Unerwartet ruhiger und abgelegener Galaxienhaufen entdeckt

Astronomen haben den bislang am weitesten entfernten „entspannten“ Galaxienhaufen entdeckt – den am weitesten entfernten jemals entdeckten Galaxienhaufen, der nicht durch heftige Kollisionen mit anderen Galaxienhaufen gestört wird. Diese Entdeckung ebnet den Weg zu erfahren, wie und wann einige dieser gigantischen Strukturen entstehen und warum das Universum so aussieht, wie es heute aussieht.

Um diesen entfernten und jungen Galaxienhaufen zu finden, nutzten Wissenschaftlerteams Daten des Chandra-Röntgenobservatoriums der NASA, des ausgemusterten Spitzer-Weltraumteleskops der NASA, des South Pole Telescope der National Science Foundation/Department of Energy und des Dark Energy Survey-Projekts in Chile. Sie berichteten über die Ergebnisse in einer Reihe von drei Artikeln.

Dieser Galaxienhaufen mit der Bezeichnung SPT-CL J2215-3537 (kurz SPT2215) ist etwa 8,4 Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt und wird gesehen, als das Universum erst 5,3 Milliarden Jahre alt ist, verglichen mit seinem aktuellen Alter von 13,8 Milliarden Jahren. Dies impliziert, dass SPT2215 im Vergleich zu anderen Sternhaufen ähnlicher Größe einen Vorsprung bei seiner Entstehung hatte und dass es sich in den letzten Milliarden Jahren „im Leerlauf“ befand, was ihm eine Entspannung ermöglichte. Astronomen schätzen, dass der Sternhaufen eine Masse hat, die etwa 700 Billionen Mal so groß ist wie die unserer Sonne.

Galaxienhaufen sind Ansammlungen von Dutzenden bis Hunderten von Galaxien sowie riesigen Mengen an heißem Gas und dunkler Materie, die den Raum zwischen den Galaxien füllen und alle durch die Schwerkraft zusammengehalten werden. Dieses Gas – das eine Temperatur von mehreren Millionen Grad hat und im Röntgenbereich strahlt – kann als Indikator dafür dienen, was mit dem Cluster passiert.

Galaxienhaufen wachsen im Laufe der Zeit, indem sie mit anderen Galaxienhaufen oder -gruppen verschmelzen, was zu Störungen im Gas des Haufens wie Asymmetrien oder scharfen Strukturen führt. Wenn jedoch genügend Zeit zum „Entspannen“ ohne eine Fusion gegeben wird, kann das Gas ein glattes, ruhiges Aussehen annehmen.

„Bisher haben wir noch keinen entspannten Galaxienhaufen gesehen, der so weit entfernt ist wie SPT2215“, sagte Michael Calzadilla vom Massachusetts Institute of Technology (MIT), Hauptautor der jüngsten der drei Arbeiten, die bestätigten, dass der Galaxienhaufen entspannt ist, und über weitere wichtige Eigenschaften des Haufens berichten.

In der Mitte von SPT2215 befindet sich eine große Galaxie, in deren Zentrum sich ein riesiges Schwarzes Loch befindet. Die Arbeit von Calzadilla entdeckte, dass sich in dieser großen Galaxie enorme Mengen neuer Sterne bilden. Die Entstehung von Sternen in der zentralen Galaxie eines Galaxienhaufens wird durch die Abkühlung des heißen Gases vorangetrieben, wenn ein Galaxienhaufen entspannt wird.

Wie schnell das Gas abkühlt, um Sterne zu bilden, wird durch das Verhalten des riesigen Schwarzen Lochs im Zentrum des Sternhaufens beeinflusst. Wenn das Schwarze Loch zu viele starke Ausbrüche auslöst, wird der Großteil des Gases im Haufen daran gehindert, ausreichend abzukühlen, um eine Flut neuer Sterne zu bilden. Im Gegensatz zu den meisten entspannten Clustern, die mit Chandra beobachtet wurden, scheint das riesige Schwarze Loch in SPT2215 eine solche Abkühlung nicht zu verhindern.

„Es scheint, als wäre das Schwarze Loch in SPT2215 ruhig genug, um die Sternentstehung zu ermöglichen“, sagte Michael McDonald, ebenfalls vom MIT, und Co-Autor aller drei Artikel.

Ein weiteres wesentliches Merkmal von SPT2215 ist die Isolation seiner Zentralgalaxie. Im Umkreis von etwa 600.000 Lichtjahren gibt es keine anderen Galaxien, die auch nur annähernd so hell oder so groß sind. Dies bedeutet, dass der Cluster in den letzten Milliarden Jahren keine Fusion mit einem anderen Cluster erlebt hat, was ein weiterer Beweis dafür ist, dass SPT2215 gelockert wird.

Wissenschaftler waren sich nicht sicher, ob sie einen Galaxienhaufen finden würden, der in dieser Epoche des Universums entspannt war, da er normalerweise immer noch den Turbulenzen der Verschmelzung mit anderen Galaxienhaufen oder -gruppen unterliegt, wenn diese größer werden.

„Die Tatsache, dass dieser Cluster so massereich und so früh im Universum ist, deutet auf eine wirklich aufregende, schnelle Entstehungsgeschichte hin“, sagte Lindsey Bleem vom Argonne National Laboratory des US-Energieministeriums in Lemont, Illinois, deren Team erstmals im Jahr 2020 über die Entdeckung des Clusters berichtete, im ersten der drei Artikel. „Aber die Tatsache, dass es entspannt ist, deutet auf das Gegenteil hin. Es wäre, als würde man direkt nach dem Essensansturm eine aufgeräumte Küche finden.“

Diese Ergebnisse zu SPT2215 stimmen gut mit denen des James Webb-Weltraumteleskops der NASA überein, das gezeigt hat, dass sich Galaxien bereits in sehr jungen Jahren bilden.

„Entspannte Cluster wie SPT2215 sind einer der Wegweiser, die zur Messung der Expansion des Universums verwendet wurden“, sagte Adam Mantz von der Stanford University, der 2022 erstmals anhand von Chandra-Daten über den entspannten Status von SPT2215 berichtete, im zweiten Artikel. „Das Hinzufügen entfernter Objekte wie dieses zu unserer Stichprobe entspannter Cluster ermöglicht es uns, die Beschleunigung der kosmischen Expansion und die Eigenschaften der dunklen Energie, die sie antreibt, besser einzuschränken.“

Der Artikel ist veröffentlicht in Das Astrophysikalische Journal.