Ausgabe 210

ÖSTERREICH JOURNAL NR. 210 / 18. 04. 2024
Wissenschaft & Technik
Galaxienhaufen auf
die Waage gestellt
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WissenschaftlerInnen des Max-Planck-Instituts für Extraterrestrische Physik haben
die kosmologischen Ergebnisse der ersten Röntgen-Himmelsdurchmusterung des
Weltraumteleskops eRosita veröffentlicht.
Im Juli 2019 startete der „Spektrum-Röntgen-Gamma“
Satellit. Mit an Bord: Das
extended ROentgen Survey with an Imaging
Telescope Array, kurz eRosita, ein Weltraumteleskop,
das vom Max-Planck-Institut
für extraterrestrische Physik (MPE) entwikkelt
wurde. Über die vergangenen Jahre fertigte
das Teleskop mit einer bisher nie dagewesenen
Auflösung Röntgenbilder des ge -
samten Himmels an. Durch die Röntgenaufnahmen
wurden etwa 12000 Galaxienhaufen
gefunden. Diese Daten ermöglichen es, kosmologische
Modelle zu überprüfen und dunk -
le Materie und Energie zu erforschen.
Galaxienhaufen bestehen aus bis zu tausenden
Galaxien und sind die größten Strukturen
im Universum, die durch Gravitation
miteinander verbunden sind. Um aus den neu -
en Daten Rückschlüsse auf die Zusammensetzung
des Universums zu ziehen, mußte
die Masse dieser Objekte geschätzt werden.
Dies war die Aufgabe der Arbeitsgruppe um
Tim Schrabback am Institut für Astro- und
Teilchenphysik der Universität Innsbruck.
Tim Schrabbacks Gruppe befaßt sich mit
dem Gravitationslinseneffekt, der die Verzerrung
von Licht durch große Massen
beschreibt und genutzt werden kann, um die
Masse sehr weit entfernter Objekte zu
berechnen. Sebastian Grandis, Senior Scientist
in der Gruppe, erklärt, wie das funktioniert:
Verzerrte Hintergrundgalaxien
„Aus vorherigen Studien wußten wir, daß
diese Galaxienhaufen existieren müssen“,
sagt Grandis. „Mit eRosita haben wir sie
gezielt gesucht und gefunden. Entscheidend
hierfür ist, daß das in den Galaxienhaufen
vorhandene Plasma Röntgenstrahlen aussendet,
weil dort unfaßbar hohe Temperaturen
herrschen – ungefähr 10 Millionen °C. Wir
kennen zunächst nur die Leuchtkraft dieser
Objekte und ihre Entfernung zu uns, die
mehrere Milliarden Lichtjahre beträgt. Hier
kommt der Gravitationslinseneffekt ins
Spiel. Wir analysieren die Form von Galaxien,
die sich hinter den Galaxienhaufen be -
© C.Garrel & M. Kluge.
Vier Galaxienhaufen bei verschiedenen Rotverschiebungen. Blau und Lila stellt die Röntgenintensität
dar, andere Farben die Galaxien im Haufen, die im optischem Licht strahlen. Die
Striche zeigen die mittlere Verzerrung durch den Gravitationslinseneffekt der Galaxienhaufen
im jeweiligen Rotverschiebungsbereich und sind wesentlich verstärkt dargestellt.
finden. Diese erscheinen verzerrt, weil das
Licht der Hintergrundgalaxien auf dem Weg
zu uns von der Schwerkraft der Haufen ab -
gelenkt wurde. Mit der Allgemeinen Relativitätstheorie
von Einstein können wir dann
die Masse abschätzen, die diese Verzerrung
verursacht hat. Dabei gilt: Je mehr Masse,
desto stärker die Verzerrung.“
Die berechneten Massen der Galaxienhaufen
mit den zuverlässigsten Daten wurden
an das MPE zurückgesendet, wo sie mit
kosmologischen Modellen verglichen wurden,
um Rückschlüsse auf die Entstehung,
Zusammensetzung und Ausbreitung des Universums
zu ziehen.
Einstein hat sich nicht geirrt
Die Ergebnisse von eRosita bestätigen
mit hoher Genauigkeit das Ergebnis vorheriger
Berechnungen, nämlich daß das Universum
zu 29 Prozent aus Materie besteht. Das
Meiste davon ist dunkle Materie, über die
bisher nicht viel bekannt ist. Auch die restlichen
71 Prozent sind eine mysteriöse Komponente:
die dunkle Energie, die erstmals
von Albert Einstein selbst in die kosmologischen
Modelle als „kosmologische Konstante“
eingeführt wurde. Anhand der eRosita
Ergebnisse läßt sich der Parameter „w“ be -
stimmen, dessen gemessener Wert der kosmologischen
Konstante ziemlich genau entspricht.
Einstein hatte seine Hypothese zu
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Lebzeiten wieder verworfen. „Unsere Be -
rechnungen zeigen, daß Einstein doch recht
gehabt hat und es ein Fehler von ihm war,
die kosmologische Konstante später zu verwerfen“,
sagt Grandis. Zu verstehen, was ge -
nau dunkle Energie ist, gehört zu den größten
heutigen Herausforderungen der Physik.
Die Messung der größten Strukturen im
Universum enthält auch Information über
die kleinsten Teilchen. Neutrinos sind elektrisch
neutral und so klein, daß sie sich kaum
nachweisen lassen. Insbesondere ist es derzeit
noch unklar, welche Masse Neutrinos
haben. Das könnte sich durch die eRosita-
Da ten bald ändern. „Die Häufigkeit der Ga -
laxienhaufen bei einer gegebenen Masse und
Entfernung lassen auch Rückschlüsse darauf
zu, wie massereich Neutrinos sind, die frei
durch den Kosmos fliegen und dadurch
einen Einfluß auf seine Entwicklung und
Struktur haben. In Kombination mit anderen
Beobachtungsverfahren ermöglicht es unsere
Analyse, die aktuell genausten Ergebnisse
für den möglichen Massenbereich der Neutrinos
abzuleiten“, sagt Grandis.
Internationale Kooperation
erschließt den Kosmos
Um bei einem Projekt wie eRosita den
größtmöglichen Erfolg zu erzielen, hat interdisziplinäre
und internationale wissenschaftliche
Kooperation eine große Rolle gespielt.