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Neue Simulationen lösen mehrere Rätsel um Radiorelikte
Redaktion
/ Pressemitteilung des Leibniz-Instituts für Astrophysik Potsdam
astronews.com
19. November 2025
Wenn Galaxienhaufen miteinander kollidieren, entstehen
gewaltige Stoßwellen, die Elektronen auf hohe Energien beschleunigen und
sogenannte Radiorelikte erzeugen – riesige Bereiche, die Radiostrahlung
aussenden. Durch neue Simulationen der Entwicklung dieser Stoßwellen konnten nun
gleich mehrere langjährige Rätsel um diese Radiorelikte gelöst werden.
Bogenförmige Stoßwellen breiten sich während
der Verschmelzung von Galaxienhaufen nach außen aus und
wandeln dabei eine enorme Menge an Energie in Wärme um. Das
untere Bild zeigt die Gasdichte nach einer solchen
Verschmelzung, oben die freigesetzte Energie mit deutlich
sichtbaren Stoßwellen.
Bild: AIP / J. Whittingham [Großansicht] |
Galaxienhaufen sind die größten, durch ihre eigene Schwerkraft gebundenen
Strukturen im Universum. Jeder von ihnen enthält viele Hunderte bis zu Tausende
von Galaxien. Wenn zwei dieser Giganten zusammenstoßen, senden sie mächtige
Stoßwellen aus und setzen Energien frei, die seit dem Urknall nicht mehr
erreicht wurden. Die Stoßwellen fegen über Elektronen hinweg, beschleunigen sie
und bringen sie dazu, Radiostrahlung auszusenden, während sie sich spiralförmig
um Magnetfeldlinien bewegen. So entsteht ein "Radiorelikt" – ein riesiger Bogen
aus Radiostrahlung, der sich über mehr als sechs Millionen Lichtjahre erstrecken
kann, also über eine Distanz, die etwa 60 bis 70 hintereinander gereihten
Milchstraßen entspricht.
In den letzten Jahren haben sich jedoch immer mehr Fragen zu diesen
Radiorelikten aufgetan. Zum einen erscheinen die aus Beobachtungen abgeleiteten
Magnetfeldstärken unerwartet hoch. Zum anderen scheint die Stärke der Stoßwellen
davon abzuhängen, ob sie im Radio- oder Röntgenbereich gemessen wird. Und
besonders rätselhaft: Röntgendaten deuten darauf hin, dass viele dieser
Stoßwellen eigentlich zu schwach sind, um Elektronen ausreichend zu
beschleunigen – was der Existenz der Radiorelikte an sich widerspricht.
Einem Forschungsteam unter der Leitung des Leibniz-Instituts für Astrophysik
Potsdam (AIP) ist es nun gelungen, diese Widersprüche mit einem innovativen,
mehrskaligen Ansatz zu lösen. "Der Schlüssel zu unserem Erfolg war es, das
Problem auf verschiedenen Größenskalen zu betrachten", erklärt Dr. Joseph
Whittingham, Postdoktorand am AIP. "Zunächst haben wir in kosmologischen
Simulationen verfolgt, wie Stoßwellen entstehen, und das Ergebnis anschließend
in einer idealisierten Umgebung mit deutlich höherer Auflösung reproduziert." Im
letzten Schritt berechneten die Forschenden die Entwicklung der beschleunigten
Elektronen und die daraus entstehende Radioemission direkt aus den
physikalischen Grundprinzipien.
Damit gelingt es ihrem Modell erstmals, die Physik auf der Skala ganzer
Galaxienhaufen mit Prozessen zu verbinden, die auf der winzigen Bahn eines
einzelnen Elektrons stattfinden – Skalen, die sich um den Faktor einer Billion
unterscheiden. Die Forschenden fanden heraus, dass Stoßwellen am Rand eines
Galaxienhaufens auf weitere Stoßwellen treffen, die durch einströmendes, kaltes
Gas entstehen. Dieser Prozess verdichtet das umliegende Material und bildet eine
dichte Gasschicht, die sich nach außen bewegt und dort auf weitere Gasklumpen
stößt.
"Der gesamte Mechanismus erzeugt Turbulenzen, verformt und verstärkt das
Magnetfeld bis zu den beobachteten Stärken – und löst damit das erste Rätsel",
erläutert Prof. Christoph Pfrommer. Außerdem verstärkt sich ein Teil der
Stoßfront, wenn sie auf solche Gasklumpen trifft, was die Radioemission lokal
erhöht. Die Röntgenstrahlung hingegen spiegelt weiterhin die durchschnittliche,
insgesamt schwächere Stärke der Stoßwelle wider. Damit erklärt sich, warum die
Daten aus beiden Wellenlängenbereichen oft nicht übereinstimmen – und das zweite
Rätsel ist gelöst.
Schließlich zeigt sich, dass der größte Teil eines Radiorelikts durch die
stärksten Bereiche der Stoßfront erzeugt wird. Die niedrigeren
Durchschnittswerte aus Röntgenmessungen sind daher kein Widerspruch zur Theorie
der Elektronenbeschleunigung an Stoßwellen. "Dieser Erfolg motiviert uns, unsere
Untersuchungen fortzusetzen und die verbleibenden offenen Fragen rund um
Radiorelikte zu klären", so Whittingham.
Über die Ergebnisse berichtet das Team in einem Fachartikel, der bei der
Zeitschrift Astronomy & Astrophysics zur Veröffentlichung eingereicht
wurde.
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