XMM & VLT
Alter Galaxienhaufen im jungen Universum
Redaktion
astronews.com
2. März 2005

Einem internationalen Forscherteam gelang mit Hilfe des europäischen Röntgensatelliten XMM-Newton und dem Very Large Telescopes der Europäischen Südsternwarte in Chile eine vielleicht bahnbrechende Entdeckung: Sie spürten im jungen Universum einen "alten" Galaxienhaufen auf. Bislang hatten die Astronomen angenommen, dass sich solche Strukturen erst sehr viel später entwickeln konnten.

Der entfernte, massereiche Galaxienhaufen XMMU J2235.3-2557 (z=1.393) zu dem Zeitpunkt, als das Universum weniger als 5 Milliarden Jahre alt war und etwa ein Drittel seines heutigen Alters erreicht hatte. Das Bild zeigt eine Überlagerung von Beobachtungen in verschiedenen Spektralbereichen: Die Konturen der XMM-Newton-Röntgenbeobachtung sind gelb eingezeichnet, die ESO-VLT-Beobachtungen sind rot und grün für optische Wellenlängen und blau für das Nah-Infrarot unterlegt. Die kleinen roten Objekte sind alte, zu diesem Haufen gehörende Galaxien, die kontinuierliche Röntgenemission stammt von dem extrem heißen Gas zwischen den Galaxien. Bild: ESO [Großansicht]

Mit Hilfe der weltweit größten optischen Teleskope und Röntgensatelliten haben Astronomen des Max-Planck-Instituts für extraterrestrische Physik (MPE) in Garching in Zusammenarbeit mit einem internationalen Forscherteam den bisher am weitesten entfernten massereichen Galaxienhaufen entdeckt. Das riesige Galaxiensystem befindet sich in neun Milliarden Lichtjahren von der Erde, was etwa 85.100.000.000.000.000.000.000 Kilometern entspricht, und besitzt eine mehrere hundert Billionen Mal größere Masse als unsere Sonne.

Besonders überrascht die Wissenschaftler, ein so massereiches Objekt bereits zu dieser frühen Zeit im noch jungen Universum zu finden. Bis vor kurzem gingen Kosmologen davon aus, dass sich solch komplexe Strukturen erst wesentlich später in der kosmischen Entwicklung gebildet haben.

Unsere Heimatgalaxie, die Milchstraße, befindet sich in einer vergleichsweise wenig bevölkerter kosmischen Umgebung. Im Gegensatz dazu gibt es spezielle Regionen im All, in denen sich einige Hundert bis mehrere Tausende Galaxien vergleichbar der Milchstraße konzentrieren, die über ihre wechselseitige Anziehungskraft aneinander gebunden sind.

Diese Systeme werden Galaxienhaufen genannt und bilden die größten und massereichsten Objekte im Universum - sie sind fundamentale "Marksteine" der größten Strukturen im Kosmos. Darüber hinaus gibt ihre Anzahl und das Muster ihrer Verteilung im Weltraum Auskunft über die "Architektur" sowie die Entwicklung des gesamten Universums selbst.

Galaxienhaufen enthalten außer den im sichtbaren Licht beobachtbaren Galaxien auch noch große Mengen extrem heißen Gases, das bei einer Temperatur von bis zu 100 Millionen Grad vor allem Röntgenstrahlung aussendet. Dieses Röntgenlicht war es auch, dass die Astronomen auf die Fährte des neu entdeckten Objekts geführt hatte. Bei der systematischen Auswertung am Astrophysikalischen Institut Potsdam (AIP) einer langen, mehr als zwölfstündigen Beobachtung einer nahen Galaxie mit dem weltweit größten Röntgenobservatoriums XMM-Newton der europäischen Weltraumbehörde ESA entdeckten die Wissenschaftler im äußeren Teil des Gesichtfeldes eine sehr schwache Quelle.

Obwohl Galaxienhaufen neben den Quasaren die leuchtkräftigsten Röntgenstrahler sind, wurden nur 280 Photonen, im Schnitt also nur alle 2,5 Minuten ein Lichtteilchen, von XMM-Newton aufgefangen, ein erstes Indiz für die extreme Entfernung zu diesem Objekt. Zum Vergleich: Beim Anblick einer in der Entfernung des Mondes platzierten herkömmlichen 100 Watt-Glühbirne würden unsere Augen etwa die gleiche Anzahl Lichtteilchen sammeln.

Der Anfangsverdacht der Forscher wurde schließlich durch optische Beobachtungen an einem der 8,2 Meter Teleskope des Very Large Telescope (VLT) des European Southern Observatory (ESO) in Chile bestätigt. Die Wissenschaftler konnten anhand der Verschiebung der spektralen Merkmale der Galaxien zeigen, dass sich der neue Rekordhalter in einer Entfernung, gemessen über die Lichtlaufzeit, von 9 Milliarden Lichtjahren befindet, was einer Rotverschiebung von 1,4 entspricht.

Da sich das Licht mit einer endlichen Geschwindigkeit von 300.000 Kilometern pro Sekunde durch die Weiten des Alls bewegt, können die Astronomen eine Art "kosmische Archäologie" betreiben. Während sie Licht von weit entfernten Objekten sammeln, schauen sie gleichzeitig in die Vergangenheit und sehen eine Momentaufnahme des Universums zu einem früheren Zeitpunkt. So sehen wir beispielsweise den Mond wie er vor einer Sekunde aussah, die Sonne zum Zeitpunkt vor acht Minuten und den Saturn im Zustand von vor einer guten Stunde.

Auf Grund der enormen Entfernung des neu entdeckten Objektes wird dieser "Blick in die Vergangenheit" extrem: "Durch Einfangen des Lichts des Galaxienhaufens, das seit 9 Milliarden Jahren auf dem Weg zu uns ist, sehen wir ein Bild des Universums im Jugendalter, zu einem Zeitpunkt, als es weniger als 5 Milliarden Jahre alt war, also nur etwa ein Drittel des heutigen Alters erreicht hatte", erklärt Dr. Chris Mullis von der University of Michigan. "Die optischen Bilder des Very Large Telescopes zeigen ganz Erstaunliches", fügt ESO-Astronom Dr. Piero Rosati hinzu. "Schon in dieser frühen Periode der kosmischen Geschichte sehen wir diese riesige und vollentwickelte Struktur. Das bedeutet, dass wir es mit einem alten Galaxienhaufen in einem jungen Universum zu tun haben."

Der neu entdeckte Galaxienhaufen ist für die Forscher eine Art riesiges Labor, mit dessen Hilfe sich konkurrierende Theorien zur Strukturentstehung und -entwicklung im Universum direkt testen lassen. Aus diesem Grund werden derzeit weitere detaillierte Beobachtungen des Rekordobjekts mit bodengebundenen Großteleskopen sowie Weltraumobservatorien durchgeführt.

Diese Entdeckung motiviert uns, gezielt nach weiteren extrem entfernten Galaxienhaufen zu suchen", kommentiert Dr. Hans Böhringer (Max-Planck-Institut für extraterrestrische Phyisk, MPE) und gibt einen abschließenden Ausblick: "Die Ergebnisse unserer systematischen Suche und der weiterer zukünftiger Experimente auf diesem Gebiet werden letztendlich die fundamentalen Parameter unseres Universums stark eingrenzen."

Das Forscherteam, bestehend aus Chris Mullis (University of Michigan), Piero Rosati (ESO), Georg Lamer (AIP), Hans Boehringer (MPE), Axel Schwope (AIP), Peter Schuecker (MPE) und Rene Fassbender (MPE), wird seine bahnbrechende Entdeckung in der nächsten Ausgabe der Fachzeitschrift Astrophysical Journal Letters veröffentlichen.