(openPR) Ein internationales Team von Astronom*innen hat eine Galaxie im frühen Universum beobachtet, die die seltene Form eines Einsteinkreuzes aufweist. Das Einsteinkreuz ist ein astronomisches Phänomen, bei dem das Licht einer sehr weit entfernten Galaxie durch die Schwerkraft einer dazwischenliegenden Galaxie abgelenkt wird. Dadurch erscheint das ferne Objekt für uns so, als handele es sich um mehrere, meist vier Abbilder, die in Kreuzform um die davor liegende Galaxie angeordnet sind – ein Effekt der sogenannten Gravitationslinse. Das nun entdeckte Einsteinkreuz verfügt zudem über ein fünftes Abbild. Die Forschenden konnten zeigen, dass die genaue Anordnung dieser fünf Abbilder nur erklärt werden kann, durch die Dunkle Materie Halo der vorderen Galaxie Gruppe beizufügen. Die Ergebnisse wurden unter dem Titel „HerS-3: An Exceptional Einstein Cross Reveals a Massive Dark Matter Halo“ in der Fachzeitschrift Astrophysical Journal veröffentlicht.
Die Wissenschaftler*innen nutzten für die aktuelle Studie Beobachtungen des Northern Extended Millimeter Array (NOEMA, Institut de Radioastronomie Millimétrique – IRAM, Frankreich), des Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA, Chile), des Karl G. Jansky Very Large Array (VLA, USA) und des Hubble-Weltraumteleskops (HST, NASA/ESA). Die Entdeckung trägt dazu bei, Dunkle Materie zu erforschen und die Entwicklung des frühen Universums besser zu erklären.
So genannte Gravitationslinseneffekte wie das Einsteinkreuz entstehen, wenn die Schwerkraft einer sehr massereichen Galaxie (oder einer Gruppe von Galaxien) das Licht von noch weiter entfernten Objekten ablenkt. Für uns sieht es dann so aus, als würden diese fernen Objekte verzerrt, vervielfacht oder als Bögen und Ringe am Himmel erscheinen. Daraus resultiert eine optische Vergrößerung der Objekte, die es ermöglicht, Galaxien im frühen Universum detailliert zu untersuchen.
Objekte wie das Einsteinkreuz dienen auch dazu, die Eigenschaften der Dunklen Materie in Galaxien sowie Sterngruppen und -haufen zu bestimmen. Aktuelle Theorien besagen, dass die Dunkle Materie, die etwa 80 Prozent der Masse des Universums ausmacht, aus noch nicht identifizierten Teilchen besteht, die nicht mit sichtbarem Licht interagieren. Obwohl Dunkle Materie unsichtbar ist, lässt sich ihre Existenz aus ihrer Masse und den damit verbundenen Gravitationseffekten ableiten.
In der nun veröffentlichten Studie zeigen die Aufnahmen von NOEMA ein fünffaches Abbild der 11,6 Milliarden Lichtjahre entfernten Galaxie HerS-3, die ein nahezu perfektes Kreuz bilden. Während ein Einsteinkreuz an sich bereits ein seltenes Phänomen ist, ist es in diesem Fall durch das helle fünfte Abbild besonders außergewöhnlich. Die fünf Bilder von HerS-3 zeigen alle dasselbe Muster molekularer Emissionslinien, was darauf hinweist, dass es sich um Mehrfachabbildungen derselben Galaxie handelt.
Die Beobachtungen durch das ALMA-Teleskop enthüllten die detaillierten Strukturen der einzelnen Bilder. Die NOEMA- und ALMA-Daten werden durch Daten des Very Large Arrays ergänzt, die die Radiowellen erfassen. Diese Daten wurden von Doktorandin Prachi Prajapati in der Gruppe von Prof. Dr. Dominik Riechers am Institut für Astrophysik der Universität zu Köln analysiert, und zeigen die fünf Bilder der Galaxie in kaltem molekularem Gas, welches für die Sternentstehung sehr wichtig ist. So konnte mithilfe von HerS-3 erstmals ein Einsteinkreuz im Bereich der Submillimeter- und Radiowellenlängen nachgewiesen werden.
Das Licht von HerS-3 wird von vier massereichen Vordergrundgalaxien gebeugt. Diese bilden den Kern einer größeren Gruppe von mindestens zehn weiteren Galaxien, die 7,8 Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt sind und mit dem Hubble-Weltraumteleskop im nahen Infrarot identifiziert wurden. Um die Eigenschaften der fernen Galaxie HerS-3 zu bestimmen und die Galaxiengruppe im Vordergrund zu untersuchen, simulierten die Forschenden die durch Schwerkraft verursachte Ablenkung des Galaxienlichts. Es zeigte sich, dass die genaue Anordnung der fünf Bilder des Einsteinkreuzes in der Simulation nicht reproduziert werden können, wenn nur die vier sichtbaren massereichen Galaxien berücksichtigt werden, die sich in der Nähe von HerS-3 und im Zentrum der Galaxiengruppe befinden.
Die Tatsache, dass es im nahen Umfeld der vorderen Galaxiengruppe keine andere sichtbare Galaxie in derselben Entfernung gibt, deutet daher auf die Existenz einer großen, unsichtbaren Komponente hin: eine Konzentration Dunkler Materie, die mit der Galaxiengruppe verbunden ist. Nur durch Hinzufügen dieser massiven Komponente, die zwangsläufig im Massenschwerpunkt der Gruppe liegt, stimmt die Rekonstruktion genau mit den Eigenschaften der fünf Bilder überein. Die geschätzte Masse des Halos der Dunklen Materie beträgt einige Trillionen Sonnenmassen.
Das HerS-3-System mit seinem fünften zentralen Bild in Form des Einsteinkreuzes ermöglicht es, die komplexe Struktur einer Galaxie in der aktivsten Phase der Entwicklung des Universums zu betrachten. Die Untersuchung solcher Systeme könnte dazu beitragen, die Eigenschaften der Dunklen Materie besser zu untersuchen und zu verstehen, wie sie die frühesten Stadien der kosmischen Evolution beeinflusst hat.
Neben Forschenden der Universität zu Köln waren an der Publikation auch Wissenschaftler*innen des Institut d’Astrophysique der Pariser Sorbonne Université sowie des Institut de radioastronomie millimétrique (Institut für Radioastronomie im Millimeterbereich, IRAM) beteiligt.
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Originalpublikation:
Zur Veröffentlichung:
http://doi.org/ 10.3847/1538-4357/adf204
