Kollision von Titanic-Galaxienhaufen im frühen Universum stellt die Standardkosmologie in Frage

Laut einer neuen Studie einer internationalen Gruppe von Astronomen, darunter ein Physiker der University of St Andrews, hätte es nach der Standardtheorie der Kosmologie nicht zu einer Kollision zweier massereicher Galaxienhaufen kommen dürfen, als das Universum halb so alt war wie heute.

Nach dem kosmologischen Standardmodell der Lambda-kalten Dunklen Materie (ΛCDM) bilden sich zunächst Galaxien und verbinden sich erst später zu größeren Galaxienhaufen. Daher sollte es lange dauern, bis Galaxienhaufen auf der kosmischen Bühne erscheinen. Der neue Studieveröffentlicht in Das Astrophysikalische Journalstellt dies in Frage, indem es zeigt, dass zwei extrem große Galaxienhaufen mit sehr hoher Geschwindigkeit kollidierten, als das Universum erst etwa halb so alt war wie heute.

Das fragliche Haufenpaar ist als El Gordo bekannt – was auf Spanisch „Der Dicke“ bedeutet – ein passender Name, da seine Masse etwa 2.000 Billionen Mal so groß ist wie die der Sonne (2 gefolgt von fünfzehn Nullen). Die neue Studie verwendet eine aktualisierte Schätzung seiner Masse, die viel genauer ist. Dies beseitigt eine große Unsicherheitsquelle in einer früheren Studie derselben Autoren darüber, wie problematisch El Gordo für ΛCDM ist.

Die Masse wurde anhand der Ablenkung des Lichts von Hintergrundgalaxien geschätzt, deren Form durch die Anziehungskraft von El Gordo verzerrt erscheint – ein bisschen wie eine Lupe. Diese „schwache Linsen“-Masse wurde mit dem Hubble-Weltraumteleskop ermittelt, stimmt aber mit neueren Ergebnissen des James-Webb-Weltraumteleskops und anderen Studien mit anderen Methoden überein. Die Masse weist jetzt eine bescheidene Unsicherheit von 10 % auf.

Die Forschung unter der Leitung von Elena Asencio, einer Ph.D. Student an der Universität Bonn, nutzte zuvor veröffentlichte detaillierte Simulationen der Wechselwirkung, um die Geschwindigkeit abzuschätzen, mit der die Cluster kollidierten. Anschließend durchsuchten die Autoren eine weniger detaillierte kosmologische ΛCDM-Simulation, die ein sehr großes Volumen abdeckte, um nach simulierten Clusterpaaren zu suchen.

Ziel war es, zu zählen, wie viele davon im Großen und Ganzen dem ähneln, wie El Gordo kurz vor der Kollision aussah. Dies geschah mit einer innovativen Methode der „Lichtkegeltomographie“, die berücksichtigt, dass weiter entfernte Objekte weiter zurück in der Zeit betrachtet werden, als es noch weniger Struktur gab.

Die Ergebnisse zeigten, dass die Spannung mit ΛCDM für jede plausible Kollisionsgeschwindigkeit sehr stark ist. Darüber hinaus spielt die verbleibende Unsicherheit in El Gordos Masse keine nennenswerte Rolle mehr.

Elena sagte: „Die Ergebnisse unserer vorherige Studie wurden von einigen Wissenschaftlern in Frage gestellt, nachdem eine aktualisierte Massenschätzung für El Gordo veröffentlicht wurde, und lagen etwas niedriger. Dies verringert zwar die Spannung mit ΛCDM, ist aber für jede plausible Kollisionsgeschwindigkeit immer noch von großer Bedeutung. Hunderte detaillierter Simulationen zeigen, dass El Gordo mit einer viel langsameren Kollisionsgeschwindigkeit, die in ΛCDM plausibel auftreten könnte, nicht so aussehen kann wie auf den Fotos.“

Während es möglich ist, eine Simulation zu erhalten, die wie El Gordo mit einer schnelleren Kollision aussieht, ist ein solches Ereignis in ΛCDM zu selten. Dies liegt daran, dass es sehr ungewöhnlich wäre, zu einem so frühen Zeitpunkt der kosmischen Geschichte zwei derart massereiche Sternhaufen in Schlagdistanz zu finden. Darüber hinaus erhöht die Forderung, dass sie mit hoher Geschwindigkeit aufeinander zusteuern, die Glaubwürdigkeit. Die neue Studie und die genauere Massenmessung könnten dazu führen, dass mehr Anstrengungen unternommen werden, El Gordo zu simulieren, um dieses rätselhafte Objekt besser zu verstehen.

El Gordo ist nicht das einzige Beispiel einer Clusterkollision, die im Widerspruch zu ΛCDM steht. Dr. Indranil Banik von der School of Physics and Astronomy in St Andrews, der die in diesem Projekt verwendete statistische Analyse entwickelt hat, sagte: „Der Bullet Cluster ist ein weiteres Beispiel für eine hochenergetische Kollision zwischen zwei Galaxienhaufen, wenn auch zu einem späteren Zeitpunkt.“ In Kombination mit El Gordo wird die Situation für ΛCDM noch schlimmer. Und mehrere andere Beispiele sind bekannt und werden in unserer Studie erwähnt.“

es gibt auch verschiedene Studien Dies zeigt, dass sich einzelne Galaxien im ΛCDM viel schneller zu bilden scheinen als erwartet, was vor allem den jüngsten Daten von James Webb zu verdanken ist. Zum breiteren Kontext der El Gordo-Ergebnisse sagte Pavel Kroupa, Professor an der Universität Bonn und der Karls-Universität in Prag: „Es gibt mittlerweile viele Beweise dafür, dass die Strukturbildung im Universum bei ΛCDM schneller erfolgte als erwartet. Das tun wir.“ Derzeit werden weitere Beweise dafür untersucht.