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Seltene Doppelquasare durchleuchten das Wasserstoff-Netzwerk unseres Kosmos

27. April 2017

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.
Hintergrundinformationen Bilder und Download-Bereich Ausführliche Beschreibung
Abbildung 1: 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. Bild vergrößern
Abbildung 1: 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. [weniger]

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 soweit entfernt sind, dass ihr Licht mehr als 11 Milliarden Jahre benötigt, um uns zu erreichen, gelang es den Astronomen, Strukturunterschiede auf Größenskalen von nur einigen hunderttausend Lichtjahren zu vermessen – vergleichbar der Größe einzelner Galaxien.

Abbildung 2: 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. Bild vergrößern
Abbildung 2: 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.

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.

Abbildung 3: 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. Bild vergrößern
Abbildung 3: 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.

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.

Hintergrundinformationen

Die hier beschriebenen Ergebnisse sind veröffentlicht als A. Rorai et al., "Measurement of the Small-Scale Structure of the Intergalactic Medium Using Close Quasar Pairs" in der Ausgabe vom 28. April 2017 der Fachzeitschrift Science.

Fachartikel Rorai et al. auf der Webseite des Science Magazine

Hinweis für Journalisten: Weitere Informationen, inklusive Exemplare des Fachartikels, sind Online als Teil des Science Press Package zugänglich unter http://www.eurekalert.org/jrnls/sci (Benutzername und Passwort nötig). Rückfragen und direkter Kontakt: +1-202-326-6440 und scipak@aaas.org .

Von Seiten des MPIA waren beteiligt: Alberto Rorai (auch: University of Cambridge), Joseph F. Hennawi (auch: University of California at Santa Barbara [UCSB]), Jose Oñorbe, Girish Kulkarni (auch: University of Cambridge),  Khee-Gan Lee (jetzt Lawrence Berkeley National Laboratory [LBL]) und Michael Walther

in Zusammenarbeit mit

Martin White (UCSB und LBL), J. Xavier Prochaska (University of California at Santa Cruz) und Zarija Lukic (UCSB und LBL)

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Weitere Abbildungen und Downloadbereich

Abbildung 1: 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.
Abbildung 1: 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. [weniger]

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Abbildung 2: 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.
Abbildung 2: 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. [weniger]

Abbildung 2

Abbildung 3: 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.
Abbildung 3: 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. [weniger]

Abbildung 3

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