Neu entdeckter Galaxienhaufen brennt fünffach heißer als erwartet – der junge Kosmos ist explosiver, als Wissenschaftler dachten
Eine neu entdeckte Galaxienhaufen könnte unser Verständnis des Kosmos grundlegend verändern: Wissenschaftler stoßen auf "etwas, das das Universum nicht haben sollte". Der Haufen SPT2349-56 brannte nur 1,4 Milliarden Jahre nach dem Urknall fünfmal heißer, als Modelle vorhersagten. Wissenschaftler hatten gedacht, dass solche extremen Temperaturen erst in späteren, stabileren Clustern auftreten. Diese heiße Frühform könnte darauf hindeuten, dass die frühesten Momente des Universums deutlich explosiver waren, als bislang angenommen. Co-Autor Dazhi Zhou, Doktorand an der University of British Columbia, sagt: "Wir hatten nicht erwartet, bereits so eine heiße Clusteratmosphäre zu sehen, so früh in der kosmischen Geschichte." "Tatsächlich war ich zunächst skeptisch gegenüber dem Signal, da es zu stark war, um real zu sein." "Aber nach Monaten der Verifizierung haben wir bestätigt, dass dieses Gas mindestens fünfmal heißer ist als vorhergesagt, und noch heißer und energetischer als das, was wir in vielen gegenwärtigen Clustern finden."
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ALMA-Beobachtungen enthüllen extrem heißes Gas in SPT2349-56 vor 12 Milliarden Jahren
Mit dem Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) blicken Forscher 12 Milliarden Jahre in die Vergangenheit. Der Galaxienhaufen SPT2349-56 war zu dieser Zeit extrem unreif, aber für sein Alter bereits enorm groß. Sein Kern erstreckt sich über mehr als 500.000 Lichtjahre – ungefähr die Größe des Halo aus Materie und Dunkler Materie um die Milchstraße. Galaxienhaufen gehören zu den größten Objekten des Universums und enthalten Tausende einzelner Galaxien, unsichtbare Dunkle Materie und superheiße Gase, die zwischen den Galaxien in Plasmaströmen erhitzt werden und im X‑Ray-Spektrum leuchten. Wissenschaftler hatten erwartet, dass die intracluster medium durch gravitative Wechselwirkungen zwischen Galaxien erhitzt wird, während der Haufen heranwächst und sich zu einer stabilen Struktur zusammenzieht. Die Forscher berichten, dass diese Modell der Evolution möglicherweise nicht korrekt ist. Der Haufen enthält außerdem mehr als 30 extrem aktive Galaxien, die Sterne mit über 5.000-mal der Rate unserer eigenen Galaxie bilden. Doch als die Forscher mit ALMA die Temperatur des intracluster Medium maßen, stellte sich heraus, dass es deutlich heißer war, als die Modelle für diese Zeit im Universum vorhersagten.
Drei supermassive Schwarze Löcher liefern wahrscheinlich die Hitze
Drei in dem Cluster vermutete supermassive Schwarze Löcher könnten die ungewöhnliche Hitze erzeugt haben. Supermassive Schwarze Löcher sind die größte Klasse von Schwarzen Löchern, mit Massen mindestens 100.000 Mal größer als die Sonne. Sie befinden sich typischerweise im Zentrum von Galaxien, wo sie Gas verschlingen und enorme Mengen an Röntgenstrahlung freisetzen. Co-Autor Professor Scott Chapman von der Dalhousie University, der die Forschung am National Research Council of Canada leitete, sagt, dass diese schwarzen Löcher "bereits enorme Mengen an Energie in die Umgebung pumpen und den jungen Cluster früher und stärker formen, als wir gedacht haben." Es gibt Hinweise darauf, dass Schwarze Löcher im frühen Universum deutlich schneller wuchsen als die Galaxien, die sie beherbergen – selbst in relativ kleinen Galaxien. Letztes Jahr entdeckten Forscher mit dem James Webb Space Telescope ein "kleines rotes Dot" supermassives Black Hole, das sich aktiv in einer Galaxie nur 570 Millionen Jahre nach dem Urknall entwickelte, und deutlich größer war, als die Größe der Wirtsgalaxie vermuten ließ. Das deutet darauf hin, dass Schwarze Löcher möglicherweise schneller gewachsen sind als die Galaxien, die sie beherbergen, insbesondere in der frühen Epoche des Universums. Chapman betont, dass das Studium dieser Dynamiken entscheidend ist, um das Universum heute zu verstehen: "Understanding galaxy clusters is the key to understanding the biggest galaxies in the universe. These massive galaxies mostly reside in clusters, and their evolution is heavily shaped by the very strong environment of the clusters as they form, including the intracluster medium." Schwarze Löcher sind so dicht und ihre Gravitation so stark, dass keine Form von Strahlung ihnen entkommen kann – nicht einmal Licht. Wie sie entstehen, ist noch weitgehend ungeklärt; Modelle sehen Wege vor, darunter das Kollabieren großer Gaswolken bis zu 100.000 Mal so schwer wie die Sonne oder das Zusammenführen mehrerer kleinerer Vorläufer-Scherer, die zu einem noch größeren Schwarzen Loch verschmelzen.
Was bedeutet das für das frühe Universum und die Entwicklung der größten Galaxien
Was diese Ergebnisse für das frühe Universum bedeuten, ist noch unklar, doch sie richten unseren Blick auf die Entstehung der größten Galaxien in Clustern neu aus. Die Beobachtungen legen nahe, dass die Interaktion zwischen Schwarzem Loch-Wachstum, heißem intracluster Medium und der Umgebung der Cluster schon sehr früh eine gewichtige Rolle spielte. Im Jahr zuvor hatte das James Webb Space Telescope auch ein weiteres Indiz dafür geliefert, dass Schwarze Löcher schneller wachsen können als die Galaxien, die sie beherbergen, selbst in relativ kleinen Galaxien. Professor Chapman sagt: "Understanding galaxy clusters is the key to understanding the biggest galaxies in the universe. These massive galaxies mostly reside in clusters, and their evolution is heavily shaped by the very strong environment of the clusters as they form, including the intracluster medium." Schwarze Löcher sind so dicht, dass ihre Gravitation so stark ist, dass keine Strahlung entkommen kann – nicht einmal Licht. Die Entstehung dieser schweren Kerne bleibt ein aktives Forschungsgebiet; Modelle reichen von Kollaps gigantischer Gasmassen bis hin zu Verschmelzungen von Sternen und frühen Sternhaufen.
