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GALAXIENHAUFEN
Filament aus Dunkler Materie in 3D
von Stefan Deiters
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16. Oktober 2012

Mit Hilfe des Weltraumteleskops Hubble und anderer Teleskope haben Astronomen erstmals ein riesiges Filament aus Dunkler Materie in seiner räumlichen Ausdehnung untersuchen können. Es erstreckt sich über 60 Millionen Lichtjahre von einem der massereichsten bekannten Galaxienhaufen ins All und dürfte Teil des kosmischen Netzes sein, das eine Art Grundgerüst des Universums darstellt.

MACS J0717.5+374550

Der Galaxienhaufen MACS J0717.5+374550. In Blau ist die Massenverteilung in diesem Bereich dargestellt. Das Filament ist links des Haufenzentrums zu sehen. Bild: NASA, ESA, Harald Ebeling (University of Hawaii at Manoa) & Jean-Paul Kneib (LAM)  [Großansicht]

Warum sind die Galaxien und Galaxienhaufen so verteilt, wie wir sie heute beobachten? Astronomen vermuten, dass sich die sichtbare Materie im Universum entlang eines gewaltigen Netzes anordnet, an dessen Knotenpunkten sich die Galaxienhaufen befinden. Theoretische Simulationen am Computer bestätigen diese Sichtweise. Die Filamente, die die einzelnen Massekonzentrationen verbinden, bestehen größtenteils aus Dunkler Materie und sind deswegen kaum zu entdecken. Sie haben sich aus winzigen Dichtefluktuationen entwickelt, die es direkt nach dem Urknall gegeben haben muss.

Im Sommer war es Astronomen gelungen, einen Teil eines solchen Filaments sicher zu identifizieren. Jetzt konnte ein Wissenschaftlerteam sogar die Struktur des Filaments in drei Dimensionen untersuchen und damit eine räumliche Vorstellung von dieser faszinierenden Struktur gewinnen. "Filamente des kosmischen Netzes sind sehr ausgedehnt und diffus, wodurch sie nur sehr schwer zu entdecken, geschweige denn in 3D zu untersuchen sind", erläutert Mathilde Jaucaz vom Laboratoire d’Astrophysique de Marseille in Frankreich und der University of KwaZulu-Natal in Südafrika, die Leiterin der Studie.

Für ihre Untersuchung kombinierten die Wissenschaftler detaillierte Aufnahmen der Himmelsregion um den extrem massereichen Galaxienhaufen MACS J0717.5+3745 (kurz MACS J0717), die mit dem Weltraumteleskop Hubble, dem Subaru-Teleskop und dem Canada-France-Hawaii-Teleskop gemacht worden waren, mit spektroskopischen Daten der Galaxien des Haufens, die vom Keck-Teleskop auf Hawaii und dem Gemini Observatory stammen. So erhielten sie einen Blick auf das genaue Aussehen des Filaments, das sich rund 60 Millionen Lichtjahre aus dem Galaxienhaufen hinaus nahezu genau entlang unserer Sichtlinie zum Haufen erstreckt.   

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Die Wahl des Galaxienhaufens war dabei alles andere als zufällig: Nach den aktuellen Theorien entstehen Galaxienhaufen ja gerade dort, wo sich Filamente treffen, da diese langsam Materie in die Haufen leiten. "Von früheren Untersuchungen von MACS J0717 wussten wir, dass dieser Haufen wächst und damit ein hervorragendes Ziel für die Untersuchung des kosmischen Netzes sein sollte", so Harald Ebeling von der University of Hawaii, dessen Team vor fast einem Jahrzehnt den Galaxienhaufen entdeckt hatte.

Da die Filamente des kosmischen Netzes aber hauptsächlich aus Dunkler Materie bestehen, von der die Wissenschaftler weder wissen, um was es sich genau handelt, noch sie direkt beobachten können, mussten sie für ihre Studie einen Trick anwenden: Sie nutzten einen von Einsteins Relativitätstheorie vorhergesagten Effekt. Massereiche Objekte lenken nämlich Lichtstrahlen ab. Sie wirken als sogenannte Gravitationslinsen, lassen also verzerrte Bilder deutlich entfernterer Objekte rund um die Massenansammlung entstehen. In der Umgebung massereicher Galaxienhaufen finden sich daher oft unzählige solcher verzerrter Galaxienbilder.

Die Astronomen haben nun ein Verfahren entwickelt, mit dessen Hilfe sich aus den verzerrten Bildern der Galaxien eine Karte der Massenverteilung in der Struktur berechnen lässt, die für die Verzerrung verantwortlich ist. Dazu benötigte man aber möglichst gute Aufnahmen der verzerrten Galaxien, die das Weltraumteleskop Hubble liefern konnte. Dies erlaubte den Forscher, auf die Lage des Filaments aus Dunkler Materie zu schließen. "Das Schwierige war", so Jean-Paul Kneib vom Laboratoire d’Astrophysique de Marseille, "ein Modell der Form des Haufens zu finden, das mit allen Gravitationslinsen-Bildern übereinstimmt, die man beobachtet hat."

Schließlich benötigten die Astronomen noch detaillierte Informationen über Entfernung und Bewegung der Galaxien in dem Filament und dem Haufen. Die Hubble-Daten ermöglichten zwar schon die Erstellung der bislang besten zweidimensionale Karte des Filaments, doch um dessen räumliches Aussehen zu erkennen, waren noch zusätzliche Beobachtungen - etwa mit Spektrometern - nötig. So wurden die Entfernungen von Tausenden von Galaxien in dem Filament bestimmt und von vielen zusätzlich noch ihre Bewegungsrichtung.

Mit den Positions- und Geschwindigkeitsangaben ließ sich dann das wirkliche dreidimensionale Aussehen des Filaments rekonstruieren. Es hat danach eine Ausdehnung von mindestens 60 Millionen Lichtjahren und die Galaxien in dem Filament bewegen sich in Richtung des Galaxienhaufens MACS J0717. Überrascht hat die Astronomen die Masse, die in dem Filament versammelt ist. Sollten andere Filamente in der Nähe großer Galaxienhaufen ähnlich massereich sein, dürften diese Strukturen des kosmischen Netzes mehr Masse in Form Dunkler Materie enthalten, als Theoretiker bislang vorhergesagt hatten. Eventuell könnte sogar die Hälfte der Masse des Universums in solchen Filamenten verborgen sein.

Weitere Informationen über die Filamente und das kosmische Netz erhoffen sich die Astronomen vom James Webb Space Telescope, dessen Start gegenwärtig für das Jahr 2018 geplant ist. Dank seiner noch höheren Empfindlichkeit sollten sich mit dem Nachfolger des Weltraumteleskops Hubble noch zahlreiche weitere Filamente entdecken lassen. Die Astronomen berichten über ihre Arbeit in der Fachzeitschrift Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

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siehe auch
Dunkle Materie: Kosmisches Netz aus Dunkler Materie - 9. Januar 2012
Chandra, Hubble & Keck: Galaxienhaufen in Mega-Kollision - 17. April 2009
Links im WWW
spacetelescope.org, Seite der ESA
Preprint des Fachartikels bei arXiv.org
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