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Seltene Doppelquasare durchleuchten das Wasserstoff-Netzwerk unseres Kosmos

Geschrieben am 28.04.2017 in Kategorie: Astronomie

Die Materie im Raum zwischen den Galaxien bildet ein gewaltiges Netzwerk verbundener Filamente. Fast alle Atome im Universum sind Teil dieses kosmischen Netzwerks – die meisten davon direkte Überbleibsel der Urknallphase. Jetzt hat ein Team unter Leitung von Forschern des Max-Planck-Instituts für Astronomie erstmals die Feinstruktur dieses Netzwerks rund 2 Milliarden Jahre nach dem Urknall vermessen: mit einer neuen Methode, die das Netzwerk mithilfe von Paaren sehr heller, nahe beieinander stehender Quasare durchleuchtet. Die Ergebnisse helfen, die sogenannte Reionisierungsära der kosmischen Geschichte zu rekonstruieren. Sie erscheinen am 28. April in der Fachzeitschrift Science.

Zu den ödesten Gebieten im Universum gehören die abgelegeneren Regionen des intergalaktischen Raums. In den ausgedehnten Weiten zwischen den Galaxien finden sich in jedem Kubikmeter nur ein paar wenige Atome, Überbleibsel der Urknallphase. Aber über das gesamte Weltall gemittelt sind die meisten Atome im Universum Teil genau dieses verdünnten Gases: des kosmischen Netzwerks, dessen Filamente Milliarden von Lichtjahren lang sein können.

Jetzt hat ein Astronomenteam unter der Leitung von Astronomen des Max-Planck-Instituts für Astronomie (MPIA) erstmals die Feinstruktur dieses urtümlichen Wasserstoff-Netzwerks vermessen. Obwohl die kartierten Regionen mehr als 11 Milliarden Lichtjahr von uns entfernt sind, gelang es den Astronomen, Strukturunterschiede auf Größenskalen von nur einigen hunderttausend Lichtjahren zu vermessen – vergleichbar der Größe einzelner Galaxien.

Das betreffende intergalaktische Gas ist so verdünnt, dass es selbst kein nachweisbares Licht aussendet. Stattessen haben die Astronomen seine Struktur indirekt untersucht: Sie beobachteten, wie das Gas das Licht ferner Lichtquellen absorbiert, sogenannter Quasare. Dabei handelt es sich um eine relativ kurze, aber extrem leuchtstarke Phase der Entwicklung bestimmter Galaxien. Die freigesetzte Energie geht auf Materie zurück, die in das zentrale supermassereiche Schwarze Loch der Galaxie fällt. Quasare sind damit so etwas wie kosmische Leuchttürme – helle, ferne Lichtquellen, die es den Astronomen erlauben, die intergalaktischen Atome zu untersuchen, die sich zwischen einem irdischen Astronomen und dem Quasar befinden. Allerdings dauert die Quasar-Phase nur einen kleinen Bruchteils der Lebenszeit einer typischen Galaxie. Entsprechend selten sind Quasare am Himmel zu finden. Typischerweise sind solche Quasare hunderte von Millionen von Lichtjahren voneinander entfernt.

Um das kosmische Netzwerk auf deutlich kleineren Größenskalen zu untersuchen, nutzten die Astronomen extrem seltene, zufällige Anordnungen von Quasaren aus: Quasarpaare, die von der Erde aus dicht am Himmel nebeneinander stehen. Dann bestimmten sie die Unterschiede der Lichtabsorption durch intergalaktische Atome entlang der zwei benachbarten Sichtlinien.

Erstautor Alberto Rorai, Postdoktorand an der Universität Cambridge und ehemaliger MPIA-Doktorand, sagt: "Eine der größten Herausforderungen bestand darin, statistische Werkzeuge zu entwickeln, um die winzigen Unterschiede im Licht der Quasarpaare quantitativ zu beschreiben." Rorai entwickelte diese Werkzeuge als Teil der Forschung für seine Doktorarbeit, die er am MPIA anfertigte, und wendete sie auf Quasarspektren an, die für diesen Zweck an drei Observatorien aufgenommen worden waren: die 10-Meter-Keck-Teleskope auf dem Mauna Kea auf Hawaii und zwei Teleskope in der Atacamawüste in Chile, nämlich das Very Large Telescope der Europäischen Südsternwarte (ESO) mit 8 Metern Durchmesser sowie das Magellan Telescope am Las Campanas Observatory mit 6,5 Metern Durchmesser.

Die Astronomen verglichen ihre Ergebnisse anschließend mit Supercomputer-Rechnungen, welche die Entwicklung kosmischer Strukturen vom Urknall bis zur Gegenwart simuliert hatten. "Auf Grundlage der Gesetze der Physik erhalten wir mit unseren Simulationen ein künstliches Universum, das sich direkt mit den Beobachtungsdaten vergleichen lässt. Ich habe mich sehr gefreut, dass die neuen Messungen zu den gängigen Vorstellungen dafür passen, wie kosmische Strukturen entstehen" sagt Jose Oñorbe, Postdoktorand am MPIA, der für die Supercomputer-Simulationen verantwortlich war. Auf einem einzigen Laptop würden diese komplexen Rechnungen fast hunderttausend Jahre Rechenzeit beansprucht haben. Mithilfe moderner Supercomputer konnten die Forscher sie binnen weniger Wochen durchführen.

Joseph Hennawi, Leiter der ehemaligen Forschungsgruppe am MPIA, an der das Projekt durchgeführt wurde, erklärt: "Ein Grund, warum die Strukturen auf diesen Größenskalen so interessant ist, besteht darin, dass sie Informationen über die Gastemperatur im kosmischen Netzwerk einige wenige Milliarden Jahre nach dem Urknall enthalten". Nach heutigem Wissen vollzog sich im Universum damals ein grundlegender Wandel, während der sich die Temperatur der Materie drastisch änderte. Im Laufe dieser kosmischen Reionisierungsära wurde die Ultraviolettstrahlung der Sterne und Quasare im Kosmos intensiv genug, um die Atome im intergalaktischen Raum ihrer Elektronen zu entkleiden. Wann und wie diese Reionisierung stattfand ist eine der wichtigsten offenen Fragen der Kosmologie. Die neuen Messungen liefern interessante Hinweise darauf, wie dieses Kapitel der kosmischen Geschichte im Einzelnen abgelaufen sein dürfte.

Quelle

MPIA - Max-Planck-Institut für Astronomie
Das MPIA wurde 1967 gegründet und ist ein Institut der Max-Planck-Gesellschaft. Das MPIA beschäftigt sich sich mit der Grundlagenforschung auf dem Gebiet der Astronomie.

Webseite: http://www.mpia.de

Artikelquelle

Schnappschuss einer Supercomputer-Simulation des kosmischen Netzwerks vor 11,5 Milliarden Jahren
Schnappschuss einer Supercomputer-Simulation des kosmischen Netzwerks vor 11,5 Milliarden Jahren. Mehrere solcher Modelle wurden erzeugt und anschließend mit den Quasar-Beobachtungen verglichen, um Rückschlüsse auf die Eigenschaften des Universums kurz nach der Reionisierungs-Ära zu ziehen. Die Seitenlänge des gezeigten würfelförmigen Ausschnitts beträgt 24 Millionen Lichtjahre.
© J. Onorbe / MPIA
Schematische Darstellung der Technik, die genutzt wurde, um die Struktur des kosmischen Netzwerk auf kleinen Größenskalen zu erkunden
Schematische Darstellung der Technik, die genutzt wurde, um die Struktur des kosmischen Netzwerk auf kleinen Größenskalen zu erkunden. Dazu wurde Licht eines weit entfernten Quasar-Paares beobachtet. Dessen Spektren (rechts unten) enthalten Informationen über die Gaswolken, die das Licht auf seiner Reise zur Erde durchquert hat, sowie über die Abstände dieser Gaswolken von der Erde.
© Springel et al. (2005) (cosmic web) / J. Neidel, MPIA
Spektren zweier Mitglieder eines der engen Quasar-Paare, die für diese Studie genutzt wurden
Spektren zweier Mitglieder eines der engen Quasar-Paare, die für diese Studie genutzt wurden. Die leichten Unterschiede der Absorptionsstruktur entlang der beiden Sichtlinien erlaubt es den Forschern, Rückschlüsse auf die Struktur des kosmischen Netzwerks bei kleineren Größenskalen zu ziehen.
© Rorai et al. / MPIA

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