Wollten Sie schon einmal 150.000 Dollar wetten? Wenn Sie richtig liegen, öffnen Sie ein neues Fenster zum Universum. Wenn Sie jedoch falsch liegen, haben Sie gerade eine Menge Geld und Zeit verschwendet.
Genau das tat mein Team, als wir das Keck-Teleskop am Mauna Kea Observatorium in Hawaii auf einen scheinbar leeren Raum richteten, in der Hoffnung, das verborgene Gas zu entdecken, das alle Galaxien im Universum umhüllt. Im Kontrollraum herrschte Jubel, als wir erkannten, dass sich unser Wagnis gelohnt hatte.
In eine heute veröffentlichte Studie In Naturastronomiezeigen wir das erste detaillierte Bild der Gashülle um eine Galaxie, die sich 100.000 Lichtjahre weit in den „leeren“ Raum erstreckt. Wenn unsere eigene Milchstraße einen ähnlichen Halo hat, interagiert sie wahrscheinlich bereits mit dem Halo unserer nächsten galaktischen Nachbargalaxie, Andromeda.
Der größte Teil des Universums besteht nicht aus hellen Sternen
Der Großteil der Materie im Universum befindet sich nicht in den hellen Sternen, aus denen die spektakulären Bilder der Galaxien bestehen, die wir sehen. Galaxien sind zum einen von dunkler Materie umgeben – Astronomen glauben, dass es sich bei ihr um eine Art exotisches, unsichtbares Teilchen handelt.
Doch auch die meiste normale Materie befindet sich nicht in Sternen, sondern in riesigen Gaswolken, die Galaxien umgeben.
Wir gehen davon aus, dass diese Halos um Galaxien 70–90 % der normalen Materie des Universums enthalten (hauptsächlich bestehend aus Wasserstoff-, Helium-, Kohlenstoff-, Stickstoff- und Sauerstoffgas).
Das Verständnis dieses diffusen Gases – in dem alle Sterne und Planeten, die wir sehen, ihren Ursprung hatten – hilft uns dabei, unsere eigene Geschichte im größten Maßstab besser zu verstehen.
Allerdings ist dieser Gashalo über riesige Bereiche des Weltraums verteilt, was ihn extrem lichtschwach macht. Tatsächlich ist er 10.000 bis 100.000 Mal lichtschwächer als die hellen Teile von Galaxien.
Diese Gashalos sind uns seit den 1950er Jahren bekannt, als Astronomen entdeckten, dass sie bestimmte Frequenzen des durch sie hindurchgehenden Lichts absorbieren.
Allerdings reduzieren diese Messungen riesige Weltallbereiche mit einer Ausdehnung von Hunderttausenden Lichtjahren auf einen einzigen Punkt. Daher wissen wir sehr wenig über die genaue Größe oder Form der Halos oder über die Art und Weise, wie das Gas zwischen ihnen und ihren Wirtsgalaxien strömt.
Wie man einen galaktischen Halo sieht
Lange Zeit glaubte man, es sei unmöglich, ein Bild der Halos aufzunehmen. Das änderte sich jedoch mit der Entwicklung eines neuen Typs von Spektrographen – einem Gerät zur Betrachtung des Spektrums verschiedener Wellenlängen des Lichts in einem Bild –, genannt „Bildschneider.“
Mit dem Bildschneider können wir spektroskopische Bilder von Bereichen des Nachthimmels aufnehmen, die deutlich schwächer leuchten als mit Instrumenten der vorherigen Generation.
Ein Team unter der Leitung von Chris Martin am Caltech (einer unserer Mitarbeiter bei diesem Projekt) baute einen ultra-lichtschwachen Spektrographen namens Keck Cosmic Web Imager und setzte ihn auf das Keck-Teleskop. Das Keck ist eines der größten optischen Teleskope der Welt und sein Standort auf dem Vulkan Mauna Kea in Hawaii ist einer der besten astronomischen Standorte der Welt.
Mit dem neuen Gerät sind wir in der Lage, extrem schwache Dinge am Himmel zu erkennen.
Mit diesem Instrument haben wir eine Nacht lang den scheinbar leeren Raum um eine Galaxie beobachtet. Anschließend folgte eine intensive Datenanalyse, denn wir sind an die Grenzen der Leistungsfähigkeit des Teleskops gestoßen.
Der Dank gebührt Nikki Nielsen, heute Professorin an der Oklahoma University, die die Datenanalyse und das Verfassen des Artikels leitete, als sie in unserem Team an der Swinburne University arbeitete. Zu unserer Freude hat sich das Risiko gelohnt und Daten geliefert, die es uns ermöglichten, ein Bild des Gashalos um eine Galaxie zu erzeugen.
Wie sieht die Gashülle um Galaxien aus?
Unser Team hat Bilder vom Leuchten des Wasserstoff- und Sauerstoffgases über einem Gebiet aufgenommen, das zehnmal größer ist als das, was man normalerweise als „Galaxie“ bezeichnen würde.
Das war aufregend! Erstens, weil es die Theorie bestätigte, dass sich der Großteil der gewöhnlichen Materie des Universums in diesen diffusen Gashalos befindet.
Wir haben auch festgestellt, dass die Galaxie nicht sanft in den umgebenden Halo „übergeht“. Es gibt einen abrupten Übergang von einem zum anderen.
In der Vergangenheit wurde viel über die Natur dieses Übergangs debattiert. In unseren Daten ist eine abrupte Veränderung am Rand, wo sich die überwiegende Mehrheit der Sterne befindet, leicht zu erkennen.
Warum können wir den Halo überhaupt sehen?
Es ist immer noch ein Rätsel, warum wir das Gas überhaupt sehen können. Es leuchtet, aber wir wissen nicht, warum.
Im Inneren einer Galaxie sehen wir oft das Leuchten von Wasserstoffgas, aber dort wissen wir, dass es leuchtet, weil es durch die starke Strahlung von nahegelegenen Sternen aufgeheizt wurde. Außerhalb einer Galaxie gibt es jedoch nicht genug nahegelegene Sterne, um das Gas ausreichend aufzuheizen und so das Leuchten zu erklären, das wir sehen.
Eine Möglichkeit ist, dass der Halo aus Gasströmen besteht, die sich in verschiedene Richtungen bewegen. Wenn die Ströme bei hoher Geschwindigkeit kollidieren, bringt sie die Stoßwelle zum Leuchten.
Eine weitere Möglichkeit ist, dass einige sehr schwere Sterne und bestimmte schwarze Löcher (beide innerhalb von Galaxien) sehr große Mengen ultravioletten Lichts produzieren. Ein Teil dieses Lichts kann aus der Galaxie entweichen und könnte eine Art UV-Hintergrundbeleuchtung für den Kosmos erzeugen.
In Kombination mit den sich schnell bewegenden Gasströmen könnte die ultraviolette Hintergrundstrahlung ausreichen, um das von uns beobachtete Leuchten zu erzeugen. Um dies jedoch mit Sicherheit sagen zu können, sind weitere Beobachtungen erforderlich.
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