Schlüsselrolle für die Sternentstehung

  • 20. January 2014

Dank Quasaren ist es Astronomen erstmals gelungen, einen Teil des kosmischen Netzwerks aufzunehmen.

Den gängigen Vorstellungen der Kosmologen zufolge bildet die Materie im Weltall auf riesigen Größenskalen ein verzweigtes Netz von Filamenten aus Gas. Die große Mehrheit der Wasserstoffatome sind seit dem Urknall ein Teil dieses weitgehend unveränderten kosmischen Netzwerks. Jetzt ist Forschern der University of California at Santa Cruz und des MPI für Astronomie erstmals eine Aufnahme dieser kosmischen Filamentstruktur gelungen. Sie nutzten dafür die intensive Strahlung, das ein supermassereiches schwarzes Loch generiert und einen kleinen Teil des kosmischen Netzes hell erleuchtet.

Quasar

Abb.: Der Ausschnitt des kosmischen Netzwerks mit einer Ausdehung von rund zwei Millionen Lichtjahren wurde in der direkten Umgebung des Quasars UM 287 (Bildmitte) beobachtet. (Bild: S. Cantalupo, UCSC)

Computersimulationen zufolge bilden die allermeisten Atome im Universum auf Größenskalen von hunderten Millionen Lichtjahren und mehr eine Art Netzwerk aus Wasserstoffgas, mit Filamenten, die an Knotenpunkten miteinander verbunden sind. Galaxien wie unsere Milchstraße entstehen in diesem Modell an genau solchen Knotenpunkten; Wasserstoffgas, das entlang der Filamente auf eine Galaxie fällt, ist eine wichtige Zutat für die Bildung neuer Sterne in solchen Galaxien. Direkt überprüfen ließ sich dieses Bild der großräumigen Struktur des Kosmos allerdings bislang nicht. Selbst an den dichtesten Knotenpunkten ist das Wasserstoffgas so extrem verdünnt, dass es kaum Licht von sich gibt und sich sogar mit den größten derzeit verfügbaren Teleskopen nicht nachweisen lässt.

Jetzt haben Astronomen erstmals ein direktes Bild eines Teilgebiets des kosmischen Netzwerks aufgenommen. Sie nutzten dabei den Umstand, dass Quasare wie kosmische Scheinwerfer wirken und naheliegende Gaswolken anstrahlen können. Das Kerngebiet einer Galaxie kann zwischenzeitlich zu einem Quasar werden, wenn Materie auf das zentrale, supermassereiche schwarze Loch der Galaxie fällt und dabei gewaltige Energien freisetzt. Die Wirtsgalaxie des Quasars sitzt – wie andere größere Galaxien auch – an einem der Knoten des kosmischen Netzwerks und der Quasar strahlt die direkt umliegenden Gasfilamente an.

Simulation


Abb.: Die Simulation im Hintergrund zeigt die Verteilung von dunkler Materie (Bolshoi-Simulation von Anatoly Klypin und Joel Primack). Diese dunkle Materie bildet das Grundgerüst des kosmischen Netzwerks aus Gas. Das kleinere Bild zeigt einen stark vergrößerten Ausschnitt aus einem Teil des kosmischen Netzwerks. Der Durchmesser des Ausschnitts liegt bei zehn Millionen Lichtjahren; die entsprechende Simulation berücksichtigt zusätzlich zur dunklen Materie auch das kosmische Gas (Simulation: S. Cantalupo). Die intensive Strahlung eines Quasars kann einen Teil des umgebenden kosmischen Netzwerks wie ein Scheinwerfer anstrahlen (dieser Teil ist im kleinen Bild hervorgehoben) und ein Filament des Gases zum Leuchten anregen. (Bild: A. Klypin, J. Primack, S. Cantalupo)

„Das Licht des Quasars ist wie der Strahl eines Scheinwerfers. In unserem Falle haben wir das Glück, dass dieser Scheinwerfer direkt auf ein Filament des kosmischen Netzwerks gerichtet ist und dessen Gas zum leuchten bringt“, sagt Sebastiano Cantalupo von der University of California. Mithilfe des Keck-Teleskops auf Hawaii und einem speziell angefertigten Filter konnten die Astronomen ein Bild des fluoreszierenden kosmischen Gases aufnehmen.

Mithilfe der Beobachtungen lassen sich die Ergebnisse von Supercomputer-Simulationen auf die Probe stellen, mit denen Kosmologen die Entstehung großräumiger Strukturen im Universum nachvollziehen. Tatsächlich gibt die Studie Hinweise darauf, dass diesen Simulationen wichtige Elemente fehlen dürften: Aufgrund der Beobachtungen lässt sich der Gehalt des kosmischen Netzwerks an kühlem Gas abschätzen – und das Ergebnis liegt deutlich über den Vorhersagen der Simulationen.

„Wenn man verstehen will, wie Galaxien entstehen, dann muss man wissen, welches Rohmaterial sie für die Sternentstehung zur Verfügung haben – und dieses Rohmaterial beziehen die Galaxien aus dem riesigen kosmischen Netz aus Gasfilamenten“, erläutert Joseph Hennawi vom MPIA. Den neuen Beobachtungen zufolge liegt eine Menge des Gases in Form kleiner, dichter Einzelwolken vor. Dies ist in den bisherigen Modellen noch nicht berücksichtigt. „Wenn wir hier Klarheit schaffen können, verspricht das wichtige Erkenntnisse über die Galaxienevolution“, meint Hennawi.

MPIA / AH

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