Baryonen am Cluster-Rand
eROSITA Himmels-Durchmusterung weist „fehlendes“ kosmisches Gas in Außenbereichen von Galaxienhaufen nach.
Ein Team von Astronominnen und Astronomen des Max-Planck-Instituts für extraterrestrische Physik (MPE) hat einen entscheidenden Fortschritt bei der Kartierung baryonischer Materie im Universum erzielt. Auf Grundlage von Daten der SRG/eROSITA-Himmelsdurchmusterung wiesen die Forschenden heißes, durch Stoßprozesse aufgeheiztes Gas nach, das sich weit über die bislang untersuchten Grenzen von Galaxienhaufen hinaus erstreckt. Dieses Ergebnis eröffnet eine neue Perspektive auf das Wachstum dieser großräumigen Strukturen, die Materie aus dem umgebenden intergalaktischen Medium akkretieren.
Die von Forschenden des Max-Planck-Instituts für extraterrestrische Physik (MPE) geleitete Studie untersucht gezielt die äußersten Regionen von Galaxienhaufen – Bereiche, die bislang nur schwer zugänglich waren. Die Ergebnisse zeigen, wie sich heißes Gas in und um diese Randzonen verteilt, und liefern Einblicke in die physikalischen Bedingungen in der Umgebung einiger der massereichsten Strukturen im Universum.
Galaxienhaufen zählen zu den größten gravitativ gebundenen Systemen im Universum. Sie umfassen Hunderte bis Tausende von Galaxien, die in ausgedehnte Halos aus dunkler Materie eingebettet sind und von heißem, diffusem Plasma durchdrungen werden. Der Übergang zwischen einem Haufen und dem umgebenden kosmischen Netz – einem Geflecht aus Gasfilamenten, das großräumige Strukturen miteinander verbindet – blieb jedoch lange Zeit unzureichend charakterisiert.
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In den vergangenen fünf Jahrzehnten haben Röntgen-Weltraumteleskope gezeigt, dass Galaxienhaufen ausgedehnte thermische Atmosphären mit Temperaturen von mehreren zehn Millionen Kelvin und räumlichen Ausdehnungen von mehreren Millionen Lichtjahren besitzen. Die tatsächliche Ausdehnung dieser Atmosphären blieb jedoch unklar, da ihre Röntgenhelligkeit mit zunehmender Entfernung vom Haufenzentrum stark abnimmt.
Durch das „Stacking“ von Röntgendaten aus 680 Galaxienhaufen verstärkte das Team gezielt das schwache Emissionssignal aus diesen Randbereichen. Auf diese Weise gelang der Nachweis eines statistisch signifikanten Röntgensignals, das sich bis zu 4,5 Megaparsec (etwa 14 Millionen Lichtjahre) erstreckt – deutlich über den Virialradius hinaus, der üblicherweise als Grenze des Haufens definiert wird.
„Die Beobachtungstiefe für ein einzelnes Objekt ist gering, jedoch deckt die Durchmusterung die gesamte westliche galaktische Hemisphäre ab. Durch die Auswahl von 680 Galaxienhaufen im nahen Universum und deren Kombination konnten wir ein Oberflächenhelligkeitsprofil mit außergewöhnlich hohem Signal-Rausch-Verhältnis bestimmen“, erläutert Hauptautor Xiaoyuan Zhang, Postdoktorand am MPE.
„Beobachtungen konzentrierten sich bislang vor allem auf die Zentren von Galaxienhaufen, da die Signale aus den Außenbereichen sehr schwach sind. Umso bedeutender ist es, dass wir nun die äußersten Regionen untersuchen können – Bereiche, die wesentliche Informationen über die grundlegende Physik von Gas und dunkler Materie liefern“, ergänzt Co-Autor Benedikt Diemer, Assistenzprofessor an der Universität von Maryland.
Mithilfe der kosmologischen IllustrisTNG-Simulationen, die am Max-Planck-Institut für Astrophysik entwickelt wurden, zeigte das Team, dass das Gas in der Umgebung von Galaxienhaufen anisotrop verteilt ist. Entlang kosmischer Filamente – großräumiger Strukturen, die Materie im Universum verbinden – ist die Gasdichte deutlich erhöht, während sie in den dazwischenliegenden, unterdichten Voids stark reduziert ist. Dies weist darauf hin, dass Galaxienhaufen Materie bevorzugt entlang dieser filamentären Strukturen aus dem kosmischen Netz akkretieren.
Animation, die die Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses zeigt, wenn dem Stapelverfahren weitere Galaxienhaufen hinzugefügt werden. Sowohl das Rauschniveau im gestapelten Bild (links) als auch die Unsicherheit des Oberflächenhelligkeitsprofils (rechts) nehmen mit zunehmender Stichprobengröße des Stapelverfahrens ab. Quelle: MPE
Esra Bulbul, Forschungsgruppenleiterin am MPE und Zweitautorin der Studie, ergänzt: „Seit Langem suchen Astronominnen und Astronomen nach den ‚fehlenden Baryonen‘ des Universums – jener gewöhnlichen Materie, die nach kosmologischen Modellen vorhanden sein müsste, sich jedoch nur schwer nachweisen lässt. Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Gasmenge in den äußeren Randbereichen von Galaxienhaufen etwa neunzig Prozent des erwarteten Werts erreicht, der sich aus der mittleren Materiedichte des Universums ergibt. Dies deutet darauf hin, dass ein Großteil dieser ‚fehlenden‘ Materie tatsächlich vorhanden ist, jedoch in den ausgedehnten, heißen und dynamisch komplexen Außenregionen verborgen bleibt. Damit liefern unsere Ergebnisse wichtige Hinweise sowohl auf das Wachstum von Galaxienhaufen als auch auf die Physik des intergalaktischen Gases.“
Die Studie zeigt zudem, dass der eROSITA-All-Sky-Survey über seine hohe Sensitivität für die Detektion von Quellen hinaus auch die Untersuchung extrem schwacher Emission ermöglicht – bis hinunter zu weniger als einem Prozent des Himmelshintergrunds –, wenn Stacking-Methoden eingesetzt werden. [MPE / dre]
Weitere Informationen
- Originalpublikation
X. Zhang, E. Bulbul, B. Diemer, et al., The SRG/eROSITA All-Sky Survey: Detection of shock-heated gas beyond the halo boundary into the accretion region, Astron. Astrophys. 709, A72, Mai 2026; DOI: 10.1051/0004-6361/202557423 - eROSITA – Hauptinstrument des russisch-deutschen „Spektrum-Röntgen-Gamma“ (SRG) Satelliten, Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik, Garching
- ERC CoG: DarkQuest (Esra Bulbul), ercdarkquest.com / Clusters and Groups of Galaxies, Hochenergie-Astrophysik am MPE
