MUSE entdeckt Filamente des kosmischen Netzwerks

Simulation des „kosmischen Netzwerks“ im frühen Universum. Das Bild zeigt das vorhergesagte Lichtsignal des kosmischen Wasserstoffs innerhalb einer Region von etwa 15 Millionen Lichtjahren Durchmesser. Die kleinen Pünktchen stellen junge Galaxien dar.
Jeremy Blaizot, SPHINX project, https://sphinx.univ-lyon1.fr/

Einem internationalen Team von Astronominnen und Astronomen unter Mitwirkung des Leibniz-Instituts für Astrophysik Potsdam (AIP) gelang zum ersten Mal die direkte Kartierung kosmischer Filamente im jungen Universum, weniger als zwei Milliarden Jahre nach dem Urknall. Die Beobachtungen zeigen sehr leuchtschwache Galaxien, und geben Hinweise auf deren Vorfahren.

Die großräumige Verteilung der Materie im Universum bildet eine Art „Netzwerk“ von fadenförmigen Strukturen und Knotenpunkten, innerhalb derer die Galaxien entstehen – dies ist eine der wichtigsten Erkenntnisse der Modelle zur kosmischen Strukturbildung. Auch das Gas zwischen den Galaxien sollte sich entlang dieses Netzwerks ausrichten, was jedoch extrem schwierig zu beobachten ist. Vor vierzig Jahren sagten wissenschaftliche Erkenntnisse voraus, dass das Wasserstoffgas des kosmischen Netzwerks ganz schwach aus sich heraus leuchten sollte.

Eines der mit MUSE entdeckten kosmischen Wasserstoff-Filamente im Hubble Ultra Deep Field, 11,5 Mrd. Lichtjahre entfernt und ausgedehnt über eine Strecke von mehr als 15 Mio. Lichtjahren. Das Hintergrundbild ist eine Hubble-Farbaufnahme.
Roland Bacon, ESO and NASA

Das erwartete Signal ist so lichtschwach, dass es erst seit kurzem beobachtet werden kann ­– den entscheidenden Durchbruch lieferte das neue Instrument „Multi Unit Spectroscopic Explorer“ (MUSE) am Großteleskop der Europäischen Südsternwarte in Chile. Bruchstücke des kosmischen Netzes waren damit bisher nur in der Nähe von hellen Quasaren zu sehen, deren intensive Strahlung das Lichtsignal des Gases erheblich verstärkt. Allerdings liegen helle Quasare in sehr dichten und seltenen Regionen, den Knotenpunkten des kosmischen Netzes, die überhaupt nicht repräsentativ für die Umgebung normaler Galaxien sind. Leuchtendes Gas aus den eigentlichen kosmischen Filamenten konnte bisher nicht beobachtet werden.

Ein internationales Team unter der Leitung von Roland Bacon (CNRS, CRAL), dem auch mehrere Forscherinnen und Forscher des AIP angehören, hat nun auch diese Hürde gemeistert. Sie nutzten MUSE mit zusätzlicher Bildverbesserung durch die sogenannte „Adaptive Optik“ für eine 140-stündige Belichtung konzentriert auf einen einzigen Fleck des bekannten „Hubble Ultra Deep Field“. Dr. Peter Weilbacher, Mitglied des Teams und verantwortlich für die MUSE-Datenreduktionssoftware, beschreibt dies als „die tiefste spektrale Beobachtung, die jemals durchgeführt wurde, unter Verwendung des fortschrittlichsten spektroskopischen Instruments der Welt“.

Allein in diesem kleinen Feld wurden über 2000 Galaxien gefunden, von denen die allermeisten vorher aus klassischen Galaxiendurchmusterungen nicht bekannt waren. Vierzig Prozent der neu entdeckten Galaxien sind so lichtschwach, dass sie sogar auf den Bildern des Hubble-Weltraumteleskops völlig unsichtbar sind – und das, obwohl Hubble dieses Feld so tief untersucht hat wie keine andere Region am Himmel.

Die MUSE-Beobachtungen ermöglichten es dem Team, daraus die ersten Karten von kosmischen Netzfilamenten im jungen Universum – weniger als zwei Milliarden Jahre nach dem Urknall – zu erstellen. Allerdings fanden sie nicht, was sie erwartet hatten. Ein großer Teil des scheinbar diffusen Lichts der Filamente – vielleicht sogar das meiste – stammt von einem „Ozean“ aus ultraschwachen Galaxien, die einzeln nicht zu sehen sind, aber zusammen ein ausgedehntes, diffus wirkendes Leuchten erzeugen. „Das hat uns wirklich überrascht“, betont Prof. Dr. Lutz Wisotzki, Leiter der Abteilung Galaxien und Quasare am AIP, der an der Interpretation der Ergebnisse beteiligt war.

„Es sieht so aus, als ob es viel weniger Gas gibt, das den fast leeren Raum zwischen den Galaxien ausfüllt, als wir erwartet hatten.“ Dr. Tanya Urrutia, ebenfalls vom AIP, fügt hinzu: „Andererseits sehen wir jetzt vielleicht zum ersten Mal das kollektive Licht von winzigen Klumpen neu entstandener Sterne im frühen Universum, die sich dann später im Laufe der kosmischen Zeit zu echten Galaxien entwickelt haben.“ Was auch immer der Ursprung der beobachteten filamentartigen Emission ist, diese rekordverdächtige Aufnahme des kosmischen Netzwerks liefert wichtige neue Erkenntnisse über die Entstehung von Galaxien und deren Wechselwirkung mit ihrer Umgebung. Für die kommenden Jahre plant das Team weitere Beobachtungen mit MUSE, um die Geheimnisse des kosmischen Netzwerks weiter zu entschlüsseln.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Prof. Dr. Lutz Wisotzki, 0331 7499 532, lwisotzki@aip.de

Originalpublikation:

R. Bacon, D. Mary, T. Garel, J. Blaizot, M. Maseda, J. Schaye, L. Wisotzki, S. Conseil, J. Brinchmann, F. Leclercq, V. Abril-Melgarejo, L. Boogard, N. Bouché, T. Contini, A. Feltre, B. Guideroni, C. Herenz, W. Kollatschny et al. (2021): The MUSE Extremely Deep Field: The cosmic web in emission at high redshift. Astronomy & Astrophysics

https://doi.org/10.1051/0004-6361/202039887

Weitere Informationen:

https://bit.ly/PM_AIP_Cosmic_web_de
https://www.cnrs.fr/en/first-images-cosmic-web-reveal-myriad-unsuspected-dwarf-g…

http://www.aip.de

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Dr. Janine Fohlmeister Presse- und Öffentlichkeitsarbeit
Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam

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