Lichtermeer enthüllt Strukturen im jungen Universum

Ein internationales Team von Astronomen hat die bislang detaillierteste 3D-Karte der Lyman-Alpha-Emission erstellt, die von Wasserstoff im frühen Universum  vor 9 bis 11 Milliarden Jahren ausgestrahlt wird. Mithilfe der Linienintensitätskartierung von Daten des Hobby-Eberly-Teleskops (HETDEX) identifizierten sie lichtschwache Galaxien und Gas, die zuvor schwer zu beobachten waren. Diese können nun mit Simulationen der Strukturen im frühen Universum verglichen werden. Um ihre Karte zu verfeinern, verborgene Objekte aufzudecken und unser Verständnis der Galaxienentwicklung zu verbessern, wertete das Team ein halbes Petabyte an Daten aus.

Aus­schnitt aus der Linien­inten­si­täts­kar­te, die die Ver­tei­lung und Kon­zen­tra­tion von an­ge­reg­tem Was­ser­stoff über die Ly-alpha-Wellen­länge im Uni­ver­sum vor zehn Mil­liar­den Jah­ren kar­tiert. Die Stern­symbole mar­kie­ren die Stel­len, an denen HETDEX Ga­la­xien iden­ti­fi­ziert hat. Die kleine Ab­bil­dung si­mu­liert die Struk­tur die­ser Kar­te, nach­dem sie ver­größert und das Hin­ter­grund­rauschen ent­fernt wur­de.

Quelle: Maja Lujan Niemeyer, MPA / HETDEX, Chris Byrohl / Stanford U / HETDEX

„Die Beobachtung des frühen Universums gibt uns eine Vorstellung davon, wie sich Galaxien zu ihrer heutigen Form entwickelt haben und welche Rolle intergalaktisches Gas in diesem Prozess gespielt hat”, sagte Maja Lujan Niemeyer. Die HETDEX-Wissenschaftlerin leitete die Entwicklung der Karte und schloss kürzlich ihre Doktorarbeit am Max-Planck-Institut für Astrophysik ab. „Da sie jedoch weit entfernt sind, leuchten viele Objekte aus dieser Zeit schwach und sind schwer zu beobachten.“

Mithilfe einer Technik namens Line Intensity Mapping (Linienintensitätskartierung) macht die neue Karte diese Objekte sichtbar und ergänzt so das Bild dieser prägenden Ära unseres Universums. Jedes Licht kann in seine verschiedenen Wellenlängen zerlegt werden. Das Ergebnis wird als Spektrum bezeichnet. Astronomen untersuchen Spektren auf Spitzen und Täler, die dem Vorhandensein verschiedener Elemente entsprechen. Line Intensity Mapping kartiert hingegen die Verteilung und Konzentration bestimmter Elemente in einer gesamten Region, anstatt Objekte einzeln zu beobachten.

„Stellen Sie sich vor, Sie sitzen in einem Flugzeug und schauen nach unten. Die ‚traditionelle‘ Methode zur Erforschung von Galaxien ist wie die Kartierung lediglich der hellsten Städte: Man erfährt, wo sich die großen Ballungszentren befinden, übersieht aber alle, die in den Vororten und Kleinstädten leben“, erklärt Julian Muñoz, HETDEX-Wissenschaftler, Assistenzprofessor an der University of Texas, Austin. „Intensitätskartierung ist wie das Betrachten derselben Szene durch ein verschmutztes Flugzeugfenster: Man erhält ein unschärferes Bild, erfasst aber das gesamte Licht und nicht nur die hellsten Stellen.“

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Obwohl die Linienintensitätskartierung an sich keine neue Technik ist, wurde sie hier zum ersten Mal verwendet, um Lyman-Alpha-Emissionen in einem so großen Datensatz und mit so hoher Präzision zu kartieren. Mithilfe des Hobby-Eberly-Teleskops am McDonald-Observatorium kartiert HETDEX die Position von über einer Million heller Galaxien, um mehr über die dunkle Energie zu erfahren. Das Projekt ist einzigartig, da es so viele Daten – über 600 Millionen Spektren – für einen so großen Bereich des Himmels sammelt, der über 2.000 Vollmonde umfasst.

„Wir verwenden jedoch nur einen kleinen Teil aller gesammelten Daten, etwa 5 %“, erklärt Karl Gebhardt, HETDEX-Projektleiter, Vorsitzender der Astronomie-Abteilung der UT Austin und Mitautor der Veröffentlichung. „Die Verwendung der restlichen Daten für zusätzliche Forschungszwecke birgt ein enormes Potenzial.“

Lujan Niemeyer fügt hinzu: „HETDEX beobachtet alles in einem Ausschnitt des Himmels, aber nur ein winziger Teil dieser Daten bezieht sich auf Galaxien, die hell genug sind, um für das traditionelle Projekt verwendet zu werden.“ „Aber diese Galaxien sind nur die Spitze des Eisbergs. In den scheinbar leeren Bereichen dazwischen befindet sich ein ganzes Lichtermeer.”

Um seine Karte zu erstellen, schrieb das Team eine spezielle Software und nutzte Supercomputer des Texas Advanced Computing Center, um rund ein halbes Petabyte an HETDEX-Daten zu durchforsten. Anschließend berechnete es anhand der bereits von HETDEX identifizierten Positionen heller Galaxien die Positionen lichtschwächerer Galaxien und von Gas, das in deren Nähe leuchtet. Dank der Schwerkraft, die Materie zusammenklumpen lässt, befinden sich in der Nähe einer hellen Galaxie mit Sicherheit auch andere Objekte.

„Wir können also die Position bekannter Galaxien als Wegweiser nutzen, um die Entfernung der schwächeren Objekte zu bestimmen“, sagt Eiichiro Komatsu, HETDEX-Forscher und wissenschaftlicher Direktor am MPI für Astrophysik. Die daraus resultierende Karte rückt die Regionen um helle Galaxien stärker in den Fokus und fügt Details zu den dazwischenliegenden Bereichen hinzu.

„Wir haben Computersimulationen dieser Zeit“, fährt Komatsu fort. „Aber das sind nur Simulationen, nicht das reale Universum. Jetzt haben wir eine Grundlage, die uns Aufschluss darüber geben kann, ob einige der diesen Simulationen zugrunde liegenden astrophysikalischen Erkenntnisse korrekt sind.“

Für die Zukunft hofft das Team, seine Karte mit anderen Karten zu vergleichen, die sich mit derselben Region des Universums überschneiden und sich auf andere Elemente konzentrieren. So könnte beispielsweise eine Linienintensitätskarte von Kohlenmonoxid, das mit dichten, kalten Wolken in Verbindung gebracht wird, in denen Sterne entstehen, neue Erkenntnisse über die Umgebungen rund um die jungen Sterne liefern, die Lyman-Alpha-Wellenlängen emittieren.

Muñoz sagt: „Diese Studie ist eine erste Entdeckung, die an sich schon spannend ist und die Tür zu einer neuen Ära der Intensitätskartierung des Universums öffnet. Das Hobby-Eberly-Teleskop ist ein Pioniergerät. Und mit neuen, ergänzenden Instrumenten, die nun zum Einsatz kommen, treten wir in ein goldenes Zeitalter der Kartierung des Kosmos ein.“ [MPA / dre]