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Erster Blick aufs kosmische Netz

Langzeit-Teleskop-Aufnahme macht erstmals uralte Großstrukturen des Kosmos sichtbar

kosmisches Netz
Blick auf einen Ausschnitt des frühen kosmischen Netzwerks. Links eine Simulation, rechts eine auf den aktuellen Aufnahmen des MUSE-Instruments basierende Darstellung. © Thibault Garel und Roland Bacon

Verborgene Struktur: Astronomen ist es erstmals gelungen, einen Teil des frühen kosmischen Netzwerks direkt abzubilden. Ihre Aufnahme zeigt das Licht, das von großräumigen Filamenten aus Gas und Galaxien im frühen Kosmos ausgeht. Diese Struktur existierte zu einer Zeit, als das Universum erst eine bis zwei Milliarden Jahre alt war. Es ist das erste Mal, dass mehrere dieser typischen Filamente direkt sichtbar gemacht wurden.

Galaxien, Gaswolken und Galaxienhaufen sind im Kosmos nicht zufällig verteilt: Sie bilden eine netzartige Großstruktur, deren gasreiche Filamente sich schon in der Anfangszeit des Universums ausbildeten. Dieses kosmische Netzwerk birgt einen Großteil der Materie in sich und prägt die Verteilung der Galaxien. Astronomen haben Teile seiner Struktur mithilfe von Modellen rekonstruiert. Beobachtet und kartiert wurden aber bislang erst winzige Ausschnitte, darunter Knotenpunkte, aber auch ein einzelnes Filament.

140 Stunden Beobachtungszeit

Jetzt ist es Astronomen erstmals gelungen, einen repräsentativen Teil des kosmischen Netzwerks direkt abzubilden. Dafür beobachteten Roland Bacon vom Astrophysikalischen Forschungszentrum in Lyon und sein Team einen fernen Himmelsausschnitt 140 Stunden lang mit dem MUSE-Instrument am Very Large Telescope der Europäischen Südsternwarte in Chile. Durch eine Kopplung mit adaptiven Optiken kann dieses Spektroskop das Spektrum des sichtbaren Lichts selbst fernster Objekte in hoher Auflösung analysieren.

Das resultierende MUSE-Extremely Deep Field (MXDF) zeigt einen rund 30 Bogensekunden großen Ausschnitt des Himmels und die darin enthaltenen Quellen von sogenannter Lyman-Alpha-Strahlung. Dieses Licht wird von angeregtem Wasserstoff abgegeben, wie er unter anderem in der Frühzeit des Kosmos in den Gasströmen und Galaxien der kosmischen Filamente vorkam.

Filament
MUSE-Aufnahme eines 15 Millionen Lichtjahre langen und 11,5 Milliarden Lichtjahre entfernten kosmischen Filaments in der Konstellation Fornax.© Roland Bacon, David Mary, ESO and NASA

Erste Abbildung typischer Filamente

Die Aufnahmen enthüllen mehr als 1.200 Quellen von Lyman-Alpha-Strahlung, die mehrere klumpige, fädenartige Strukturen bilden. Mehr als ein Drittel dieser Objekte leuchtet so schwach, dass sie selbst im „Ultra-Deep-Field“ des Weltraumteleskops Hubble unsichtbar bleiben. Das Alter dieser Strukturen reicht bis in die Zeit rund ein Milliarde Jahre nach dem Urknall zurück, wie Bacon und sein Team berichten.

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Die Anordnung und Merkmale dieser schwachen Lichtquellen legen nahe, dass sie einen Teil des frühen kosmischen Netzwerks bildeten. „Damit liefern diese Beobachtungen den ersten Nachweis typischer Filamente des kosmischen Netzes über die Lyman-Alpha-Emission“, schreiben die Astronomen. „Das ist ein Meilenstein in der langen Suche nach der Signatur des kosmischen Netzes bei großen Rotverschiebungen.“

Licht unzähliger Mini-Galaxien

Aus den Aufnahmen schließen die Forscher, dass ein Großteil dieses schwachen Lichts von Milliarden kleinen, massearmen Galaxien erzeugt wird. Diese umfassen jeweils nur rund zehn Millionen Sonnenmassen. Zum Vergleich: Die Milchstraße „wiegt“ hunderte Milliarden bis 1,5 Billionen Sonnenmassen. Auch die Sternbildungsrate dieser frühen Galaxien ist mit gerade einmal 0,0001 Sonnenmassen pro Jahr extrem niedrig.

„Dies ist der erste Beobachtungsbeleg dafür, dass es im fernen All eine große Population von extrem lichtschwachen Lyman-Alpha-Quellen gibt“, erläutern Bacon und seine Kollegen. Sichtbar wurde die schwache Strahlung dieser fernen, langsam wachsenden Winzlinge nur deshalb, weil die Astronomen ihre Einzelaufnahmen zu einer einzigen Langzeitabbildung kombinierten. (Astronomy & Astrophysics, 2021; doi: 10.1051/0004-6361/202039887)

Quelle: CNRS (Délégation Paris Michel-Ange)

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