Wie Flüsse, die Ozeane speisen, ernähren Gasströme Galaxien im gesamten Kosmos. Aber diese Ströme, die einen Teil des sogenannten kosmischen Netzes bilden, sind sehr schwach und schwer zu erkennen. Während Astronomen seit Jahrzehnten über das kosmische Netz Bescheid wissen und sogar das Leuchten seiner Filamente um helle kosmische Objekte, sogenannte Quasare, gesehen haben, haben sie die ausgedehnte Struktur in den dunkelsten Teilen des Weltraums noch nicht direkt abgebildet – bis jetzt.
Neue Ergebnisse des Keck Cosmic Web Imager (KCWI), der von Christopher Martin, Professor für Physik am Caltech Edward C. Stone, und seinem Team entwickelt wurde, sind die ersten, die direktes Licht zeigen, das vom größten und verborgensten Teil des kosmischen Netzes emittiert wird: die kreuz und quer verlaufenden dünnen Filamente, die sich über die dunkelsten Ecken des Weltraums zwischen Galaxien erstrecken. Das KCWI-Instrument ist am WM-Keck-Observatorium auf Maunakea in Hawaii stationiert.
„Wir haben den Namen Keck Cosmic Web Imager für unser Instrument gewählt, weil wir gehofft hatten, es würde das kosmische Netz direkt erkennen“, sagt Martin, der auch Direktor der Caltech Optical Observatories ist, zu denen auch der Caltech-Teil des Keck-Observatoriums gehört; Weitere Partner des Keck-Observatoriums sind die University of California und die NASA. „Ich bin sehr froh, dass es geklappt hat.“
Galaxien in unserem Universum verdichten sich aus wirbelnden Gaswolken. Dieses Gas kondensiert dann weiter zu Sternen, die die Galaxien erleuchten und sie für Teleskope in einem Bereich von Lichtwellenlängen sichtbar machen. Astronomen glauben, dass sich kalte, dunkle Filamente im Weltraum zu den Galaxien schlängeln und sie mit Gas versorgen, das als Treibstoff für die Entstehung weiterer Sterne dient.
Im Jahr 2015 fanden Martin und seine Kollegen „rauchende Beweise“, wie Martin es beschreibt, für dieses sogenannte Kaltflussmodell der Galaxienentstehung: ein langer Filament, der Gas in eine große Galaxie schleust. Für diese Arbeit verwendeten sie einen Prototyp des KCWI-Instruments, den Cosmic Web Imager, der am Palomar-Observatorium des Caltech stationiert war.
In diesem Fall wurde das Filament von einem nahegelegenen Quasar beleuchtet, dem hellen Kern einer jungen Galaxie. Aber der größte Teil des kosmischen Netzes liegt im trostlosen Gebiet zwischen den Galaxien und ist schwer vorstellbar.
„Vor dieser neuesten Entdeckung sahen wir die fadenförmigen Strukturen unter dem Äquivalent eines Laternenpfahls“, sagt Martin. „Jetzt können wir sie ohne Lampe sehen.“
Die neuen Erkenntnisse erscheinen in einem Artikel, der in veröffentlicht wurde Naturastronomie.
Schon als Student war Martin bestrebt, das kosmische Netz in seiner vollen Pracht zu enthüllen. Diese detaillierte Abbildung des Internets, sagt er, wird Astronomen fehlende Informationen liefern, die sie benötigen, um die Details der Entstehung und Entwicklung von Galaxien zu verstehen. Es kann Astronomen auch dabei helfen, die Verteilung der Dunklen Materie in unserem Universum zu kartieren (dunkle Materie macht etwa 85 Prozent der gesamten Materie im Universum aus, aber Wissenschaftler wissen immer noch nicht, woraus sie besteht).
„Das kosmische Netz beschreibt die Architektur unseres Universums“, sagt er. „Hier befindet sich der größte Teil der normalen oder baryonischen Materie in unserer Galaxie und lässt sich direkt auf den Standort der Dunklen Materie zurückführen.“
Diese Animation zeigt einen 3D-Schnitt durch ein Netzwerk aus Wasserstoffgasfilamenten, die die Räume zwischen Galaxien durchziehen. Die Daten wurden vom Keck Cosmic Web Imager (KCWI) gesammelt, der die Struktur dieses zuvor verborgenen Teils des Universums enthüllen sollte. Die von dieser Beobachtung abgedeckte Region ist etwa 10,5 Milliarden Lichtjahre entfernt. Das hier dargestellte Volumen umfasst eine Fläche von 2,3 mal 3,2 Millionen Lichtjahren und erstreckt sich über eine Tiefe von 600 Millionen Lichtjahren (50 Millionen pro Segment). Bildnachweis: Caltech/R. Verletzt (IPAC)
Das schwache Leuchten von Filamenten
Der beste Weg, das kosmische Netz direkt zu sehen, besteht darin, Signaturen seines Hauptbestandteils Wasserstoffgas mithilfe von Instrumenten namens Spektrometern zu erfassen, die das Licht in eine Vielzahl von Wellenlängen, auch Spektrum genannt, aufteilen. Wasserstoffgas kann innerhalb dieser Spektren anhand seiner stärksten Emissionslinie, der sogenannten Lyman-Alpha-Linie, identifiziert werden.
Martin und seine Kollegen haben KCWI entwickelt, um diese schwachen Lyman-Alpha-Signaturen in einem zweidimensionalen (2D) Bild des Kosmos zu finden (daher wird KCWI als bildgebendes Spektrometer bezeichnet). Die erste Ausgabe des Instruments deckt den „blauen“ Teil des sichtbaren Lichtspektrums ab und umfasst Wellenlängenbereiche von 350 bis 560 Nanometern. (Der zweite Teil des Instruments, Keck Cosmic Reionization Mapper oder KCRM genannt, der den roten oder längerwelligen Teil des sichtbaren Spektrums sieht, wurde kürzlich am Keck-Observatorium installiert.)
Die präzisen Spektrometer des KCWI können über einen Bereich von Wellenlängen nach den Lyman-Alpha-Signaturen des kosmischen Netzes suchen. Aufgrund der Expansion des Universums, die das Licht auf längere Wellenlängen ausdehnt, weist Gas, das sich weiter von der Erde entfernt befindet, eine rötlichere Lyman-Alpha-Signatur auf. Die von KCWI bei jeder Lichtwellenlänge aufgenommenen 2D-Bilder können gestapelt werden, um eine dreidimensionale (3D) Karte der Emission aus dem kosmischen Netz zu erstellen. Für diese Beobachtung beobachtete das KCWI einen Raumbereich in einer Entfernung zwischen 10 und 12 Milliarden Lichtjahren.
„Wir erstellen im Grunde eine 3D-Karte des kosmischen Netzes“, erklärt Martin. „Wir nehmen Spektren für jeden Punkt in einem Bild im Wellenlängenbereich auf und die Wellenlängen werden in die Entfernung übersetzt.“
Verwirrung mit dem diffusen Licht des Raumes
Eine Herausforderung bei der Entdeckung des kosmischen Netzes besteht darin, dass sein schwaches Licht mit dem nahen Hintergrundlicht verwechselt werden kann, das den Himmel über Maunakea durchdringt, einschließlich des Leuchtens der Atmosphäre, des Tierkreislichts des Sonnensystems (das entsteht, wenn Sonnenlicht am interplanetaren Staub gestreut wird) und sogar das Licht unserer eigenen Galaxie.
Um dieses Problem zu lösen, entwickelte Martin eine neue Strategie, um dieses Hintergrundlicht von den interessierenden Bildern zu subtrahieren.
„Wir betrachten zwei verschiedene Himmelsfelder, A und B. Die Filamentstrukturen werden in den beiden Richtungen in den Feldern unterschiedliche Abstände aufweisen, sodass Sie das Hintergrundlicht aus Bild B nehmen und es von Bild A subtrahieren können und umgekehrt. Ich ließ nur die Strukturen übrig. Ich habe 2019 detaillierte Simulationen davon durchgeführt, um mich davon zu überzeugen, dass diese Methode funktionieren würde“, sagt er.
Das Ergebnis ist, dass Astronomen nun „eine völlig neue Möglichkeit haben, das Universum zu untersuchen“, wie Martin sagt.
„Mit KCRM, dem neu eingesetzten roten Kanal von KCWI, können wir noch weiter in die Vergangenheit blicken“, sagt der leitende Instrumentenwissenschaftler Mateusz Matuszewski. „Wir sind sehr gespannt, was uns dieses neue Werkzeug dabei helfen wird, mehr über die weiter entfernten Filamente und die Zeit zu erfahren, in der sich die ersten Sterne und Schwarzen Löcher bildeten.“
Apropos neue Sichtweisen auf das Universum: Martin hat sich mit dem Künstler Matt Schumaker zusammengetan, um Daten aus dem kosmischen Netz in Musik für ein Projekt mit dem Titel „Spiral, Supercluster, Filament, Wall (nach Michael Anderson)“ zu übersetzen. Das Projekt feiert das Leben von Anderson, der zusammen mit seinen Astronautenkollegen beim Unfall des Space Shuttle Columbia im Jahr 2003 ums Leben kam. Martin, der „so tat, als wären die Filamente riesige Geigensaiten“, übertrug die Massen der Filamente in Frequenzen rund um das mittlere C der Note . Das Stück kann gehört werden Hier.
Mehr Informationen:
D. Christopher Martin et al., Umfangreiche diffuse Lyman-α-Emission korreliert mit kosmischer Struktur, Naturastronomie (2023). DOI: 10.1038/s41550-023-02054-1