Erste Schritte in Richtung der direkten Beobachtung einer großen Anzahl intergalaktischer Filamente im frühen Universum
Supercomputer-Simulationen sagen vorher, dass sich die Materie im Universum in einem wabenartigen System von Filamenten verteilt. Dieses wird auch das „kosmische Netz“ genannt, in dem sich Galaxien bilden und entwickeln. Der überwiegende Teil dieser komplizierten Struktur besteht aus diffusem Wasserstoffgas so geringer Dichte, dass es äußerst schwierig ist, es direkt zu beobachten. Ein vom MPA geleitetes Team hat die aktiven supermassereichen schwarzen Löcher in Galaxienpaaren, die sich in geringem Abstand befinden, ins Visier genommen, um die filamentären Strukturen des kosmischen Netzes im frühen Universum zu finden. Die Ergebnisse sind vielversprechend und enthüllen Hinweise auf Strukturen des kosmischen Netzes, die sich zwischen den beobachteten Paaren erstrecken –hervorragende Ziele für zukünftige ultratiefe Beobachtungen.
Galaxien sind in große Gasreservoirs eingebettet, die durch die Schwerkraft an sie gebunden sind, das so genannte „zirkumgalaktische Medium“. Wie das gesamte Gas im Universum besteht es hauptsächlich aus Wasserstoff und Helium mit Spuren anderer Elemente, die in Sternen erzeugt werden und sich in heißen Gasblasen oder schnellen Winden von den Galaxienscheiben in das zirkumgalaktische Medium ausdehnen. Kaltes Gas kann wiederum zurück in die Galaxie strömen und dort neue Sterne bilden oder das supermassereiche schwarze Loch im galaktischen Zentrum füttern.
Galaxien sind jedoch keine Einzelgänger: Sie sind mit ihren Nachbarn durch große fadenförmige Strukturen aus Gas verbunden. Dieses Gerüst wird als „kosmisches Netz“ bezeichnet (siehe Highlight im Juni 2024), und Galaxien können zusätzliche Materie aus diesen Filamenten aufnehmen, um sich zu verjüngen und zu wachsen. Während dieser Prozess in Simulationen gut erforscht ist, gibt es nur wenige Beobachtungen und dann vor allem indirekte Belege für die Filamente im kosmischen Netz, darunter die beobachtete Position von Galaxien im lokalen Universum oder wie das Gas im kosmischen Netz das Licht aus hellen Hintergrundquellen absorbiert.
Die Bereiche, in denen sich mehrere Filamente des kosmischen Netzes kreuzen, werden als „Knoten“ bezeichnet, und sie werden in der Regel von den massereichsten Galaxien besetzt. In der Frühzeit des Universums, vor 11,5 Milliarden Jahren, findet man diese massereichen Galaxien häufig über Quasare – eine kurze Phase im Lebenszyklus dieser Galaxien, als der Einfall von Materie auf ihre zentralen supermassereichen schwarzen Löcher die Galaxien außergewöhnlich hell aufleuchten ließ, was alle Sterne in ihrer Wirtsgalaxie mit Leichtigkeit in den Schatten stellte. Daher können Quasare als energiereiche natürliche „kosmische Taschenlampen“ wirken: Ihre Strahlung reicht weit in das zirkumgalaktische Medium und das umgebende kosmische Netz hinein und lässt das Wasserstoffgas bei einer bestimmten ultravioletten Farbe, der Lyman-Alpha-Wellenlänge, aufleuchten.
Eine Forschungsgruppe des MPA hat nun eine Reihe von Quasar-Paaren beobachtet, zwei massereichen aktiven Galaxien in unmittelbarer Nähe zueinander, um die Lyman-Alpha-Emission (gemeinhin als „Lyman-Alpha-Nebel“ bezeichnet) in ihrem zirkumgalaktischen Medium und zwischen den Galaxien zu enthüllen. Die Ergebnisse sind vielversprechend: In den meisten der untersuchten Systeme wurde eine ausgedehnte Emission nachgewiesen (siehe Beispiel in Abb. 1), die bevorzugt in Richtung der Verbindungslinie der beiden Quasare ausgerichtet ist (Abb. 2). Diese Ergebnisse stimmen mit den Erwartungen überein, wenn ein kosmisches Filament die beiden Quasare verbindet und kühles Gas direkt von diesem Filament durch das zirkumgalaktische Medium in die galaktische Scheibe geleitet wird.
Im Vergleich zu anderen massereichen Galaxien dieser Epoche sind die Quasar-Paare in kleinere Reservoirs aus kühlem Gas eingebettet. Ihr zirkumgalaktisches Medium ähnelt dem von Galaxien zu einem kosmischen Zeitpunkt eine Milliarde Jahre später. Diese beschleunigte Entwicklung könnte durch die reiche Umgebung der Quasar-Paare und/oder durch hochenergetische Prozesse im Zusammenhang mit den akkretierenden supermassereichen schwarzen Löchern verursacht werden, die das Gas rund um die Galaxie aufheizen und der Gasakkretion entgegenwirken könnten.
Diese Stichprobe von beobachteten Quasar-Paaren ist die bisher größte und stellt die beste Auswahl vielversprechender Objekte dar, um die Emission des kosmischen Netzes im frühen Universum mit zukünftigen ultratiefen Beobachtungen direkt zu untersuchen. In naher Zukunft werden immer mehr Beobachtungen des verschlungenen Netzes kosmischer Filamente zur Verfügung stehen.
