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Galaxien beleuchten benachbarte Wasserstoff-Halos

1. Oktober 2022

Galaxien sind von grossen Gasreservoirs umgeben - hauptsächlich Wasserstoff und Helium. Das Wasserstoffgas leuchtet schwach in einer bestimmten ultravioletten Wellenlänge - oder Farbe - namens Lyman-alpha. Wissenschaftler am MPA haben entdeckt, dass diese Lyman-alpha Halos größer sind als bisher angenommen und mehrere 100.000 Lichtjahre umfassen. Die ermittelte Groesse und Form der Halos weist darauf hin, dass das Licht im äußeren Bereich der Halos eher von anderen umgebenden Galaxien stammt als von der zentralen Galaxie selbst.

Sterne machen nur 10% der sichtbaren Materie im Universum aus. Der Rest besteht hauptsächlich aus Wasserstoff- und Heliumgas, das in Galaxien (interstellare Materie), um Galaxien herum (zirkumgalaktische Materie oder CGM), und zwischen Galaxien (intergalaktische Materie) verteilt ist. Das zirkumgalaktische Gas und die Galaxie beeinflussen sich gegenseitig. Kaltes Gas, das in die Galaxie strömt, fördert the Sternbildung, während Supernoven und stark wachsende (aktive) supermassive schwarze Löcher das Gas aufheizen und es aus der Galaxie stossen. Dieses komplexe Wechselspiel der Galaxie und ihres CGM ist äußerst wichtig für die Entwicklung der Galaxie. Deshalb interessieren sich Wissenschaftler sehr für die Komposition und Dynamik des CGM.

Allerdings ist das Gas außerhalb von Galaxien dunkel und schwer zu beobachten. Mit Hilfe von langen Belichtungszeiten und dem Kombinieren von vielen Bildern einzelner Galaxien haben Wissenschaftler ein schwaches ultraviolettes Leuchten des Wasserstoffgases um Galaxien gefunden, die sich im sogenannten kosmischen Mittag am Höhepunkt der Sternentstehung befinden (vor ungefähr 11 Milliarden Jahren). Genauer gesagt leuchtet das Gas in einer bestimmten Wellenlänge, der sogenannten Lyman-alpha Wellenlänge. Diese Lyman-alpha Halos erscheinen um verschiedenen Arten von Galaxien, inklusive den Galaxien, die sehr stark oder nur schwach Lyman-alpha abstrahlen. 

Lyman-alpha Halo

Rundumansicht eines massereichen Galaxienhalos bei Rotverschiebung 3 in der IllustrisTNG50-Simulation. Sichtbar ist das diffuse Leuchten der gestreuten Lyman-alpha-Photonen aus den Sternentstehungsgebieten innerhalb der Galaxie.

Bisher ist es unklar, wie Lyman-alpha Halos um Galaxien mit Sternentstehung beleuchtet werden. Lyman-alpha Photonen, die durch Sternentstehung in der zentralen Galaxie erzeugt wurden, können an den Wasserstoffatomen im CGM streuen und es so beleuchten. Lyman-alpha Photonen können auch im CGM durch Kollisionen von Wasserstoffatomen mit freien Elektronen oder Rekombinationen von freien Protonen und Elektronen zu Wasserstoffatomen erzeugt werden.

Das Hobby-Eberly Telescope Dark Energy Experiment, kurz HETDEX, sucht etwa eine Millionen Lyman-alpha-emittierende Galaxien (LAEs) am kosmischen Mittag. Von den Galaxienpositionen wird HETDEX die Expansionsrate des Universums zu dieser Zeit ableiten. Dies ist wichtig, um die Diskrepanz der Hubble-Konstante zu verstehen (siehe Highlight im August). HETDEX benutzt ein Instrument namens VIRUS, das die Lyman-alpha Strahlung in sehr großen dreidimensionalen Volumen in jeder einzelnen Beobachtung erfasst.

Wissenschaftler am MPA haben sich die große Menge an Galaxien zunutze gemacht, um deren Lyman-alpha Halos zu erforschen. Sie haben eintausend Galaxien mit starker Lyman-alpha Emission, die unter den besten Umständen von HETDEX beobachtet wurden und keine Anzeichen von aktiven supermassiven schwarzen Löchern haben (Lyman-alpha Halos um diese sogenannten Quasare wurden im Mai-Highlight erforscht).

Weil die Halos so dunkel sind, haben die Wissenschaftler die verrauschten Bilder der einzelnen Halos zu einem gemittelten Bild kombiniert. Genauer gesagt haben sie das mittlere Radialprofil gemessen, also die Lyman-alpha Flächenhelligkeit als Funktion vom Abstand vom Galaxienzentrum. Ein Vergleich mit einer Studie von weniger hellen LAEs bei höherer Rotverschiebung zeigte, dass diese Lyman-alpha Halos eine ähnliche Form haben, aber deutlich größer sind als bisher angenommen. Die mittlere Größe und Form der Lyman-alpha Halos stimmen mit den Vorhersagen einer großen kosmologischen Simulation mit Lyman-alpha Strahlungstransport überein, die auch am MPA simuliert wurde (siehe Highlight vom November 2020). Die Simulation sagt voraus, dass der innere Bereich der Lyman-alpha Halos hauptsächlich von gestreuten Lyman-alpha Photonen aus der zentralen Galaxie beleuchtet wird, während der äußere Bereich von gestreuten Photonen aus anderen Galaxien beleuchtet wird.

Eine Nachfolgestudie zeigte, dass nicht nur Lyman-alpha emittierende Galaxien Lyman-alpha Halos haben. Auch Galaxien, die durch ihre hellen Sauerstoff-Emissionslinien gefunden wurden und nur schwach in Lyman-alpha leuchten, besitzen große Lyman-alpha Halos, die denen um LAEs ähnlich sind. Allerdings ist der innere Bereich dieser Lyman-alpha-armen Galaxien viel dunkler. Das ist zu erwarten, falls diese Photonen tatsächlich aus den zentralen, Lyman-alpha-armen Galaxien stammen. Die Ähnlichkeit der äußeren Bereiche der Lyman-alpha Halos um die zwei verschiedenen Galaxienarten stärkt die Hypothese, dass diese Photonen nicht aus den zentralen Galaxien stammen. Der Vergleich der Gesamthelligkeit der Lyman-alpha Halos mit der Helligkeit, die wir angesichts der unabhängig gemessenen Sternentstehungsrate der Galaxien erwarten, stützt dieses Szenario. Daher entstehen die meisten Photonen im äusseren Bereich der Lyman-alpha Halos wahrscheinlich im CGM oder in anderen Galaxien.

Allerdings können diese Ergebnisse die Entstehung der Lyman-alpha Halos nicht definitiv bestimmen. Während die Lyman-alpha Halos zu hell sind, als dass sie von den zentralen Galaxien allein beleuchtet werden können, können sie dennoch durch Kühlungsstrahlung, gestreuten Photonen von anderen Galaxien oder dem sogenannten ultravioletten Hintergrund erklärt werden. Detailliertere Beobachtungen mit langen Belichtungszeiten von einzelnen Lyman-alpha Halos sind notwendig, um die Entstehung von Lyman-alpha Halos zu bestimmen und die Ergebnisse angesichts der Komposition und der Dynamik des CGM zu interpretieren.

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