslinse, bei der die Ablenkung von Licht durch die Gravitation einer großen stellaren Masse Mehrfachbilder von ein und desselben Quasar erzeugen kann – handelte.

Doch wie kam es trotz der geringen Wahrscheinlichkeit, dass sich gleich vier Quasare sozusagen auf in kosmischen Größenordnungen betrachtet engsten Raum befinden, zu dieser Entdeckung? Und sollte es sich hierbei nicht ’nur‘ um einen Zufallsfund handeln – welche Prozesse können für die Existenz dieses ‚Quasar-Quartetts‘ verantwortlich sein?

Erklärungsversuche
Hierbei dürften die besonderen Eigenschaften der Raumregion, in der die vier Quasare aufgespürt wurden, eine entscheidende Rolle spielen. Entdeckt wurden die Quasare – wie bereits erwähnt – im Inneren eines Lyman-Alpha-Nebels, in den diese Objekte eingebettet sind. Außerdem beherbergt die betreffende Raumregion besonders viel Materie. J. Xavier Prochaska von der University of California in Santa Cruz, der Hauptantragsteller für die entsprechenden Beobachtungszeiten mit dem Keck-Teleskop, sagt hierzu: „Diese Raumregion enthält mehrere hundert Mal so viele Galaxien, wie man in dieser Distanz erwarten würde.“

Mit der hier zu beobachtenden ungewöhnlich hohen Zahl an Galaxien ähnelt diese Region des Weltalls den Galaxienhaufen, in denen im heutigen Universum auf einem Raum von einigen Millionen Lichtjahren Durchmesser bis zu mehrere tausend Galaxien gravitativ aneinander gebunden sein können. Allerdings ist die betreffende Raumregion soweit von uns entfernt, dass das von dort ausgehende Licht etwa 10,5 Milliarden Jahre benötigt hat, um unseren Heimatplaneten zu erreichen. Die Aufnahmen des Keck-Teleskops zeigen uns diese Region daher so, wie sie sich vor mehr als zehn Milliarden Jahren – und somit weniger als vier Milliarden Jahre nach dem Urknall – präsentierte. Es handelt sich hier um einen Proto-Galaxienhaufen – den Vorläufer eines der massereichsten Galaxienhaufen im heutigen Universum.

Die Astronomen vermuten, dass physikalische Prozesse existieren, welche die Bildung von Quasaren unter bestimmten kosmischen Umweltbedingungen stark begünstigen könnten. Zahlreiche theoretische Modelle sagen so zum Beispiel voraus, dass eine Quasar-Aktivität ausgelöst werden sollte, wenn Galaxien zusammenstoßen und miteinander verschmelzen. Derartig gewaltsame Wechselwirkungen, so die Argumentation, könnten besonders effektiv Gas in die Umgebung eines zentralen Schwarzen Lochs umlenken. Solche ‚kosmischen Kollisionen‘ sollten in einem dicht mit Galaxien gefüllten Protohaufen deutlich wahrscheinlicher sein als in Regionen des Weltalls, in denen sich nur vergleichsweise wenig Galaxien befinden.

„Auch der gigantische Emissionsnebel dürfte ein wichtiger Puzzlestein sein, denn er zeigt, dass es dort eine gewaltige Mengen an dichtem, kühlen Gas gibt“, so Fabrizio Arrigoni-Battaia, ein Doktorand am Max-Planck-Institut für Astronomie, der ebenfalls an der Entdeckung beteiligt war. Supermassereiche Schwarze Löcher entwickeln sich nur dann zu Quasaren, wenn hinreichend viel Gas auf das Schwarze Loch zuströmt. Und dafür wiederum könnte eine Umgebung, die zumindest auf kosmischen Größenskalen reich an dem nötigen Gas ist, entsprechend günstige Bedingungen bieten.

Andererseits erwarten die Astronomen nach dem heutigen Verständnis über die Bildung von großflächigen Strukturen im Universum jedoch eigentlich nicht, dass ein Protohaufen zugleich auch als Lyman-Alpha-Nebel in Erscheinung tritt. Sebastiano Cantalupo von der ETH Zürich, ein weiterer der an dieser Forschungsarbeit beteiligten Wissenschaftler, sagt hierzu: „Unsere heutigen Modelle der kosmischen Strukturbildung sagen aufgrund von Supercomputer-Simulationen vorher, dass massereiche Strukturen im frühen Universum mit extrem dünnen Gas gefüllt sein sollten, mit Temperaturen von rund zehn Millionen Grad. Das Gas im Jackpot-Nebel ist im Vergleich dazu tausend Mal dichter und tausend Mal kühler.“

Entweder haben die Astronomen mit der Entdeckung dieses Quasar-Quartett einfach nur ‚Glück gehabt‘ oder aber sie haben etwas durchaus Ungewöhnlichem entdeckt: Ein Phänomen, das nach der Erklärung verlangt, wie und in welcher Umgebung solche Mehrfachquasare entstehen können. Die Quasar-Umgebung selbst – sowohl der Protohaufen als auch der Lyman-Alpha-Nebel – deutet jedenfalls auf bisher nicht entschlüsselte Widersprüche bei dem gegenwärtig geltenden Verständnis der Galaxienentstehung hin.

„Wenn man etwas entdeckt, das dem heutigen Wissensstand nach extrem unwahrscheinlich ist, gibt es zwei Möglichkeiten: Entweder man hatte einfach nur gewaltiges Glück, oder es ist Zeit, die gängigen Theorien noch einmal genau unter die Lupe zu nehmen“, so Dr. Hennawi. „Extrem seltene Ereignisse haben die Macht, langgediente Theorien auf den Kopf zu stellen.“ In diesem Sinne könnte auch die kürzlich erfolgte Entdeckung des ersten Quasar-Quartetts im Universum die Kosmologen dazu zwingen, das bisher geltende Bild von der Entstehung von Quasaren und der massereichsten Strukturen im Universum neu zu überdenken.

Die hier kurz vorgestellten Forschungsergebnisse wurden am 15. Mai 2015 von Dr. Joseph F. Hennawi et al. unter dem Titel „Quasar Quartet Embedded in Giant Nebulae Reveals Rare Massive Structure in Distant Universe“ in der Fachzeitschrift Science publiziert. Die hierfür genutzten Daten wurden mit dem W.-M.-Keck-Observatorium gewonnen, welches als wissenschaftliches Kooperationsprojekt des California Institute of Technology (CIT), der University of California und der NASA betrieben wird. Das Observatorium verdankt seine Existenz der großzügigen finanziellen Unterstützung der W.M.-Keck-Stiftung.

Die Autoren möchten in diesem Zusammenhang zudem auf die wichtige kulturelle und spirituelle Rolle hinweisen, welche der Gipfel des Mauna Kea, wo sich dieses Teleskop befindet, für die Nachfahren der ursprünglichen Hawaiianer spielt. Leider haben verschiedene Interessenkonflikte erst kürzlich dazu geführt, dass der Bau des für eine ursprünglich für das Jahr 2022 vogesehene Inbetriebnahme des Thirty-Meter-Teleskops, welches derzeit ebenfalls auf dem Mauna Kea erreichtet wird, unterbrochen werden musste. Die Astronomen schätzen sich glücklich, von diesem Berg aus beobachten zu dürfen.

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Fachartikel von Dr. Joseph F. Hennawi et al.:

• Quasar Quartet Embedded in Giant Nebulae Reveals Rare Massive Structure in Distant Universe (Abstract, engl.)

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