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Eine kosmische Massenkarambolage

22.06.2011
Ein internationales Wissenschaftlerteam, angeführt von dem Heidelberger Astronomen Julian Merten, hat mit einer Reihe von erdgebundenen Teleskopen und Weltraumobservatorien, unter anderem dem Very Large Telescope der ESO und dem Hubble Space Telescope, den Galaxienhaufen Abell 2744 untersucht.

So gelang es den Astronomen, die komplizierte und auch gewaltsame Vergangenheit des Galaxienhaufens aufzudecken. Abell 2744, den die Astronomen „Pandoras Galaxienhaufen“ getauft haben, scheint demnach das Ergebnis eines Zusammenstoßes von insgesamt mindestens vier verschiedenen Galaxienhaufen zu sein.


Röntgenstrahlung, Dunkle Materie und Galaxien in Abell 2744. Foto: NASA, ESA, ESO, CXC & D. Coe (STScI)/J. Merten (Heidelberg/Bologna)

Das Durcheinander, das beim Zusammenstoß von großen Galaxienhaufen entsteht, stellt für Astronomen eine wahre Fundgrube an Informationen über den Verlauf solcher Kollisionen dar. Für Abell 2744, eines der außergewöhnlichsten und komplexesten Systeme von kollidierenden Haufen am gesamten Himmel, ist es nun einem internationalen Astronomenteam gelungen, den genauen Ablauf des 350 Millionen Jahre dauernden Zusammenstoßes zu rekonstruieren.

“Genau wie ein Unfallsachverständiger, der die Trümmerstücke wieder zusammensetzt, um die Unfallursache zu finden, können wir mit Beobachtungen solcher kosmischen Massenkarambolagen den Ereignissen auf die Spur zu kommen, die sich über hunderte von Millionen Jahren hinweg während des Zusammenstoßes abgespielt haben. So können wir entschlüsseln, wie sich große Strukturen im Universum bilden und wie verschiedene Arten von Materie wechselwirken, wenn sie miteinander kollidieren”, erklärt Julian Merten vom Heidelberger Zentrum für Astronomie, der Erstautor der Studie, in der die Auswertung der Beobachtungen des Galaxienhaufens Abell 2744 beschrieben wird.

“Wir haben dem Haufen den Spitznamen “Pandoras Galaxienhaufen” gegeben, weil durch die Kollision so viele verschiedene und teilweise seltsame Phänomene ausgelöst wurden”, fügt Renato Dupke hinzu, ein weiterer an der Studie beteiligter Astronom.

Durch die Kombination von Daten des Very Large Telescope (VLT) der ESO, des japanischen Subaru-Teleskops, des Hubble-Weltraumteleskops von ESA und NASA sowie des NASA-Röntgensatelliten Chandra konnte Abell 2744 jetzt detaillierter untersucht werden als jemals zuvor.

Die einzelnen Galaxien des Haufens sind in den VLT- und Hubble-Aufnahmen deutlich zu erkennen. Sie machen allerdings – trotz ihrer imposanten Erscheinung – lediglich 5% von dessen Gesamtmasse aus. Der Rest besteht zu etwa 20% aus Gas, das so heiß ist, dass es nur im Röntgenbereich zu sehen ist, und zu etwa 75% aus Dunkler Materie, die komplett unsichtbar ist. Um den Ablauf der Kollision zu verstehen, mussten die Wissenschaftler die Verteilung dieser drei Materiearten in Abell 2744 genau kartieren.

Die Dunkle Materie ist besonders schwer aufzuspüren, da sie, wie der Name schon sagt, Licht weder aussendet noch absorbiert oder reflektiert. Sie verrät ihre Gegenwart allein durch ihre Schwerkraftwirkung. Daher verwendeten die Astronomen ein als Gravitationslinseneffekt bekanntes Phänomen, um die Verteilung dieser geheimnisvollen Materie im Galaxienhaufen zu ermitteln. Der Gravitationslinseneffekt bewirkt eine Ablenkung des Lichtes noch weiter entfernter Hintergrundgalaxien, das auf seinem Weg zu uns die Gravitationsfelder des Galaxienhaufens durchquert. Das Ergebnis ist eine charakteristische Verzerrung der Bilder der Hintergrundgalaxien in den VLT- und Hubble-Aufnahmen. Diese Verzerrung haben die Wissenschaftler für Abell 2744 im Detail dokumentiert und konnten daraus rekonstruieren, wo genau sich die unsichtbare Masse – und damit die Dunkle Materie – befindet.

Vergleichsweise einfacher gestaltet sich die Kartierung des heißen Gases in Abell 2744, denn das kann vom Chandra-Satelliten direkt beobachtet werden. Die Röntgenbeobachtungen sind dabei nicht nur von entscheidender Bedeutung, um die Verteilung des Gases zu bestimmen, sondern sie verraten auch die Winkel und Geschwindigkeiten, mit denen die einzelnen Teile des Galaxienhaufens zusammengestoßen sind.

Bei der Auswertung ihrer Ergebnisse entdeckten die Astronomen eine ganze Reihe von Besonderheiten. “Abell 2744 scheint sich bei einer etwa 350 Millionen Jahre dauernden Serie von Kollisionen aus vier einzelnen Galaxienhaufen gebildet zu haben. Die komplexe und ungleichmäßige Verteilung der verschiedenen Arten der Materie in dem Haufen ist sehr ungewöhnlich und faszinierend”, erläutert Dan Coe, der Zweitautor der Studie.

Anscheinend hat der komplizierte Ablauf der Zusammenstöße einen Teil des heißen Gases und der Dunklen Materie voneinander getrennt, so dass diese Teile nun räumlich getrennt voneinander und von den Galaxien liegen. In Pandoras Galaxienhaufen können damit verschiedene Phänomene gemeinsam beobachtet werden, die man bisher in anderen Systemen nur getrennt erforschen konnte.

In der Nähe des Zentralbereichs des Haufens hat sich eine Art “Geschoß” gebildet, das entstand, als das Gas eines der ursprünglichen Haufen mit dem Gas eines anderen kollidierte und dabei eine Stoßwelle ausbildete. Die Dunkle Materie konnte diese Region dagegen vollkommen ungehindert durchdringen [1].

In einem anderen Teil des Haufens scheint es Galaxien und Dunkle Materie zu geben, aber so gut wie kein heißes Gas. Das Gas könnte während der Kollision abgestreift worden sein, so dass nun nur noch ein schwacher Schweif davon zu sehen ist.

Noch weit ungewöhnlichere Phänomene fanden die Wissenschaftler in den Außenbereichen des Haufens. Eine Region in diesen Bereichen enthält beträchtliche Mengen an Dunkler Materie, aber weder leuchtkräftige Galaxien noch heißes Gas. Ein weiterer Klumpen heißen Gases scheint herausgeschleudert worden zu sein, allerdings in Vorwärtsrichtung, so dass er sich nun vor statt hinter der zugehörigen Dunklen Materie her bewegt. Dieses rätselhafte Ensemble könnte den Astronomen wichtige Hinweise auf die Eigenschaften der Dunklen Materie geben, und auch darauf wie die verschiedenen Materieformen im Universum miteinander wechselwirken.

Galaxienhaufen sind die größten Strukturen im Kosmos. Sie enthalten viele Billionen Sterne. Die Art und Weise, auf die sie entstehen und sich dann durch aufeinander folgende Kollisionen weiter entwickeln, ist ein wichtiger Schlüssel zum Verständnis des Universums. Daher laufen bereits weitere Untersuchungen von Pandoras Galaxienhaufen, des komplexesten und faszinierenden Systems kollidierender Galaxienhaufen, das wir kennen.

Endnoten

[1] Dieser Effekt wurde bereits bei einigen anderen Kollisionen von Galaxienhaufen beobachtet, insbesondere beim "Bullet Cluster" 1E 0657-56, der einer solchen Struktur seinen Spitznamen verdankt.

Zusatzinformationen

Die hier vorgestellten Forschungsergebnisse von Merten et al. erscheinen demnächst unter dem Titel “Creation of cosmic structure in the complex galaxy cluster merger Abell 2744”, in der Fachzeitschrift Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Die beteiligten Wissenschaftler sind J. Merten (Institut für theoretische Astrophysik in Heidelberg und INAF-Osservatorio Astronomico di Bologna, Italien), D. Coe (Space Telescope Science Institute, Baltimore, USA), R. Dupke (University of Michigan, USA; Eureka Scientific, USA; National Observatory, Rio de Janeiro, Brasilien), R. Massey (University of Edinburgh, Schottland), A. Zitrin (Tel Aviv University, Israel), E.S. Cypriano (University of Sao Paulo, Brasilien), N. Okabe (Academia Sinica Institute of Astronomy and Astrophysics, Taiwan), B. Frye (University of San Francisco, USA), F. Braglia (University of British Columbia, Kanada), Y. Jimenez-Teja (Instituto de Astrofisica de Andalucia, Granada, Spanien), N. Benitez (Instituto de Astrofisica de Andalucia), T. Broadhurst (University of Basque Country, Spanien), J. Rhodes (Jet Propulsion Laboratory/Caltech, USA), M. Meneghetti (INAF-Osservatorio Astronomico di Bologna, Italien), L. A. Moustakas (Caltech), L. Sodre Jr. (University of Sao Paulo, Brasilien), J. Krick (Spitzer Science Center/IPAC/Caltech, USA) und J. N. Bregman (University of Michigan).

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