Versteckter Supercluster kann das Geheimnis der Milchstraße lösen

Astronomen meiden normalerweise die Vermeidungszone. Als eine von ihnen dies nicht tat, entdeckte sie eine gigantische kosmische Struktur, die die zu hohe Geschwindigkeit unserer Galaxie erklären könnte

Bild des Superclusters von Segeln, die aus der Milchstraßenvermeidungszone herausschauen

Wenn Sie den Nachthimmel von einem Ort mit guter Aussicht aus betrachten, sehen Sie einen dicken Streifen der Milchstraße, der sich durch den gesamten Himmel erstreckt. Aber diese Sterne und Staub, die die Scheibe unserer Galaxie beschreiben, werden von Astronomen, die die Galaxien jenseits unserer Galaxie untersuchen, nicht begrüßt. Es sieht aus wie ein dicker Streifen nebliger Windschutzscheibe, eine Unschärfe, die unser Wissen über das Universum unvollständig macht. Astronomen nennen es die Vermeidungszone .

Renée Kraan-Korteweg hat während ihrer gesamten Karriere versucht herauszufinden, was sich hinter dieser Zone verbirgt. Zum ersten Mal fand sie im Hintergrund Anzeichen von etwas Erstaunlichem, als sie in den 1980er Jahren Hinweise auf eine mögliche Ansammlung von Objekten fand, die auf alten Fotoplatten sichtbar waren. In den nächsten Jahrzehnten flossen weiterhin Hinweise auf eine großräumige Struktur.

In diesem Jahr gaben Kraan-Korteweg und Kollegen bekannt, dass sie eine riesige Weltraumstruktur entdeckt hatten: einen Supercluster aus Tausenden und Abertausenden von Galaxien. Diese Gruppe erstreckt sich über 300 Millionen Lichtjahre und breitet sich über und unter der galaktischen Ebene aus wie ein Riese, der sich hinter einer Laterne versteckt. Astronomen nennen dies den Segel-Supercluster , da er sich ungefähr am Ort der Segelkonstellation befindet .


Rene Kraan-Korteweg, Astronom der Universität von Kapstadt

Diejenigen, die die Milchstraße schoben

Die Milchstraße bewegt sich wie alle Galaxien im Weltraum. Alles im Universum bewegt sich aufgrund der Expansion des Universums selbst ständig, aber seit den 1970er Jahren sind sich die Astronomen einer weiteren Bewegung bewusst, die als eigentümliche Geschwindigkeit bezeichnet wird . Dies ist ein separater Stream, an dem wir beteiligt sind. Die lokale Gruppe von Galaxien - zu der die Milchstraße, Andromeda und mehrere Dutzend kleiner Nachbarn gehören - bewegt sich mit einer Geschwindigkeit von 600 km / s in Bezug auf die Reststrahlung des Urknalls.

In den letzten Jahrzehnten haben Astronomen alles berechnet, was eine lokale Gruppe ziehen und schieben könnte - nahe gelegene Galaxienhaufen, Superhaufen, Haufenwände und kosmische Hohlräume, die einen Gravitationseffekt auf unsere Gruppe haben, der nicht vernachlässigt werden kann.

Der größte Schlepper ist der Shapley-Supercluster , ein Monster mit einem Gewicht von 50 Millionen Milliarden Sonnenenergie, das sich 500 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt befindet (und nicht weit vom Segel-Supercluster in der Himmelssphäre entfernt ist). Er ist verantwortlich für 25-50% der eigentümlichen Geschwindigkeit der lokalen Gruppe.


Bild der Milchstraße vom Gaia- Satelliten, das dunkle Staubwolken zeigt, die den Blick auf die Galaxien und das dahinter liegende Universum abdecken

Die verbleibende Bewegung kann nicht durch Strukturen erklärt werden, die bereits von Astronomen entdeckt wurden. Daher schauen Astronomen weiter in das Universum hinein und zählen weiter entfernte Objekte, die zur allgemeinen Anziehungskraft der Milchstraße beitragen. Die Anziehungskraft nimmt mit zunehmender Entfernung ab, aber dieser Effekt ist aufgrund der Zunahme der Größe dieser Strukturen etwas verwirrend. „Je mehr Karten wachsen“, sagt Mike Hudson , Kosmologe an der University of Waterloo in Kanada, „desto größere Objekte finden Menschen am Rand eines sichtbaren Raums. Wir schauen immer weiter weg, aber jenseits der Sichtgrenzen liegen immer größere Berge. “ Bisher haben Astronomen nur berücksichtigt, was für die Geschwindigkeit von 450-500 km / s der Bewegung der lokalen Gruppe verantwortlich ist.

Die Astronomen haben die Zone der Vermeidung jedoch immer noch nicht mit der gleichen Sorgfalt gesiebt. Und die Entdeckung des Parusov-Superclusters zeigt, dass sich dort möglicherweise etwas Großes befindet, das sich außerhalb unseres Zugangs befindet.

Im Februar 2014 machten sich Kraan-Korteweg und Michael Klaver , ein Astronom der Universität des Westkap von Südafrika, auf den Weg, um den Sail Supercluster als Teil einer Beobachtung zu markieren, die sechs Nächte am anglo-australischen Teleskop in Australien dauerte. Kraan Korteweg wusste, wo sich die dichtesten Ansammlungen von Gas und Staub in der Vermeidungszone befanden. Sie zielte auf einzelne Punkte, an denen sie die beste Chance hatten, etwas durch diese Zone zu sehen. Ziel war es, ein „Rückgrat“, wie sie es nennt, einer Struktur zu schaffen. Claver, der bereits Erfahrung mit diesem Werkzeug hatte, musste die Entfernungen zu einzelnen Galaxien ablesen.

Dieses Projekt half ihnen zu dem Schluss zu kommen, dass der Sails-Supercluster tatsächlich existiert und 20-25% des Himmels einnimmt. Aber sie wissen immer noch nicht, was in ihrer Mitte passiert. "Wir sehen Wände, die die Vermeidungszone überqueren, aber wir haben keine Daten darüber, wo sie sich aufgrund von Staub kreuzen", sagte Kraan-Korteweg. Wie interagieren diese Wände miteinander? Haben sie begonnen, sich zusammenzuschließen? Gibt es einen dichteren Kern, der im Schein der Milchstraße verborgen ist?

Und was ist vor allem die Masse des Sails-Superclusters? Schließlich ist es die Masse, die für die Anziehungskraft und das Erscheinungsbild einer Struktur verantwortlich ist.

Wie man durch den Dunst sieht

Obwohl der Staub und die Sterne der Zone das Licht im optischen und infraroten Bereich blockieren, können Radiowellen diesen Bereich durchdringen. Vor diesem Hintergrund entwickelte Kraan-Korteweg einen Plan zur Verwendung eines Weltraumfeuers, um alles jenseits der dichtesten Teile der Vermeidungszone zu markieren.

Der Plan basiert auf Wasserstoff, dem einfachsten und häufigsten Gas im Universum. Atomwasserstoff besteht aus einem einzelnen Proton und einem Elektron. Diese Teilchen haben eine Quanteneigenschaft wie Spin, die man sich als kleinen Pfeil vorstellen kann, der an jedem der Teilchen angebracht ist [aber es ist besser, sie sich als Drehimpuls / ca. übersetzt.]. Bei Wasserstoffbestandteilen können diese Spins in eine Richtung oder in entgegengesetzte Richtungen zeigen. Manchmal ändert der Spin die Richtung - ein paralleles Atom wird antiparallel. In diesem Fall emittiert das Atom ein Lichtphoton einer bestimmten Wellenlänge.


Eine der 64 Antennen, aus denen das MeerKAT-Teleskop in Südafrika besteht

Die Wahrscheinlichkeit, eine solche Funkwelle von einem Atom zu emittieren, ist gering. Wenn Sie jedoch eine große Menge neutralen Wasserstoffs sammeln, steigt die Gesamtwahrscheinlichkeit. Zum Glück für Kraan-Korteweg und ihre Kollegen verfügen viele Galaxien aus dem Sails-Cluster über große Reserven an solchen Gasen.

Während der Beobachtungen von 2014 sahen sie und Claver Anzeichen dafür, dass in vielen der gefundenen Galaxien junge Sterne gefunden wurden. „Und wenn es junge Sterne gibt, bedeutet dies, dass sie sich kürzlich gebildet haben, was bedeutet, dass es Gas gibt“, sagte Kraan-Korteweg, da Gas das Material ist, aus dem die Sterne hergestellt werden.

Die Milchstraße hat auch ihren eigenen Wasserstoff - ein weiterer Dunst im Vordergrund, der die Beobachtungen stört. Die Expansion des Universums kann jedoch genutzt werden, um die Strahlung von Wasserstoff im Segelcluster zu bestimmen. Die Erweiterung entfernt Galaxien, die außerhalb der lokalen Gruppe liegen, und verschiebt die Radiowellen in Richtung des roten Teils des Spektrums. „Diese Emissionslinien sind getrennt, damit sie selektiv gezählt werden können“, sagt Thomas Jareth, ein Astronom der Universität von Kapstadt, der an dem Team teilgenommen hat, das den Supercluster Sails entdeckt hat.

Und obwohl die Arbeit von Kraan-Korteweg während ihrer gesamten Karriere bereits 5.000 Galaxien im Supercluster entdeckt hat, ist sie zuversichtlich, dass eine ausreichend empfindliche Beobachtung im Funkbereich dieses neutralen Wasserstoffs diese Menge verdreifachen und uns die Strukturen offenbaren kann, die hinter dem dichtesten Teil der Milchstraße liegen.

Hier kommt das MeerKAT-Radioteleskop ins Spiel. Es befindet sich neben der kleinen verlassenen Stadt Carnarvon in Südafrika und wird bald zum empfindlichsten Radioteleskop der Welt. Seine letzte 64. Antenne wurde im Oktober installiert, aber bisher müssen mehrere Antennen angeschlossen und überprüft werden. Die Hälfte der 32 Platten muss bis Ende 2017 verdient sein und wird Anfang 2018 voll funktionsfähig sein.

In diesem Jahr hat Kraan-Korteweg versucht, mit diesem halben Array Zeit für Beobachtungen zu gewinnen, aber wenn ihre Anfrage nach 200 Stunden nicht erfüllt wird, hofft sie, bereits 50 Stunden auf dem gesamten Array zu haben. In beiden Fällen ist die Empfindlichkeit dieselbe, genau die, die erforderlich ist, damit er und seine Kollegen Funksignale von neutralem Wasserstoff von Tausenden einzelner Galaxien erfassen können, die sich Hunderte von Lichtjahren von uns entfernt befinden. Mit diesen Daten können sie die vollständige Struktur des Clusters markieren.

Kosmische Wasserscheiden

Hélène Courtois, Astronomin an der Universität von Lyon, verfolgt einen anderen Ansatz zur Kennzeichnung eines Superclusters. Sie erstellt Karten des Universums, die sie mit Wassereinzugsgebieten vergleicht. In bestimmten Teilen des Himmels wandern Galaxien in die gleiche Richtung, so wie Regen in Wassereinzugsgebieten in einen See oder Bach fließt. Er und seine Kollegen suchen nach Grenzen, auf deren verschiedenen Seiten sich die Materie in verschiedene Richtungen bewegt.


Helen Courtois, Astronomin an der Universität von Lyon

Vor einigen Jahren haben Courtois und Kollegen mit dieser Methode versucht, unsere lokale Großstruktur namens Laniakea zu definieren. Courtois erklärt, wie wichtig es ist, diese Struktur zu definieren, indem wir zwar Definitionen der Galaxie und der galaktischen Cluster haben, es jedoch keine allgemein akzeptierte Definition der großräumigen Strukturen des Universums gibt - wie Supercluster und Wände.

Das Problem ist insbesondere, dass wir für eine statistisch strenge Bestimmung einfach nicht genug Supercluster haben. Wir können nur die uns bekannten auflisten, aber Supercluster wie vorgefertigte Strukturen, die aus Tausenden von Galaxien bestehen, weisen eine unbestimmte Anzahl von Sorten auf.

Courtois und Kollegen lenken ihre Aufmerksamkeit jetzt weiter. "Segel sind sehr interessant", sagt Courtois. "Ich möchte das Einzugsgebiet der Schwerkraft, die Grenzen und die Parusov-Grenze messen." Sie verwendet ihre eigenen Daten, um die Flüsse zu bestimmen, die sich zu den Segeln hin und von diesen weg bewegen, so dass die Menge der von ihnen angezogenen Masse geschätzt werden kann. Durch Vergleich dieser Stromlinien mit der Kraan-Korteweg-Karte, die die Standorte der physikalischen Galaxienhaufen zeigt, können sie die Dichte des Parusov-Superclusters und seine Größe abschätzen. "Diese beiden Methoden ergänzen sich vollständig", fügte Courtois hinzu.

Diese beiden Astronomen bauen nun gemeinsam eine Karte der Segel. Am Ende hoffen sie, dass sie damit die Masse der Segel bestimmen können, die das letzte Puzzleteil der Bewegung der lokalen Gruppe sein wird - „dies ist ein Missverhältnis, das uns seit 25 Jahren verfolgt“, sagt Kraan-Korteweg. Und selbst wenn der Supercluster nicht für die verbleibende Bewegung verantwortlich ist, hilft die Sammlung von Signalen dessen, was sich hinter der Vermeidungszone befindet, unseren Platz im Universum zu verstehen.