Frühe Bildung von Galaxienhaufen

Astronomen haben mithilfe des Atacama Large Millimeter/­Submillimeter Array (ALMA) ein großes Reservoir an heißem Gas in dem sich noch bildenden Galaxien­haufen um die Spiderweb-Galaxie entdeckt. Es handelt sich dabei um den bisher am weitesten entfernten Nachweis von solch heißem Gas. Galaxien­haufen gehören zu den größten bekannten Objekten im Universum. Dieses Ergebnis zeigt, wie früh diese Strukturen entstehen.

Galaxien­haufen beherbergen eine große Anzahl von Galaxien – manchmal sogar Tausende. Außerdem enthalten sie ein enormes Intra­cluster-Medium (ICM) aus Gas, das den Raum zwischen den Galaxien des Haufens durchzieht. Dieses Gas wiegt in der Tat erheblich schwerer als die Galaxien selbst. Ein großer Teil der Physik von Galaxienhaufen ist gut verstanden, aber es gibt nur wenige Beobachtungen der frühesten Phasen der Entstehung des ICM. Bisher wurde das ICM nur in nahen, voll entwickelten Galaxien­haufen untersucht. Die Entdeckung der ICM in weit entfernten Protoclustern, also sich noch bildenden Galaxienhaufen, würde es den Astronomen ermöglichen, diese Haufen in den frühen Stadien ihrer Entstehung zu erforschen. Ein Team unter der Leitung von Luca Di Mascolo von der Universität von Triest wollte das ICM in einem Proto­cluster aus der Frühphase des Universums nachweisen.

Galaxienhaufen sind so massereich, dass sie Gas zusammenführen können, das sich aufheizt, wenn es in Richtung des Haufens fällt. „Kosmo­logische Simulationen haben die Anwesenheit von heißem Gas in Proto­clustern seit mehr als einem Jahrzehnt vorhergesagt, aber es fehlte die Bestätigung durch Beobachtungen“, erklärt Elena Rasia, Forscherin am Italienischen Nationalen Institut für Astrophysik (INAF) in Triest. „Die Suche nach einer solchen wichtigen experi­mentellen Bestätigung hat uns dazu veranlasst, einen der vielver­sprechendsten Protocluster-Kandidaten sorgfältig auszuwählen.“ Es handelt sich um den Spiderweb-Protocluster, der zu einer Zeit entstand, als das Universum erst drei Milliarden Jahre alt war. Obwohl es sich um den am intensivsten untersuchten Protohaufen handelt, ist die Existenz des ICM schwer nachzuweisen. Die Entdeckung eines großen Reservoirs an heißem Gas im Spiderweb-Protohaufen würde darauf hindeuten, dass das System auf dem Weg ist, ein echter, langlebiger Galaxien­haufen zu werden, anstatt sich aufzulösen.

Di Mascolos Team entdeckte das ICM des Spiderweb-Protohaufens durch den thermischen Sunyaev-Zeldovich (SZ)-Effekt. Dieser Effekt tritt auf, wenn das Licht aus dem kosmischen Mikrowellen­hintergrund, die Reliktstrahlung aus dem Urknall, durch das ICM dringt. Wenn dieses Licht mit den sich schnell bewegenden Elektronen in dem heißen Gas reagiert, gewinnt es ein wenig Energie und seine Farbe oder Wellenlänge ändert sich leicht. „Bei den richtigen Wellenlängen erscheint der SZ-Effekt daher als Schatten­effekt eines Galaxienhaufens auf dem kosmischen Mikrowellen­hintergrund“, erklärt Di Mascolo. Durch die Messung dieser Schatten auf dem kosmischen Mikrowellen­hintergrund können Astronomen daher das heiße Gas orten, seine Masse schätzen und seine Form kartieren. „Dank seiner unver­gleichlichen Auflösung und Empfindlichkeit ist ALMA die einzige Einrichtung, die derzeit in der Lage ist, eine solche Messung für die entfernten Vorläufer masse­reicher Sternhaufen durchzuführen“, sagt Di Mascolo.

Sie stellten fest, dass der Spiderweb-Protohaufen ein riesiges Reservoir an heißem Gas mit einer Temperatur von einigen zehn Millionen Grad Celsius enthält. Zuvor war in diesem Protohaufen kaltes Gas entdeckt worden, aber die Masse des heißen Gases, das in dieser neuen Studie gefunden wurde, übersteigt sie um ein Tausend­faches. Dieser Befund zeigt, dass sich der Spiderweb-Protohaufen in etwa zehn Milliarden Jahren zu einem massereichen Galaxienhaufen entwickeln und seine Masse um mindestens das Zehnfache erhöhen wird.

Tony Mroczkowski, Forscher bei der ESO, erklärt: „Dieses System weist enorme Kontraste auf. Die heiße thermische Komponente wird einen Großteil der kalten Komponente zerstören, während sich das System entwickelt, und wir sind Zeugen eines kritischen Übergangs.“ Er kommt zu dem Schluss, dass „die Beobachtungen die seit langem bestehenden theoretischen Vorher­sagen über die Entstehung der größten gravitativ gebundenen Objekte im Universum bestätigen.“ Diese Ergebnisse tragen dazu bei, den Grundstein für Synergien zwischen ALMA und dem kommenden Extremely Large Telescope (ELT) der ESO zu legen, das „die Untersuchung von Strukturen wie dem Spiderweb revolutionieren wird“, sagt Mario Nonino, Forscher am Astro­nomischen Obser­vatorium von Triest. Das ELT und seine hochmodernen Instrumente wie HARMONI und MICADO werden in Proto­cluster hinein­schauen können und uns sehr detailliert über die Galaxien darin informieren. Zusammen mit den Fähigkeiten von ALMA, das sich bildende ICM zu erfassen, wird dies einen entscheidenden Einblick in den Aufbau einiger der größten Strukturen im frühen Universum ermöglichen.

MPIA / JOL

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  L. Di Mascolo et al.: Forming intracluster gas in a galaxy protocluster at a redshift of 2.16, Nature 615, 809 (2023); DOI: 10.1038/s41586-023-05761-x
• Toni Mroczkowski, European Southern Observatory ESO, Garching

Weitere Beiträge

• E. Puchwein und M. Vogelsberger, Spurensuche im All, Physik Journal, November 2019, S.37 PDF
• A. Pawlak, Astronomen machen großes Auge, Physik Journal, Juli 2016, S. 6 PDF
• MICADO-Kamera: Scharfer Blick ins frühe All (Pro-physik.de Nachrichten, 12. Oktober 2015)
• Überraschung in der Sternenkrippe (Pro-physik.de Nachrichten, 15. Oktober 2014)