Astronomen beobachten die Geburt eines sehr weit entfernten Galaxienhaufens aus dem frühen Universum

Mit dem Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), an dem die ESO beteiligt ist, haben Astronomen ein großes Reservoir an heißem Gas in dem sich noch bildenden Galaxienhaufen um die Spiderweb-Galaxie entdeckt – die bisher am weitesten entfernte Entdeckung eines solchen heißen Gases. Galaxienhaufen gehören zu den größten bekannten Objekten im Universum, und dieses Ergebnis wurde heute in veröffentlicht Naturzeigt weiter, wie früh sich diese Strukturen zu bilden beginnen.

Galaxienhaufen beherbergen, wie der Name schon sagt, eine große Anzahl von Galaxien – manchmal sogar Tausende. Sie enthalten auch ein riesiges „Intracluster Medium“ (ICM) aus Gas, das den Raum zwischen den Galaxien im Haufen durchdringt. Tatsächlich überwiegt dieses Gas die Galaxien selbst erheblich. Ein Großteil der Physik von Galaxienhaufen ist gut verstanden; Beobachtungen der frühesten Phasen der Bildung des ICM bleiben jedoch rar.

Zuvor war das ICM nur in vollständig ausgebildeten nahe gelegenen Galaxienhaufen untersucht worden. Der Nachweis des ICM in entfernten Protoclustern – also sich noch bildenden Galaxienhaufen – würde es Astronomen ermöglichen, diese Cluster in den frühen Stadien der Entstehung zu erfassen. Ein Team unter der Leitung von Luca Di Mascolo, Erstautor der Studie und Forscher an der Universität Triest, Italien, wollte unbedingt die ICM in einem Protocluster aus den frühen Stadien des Universums nachweisen.

Galaxienhaufen sind so massereich, dass sie Gas zusammenbringen können, das sich erwärmt, wenn es auf den Haufen fällt. „Kosmologische Simulationen haben das Vorhandensein von heißem Gas in Protoclustern seit über einem Jahrzehnt vorhergesagt, aber Beobachtungsbestätigungen fehlten“, erklärt Elena Rasia, Forscherin am italienischen Nationalinstitut für Astrophysik (INAF) in Triest, Italien, und Mitautorin von die Studium. „Die Verfolgung einer solchen wichtigen Beobachtungsbestätigung führte uns dazu, sorgfältig einen der vielversprechendsten Protocluster-Kandidaten auszuwählen.“

Das war der Spiderweb-Protocluster, der sich in einer Epoche befand, als das Universum nur 3 Milliarden Jahre alt war. Obwohl es sich um den am intensivsten untersuchten Protocluster handelt, blieb die Anwesenheit des ICM schwer fassbar. Das Auffinden eines großen Reservoirs an heißem Gas im Spiderweb-Protocluster würde darauf hindeuten, dass das System auf dem Weg ist, ein richtiger, langlebiger Galaxienhaufen zu werden, anstatt sich aufzulösen.

Di Mascolos Team entdeckte die ICM des Spiderweb-Protoclusters durch den sogenannten thermischen Sunyaev-Zeldovich (SZ)-Effekt. Dieser Effekt tritt auf, wenn Licht aus dem kosmischen Mikrowellenhintergrund – die Reliktstrahlung des Urknalls – das ICM passiert. Wenn dieses Licht mit den sich schnell bewegenden Elektronen im heißen Gas interagiert, gewinnt es etwas an Energie und seine Farbe oder Wellenlänge ändert sich leicht. „Bei den richtigen Wellenlängen erscheint der SZ-Effekt somit als Abschattungseffekt eines Galaxienhaufens auf dem kosmischen Mikrowellenhintergrund“, erklärt Di Mascolo.

Durch die Messung dieser Schatten auf dem kosmischen Mikrowellenhintergrund können Astronomen daher auf die Existenz des heißen Gases schließen, seine Masse abschätzen und seine Form kartieren. „Dank seiner beispiellosen Auflösung und Empfindlichkeit ist ALMA derzeit die einzige Einrichtung, die in der Lage ist, eine solche Messung für die entfernten Vorläufer massereicher Haufen durchzuführen“, sagt Di Mascolo.

Sie stellten fest, dass der Spiderweb-Protocluster ein riesiges Reservoir an heißem Gas mit einer Temperatur von einigen zehn Millionen Grad Celsius enthält. Zuvor war in diesem Protocluster kaltes Gas nachgewiesen worden, aber die Masse des heißen Gases, die in dieser neuen Studie gefunden wurde, überwiegt sie um das Tausendfache. Dieser Befund zeigt, dass sich der Spiderweb-Protocluster tatsächlich in etwa 10 Milliarden Jahren in einen massiven Galaxienhaufen verwandeln und seine Masse mindestens um den Faktor zehn erhöhen wird.

Tony Mroczkowski, Co-Autor des Artikels und Forscher bei der ESO, erklärt, dass „dieses System enorme Kontraste aufweist. Die heiße thermische Komponente wird einen Großteil der kalten Komponente zerstören, wenn sich das System entwickelt, und wir erleben einen heiklen Übergang.“ Er kommt zu dem Schluss, dass „es eine beobachtbare Bestätigung langjähriger theoretischer Vorhersagen über die Entstehung der größten gravitativ gebundenen Objekte im Universum liefert“.

Diese Ergebnisse tragen dazu bei, die Grundlage für Synergien zwischen ALMA und dem kommenden Extremely Large Telescope (ELT) der ESO zu schaffen, das „die Untersuchung von Strukturen wie dem Spinnennetz revolutionieren wird“, sagt Mario Nonino, Mitautor der Studie und Forscher am Astronomical Observatorium von Triest. Das ELT und seine hochmodernen Instrumente wie HARMONI und MICADO werden in der Lage sein, in Protocluster zu blicken und uns sehr detailliert etwas über die Galaxien in ihnen zu erzählen. Zusammen mit den Fähigkeiten von ALMA, die sich bildende ICM zu verfolgen, wird dies einen entscheidenden Einblick in den Zusammenbau einiger der größten Strukturen im frühen Universum geben.