Galaxienhaufen liefern neue Belege für das Standardmodell der Kosmologie

Hubble-Aufnahme des Galaxienhaufens Abell 1689. (Credits: NASA, ESA, L. Bradley (JHU), R. Bouwens (UCSC), H. Ford (JHU), and G. Illingworth (UCSC))
Hubble-Aufnahme des Galaxienhaufens Abell 1689. (Credits: NASA, ESA, L. Bradley (JHU), R. Bouwens (UCSC), H. Ford (JHU), and G. Illingworth (UCSC))

Kosmologen haben neue Belege für das Standardmodel der Kosmologie gefunden – diesmal in Daten zur Struktur von Galaxienhaufen.

In einer kürzlichen erschienenen Studie machte ein Team unter Leitung von Physikern des SLAC National Accelerator Laboratory und der Stanford University detaillierte Messungen der Röntgenemissionen von Galaxienhaufen, die die Verteilung der Materie in ihnen aufdeckten. Diese Daten wiederum halfen den Wissenschaftlern dabei, die vorherrschende Theorie über die Struktur und Entwicklung des Universums zu überprüfen, bekannt als Lambda-CDM.

Das war allerdings keine leichte Aufgabe. Es geht um folgendes Problem: Die Ableitung der Masseverteilungen von Galaxienhaufen auf Grundlage ihrer Röntgenemission ist am zuverlässigsten, wenn die Energie in dem Gas innerhalb der Galaxienhaufen durch die Gravitationskraft ausgeglichen wird, die das gesamte System zusammenhält. Messungen der Masseverteilungen in echten Galaxienhaufen konzentrieren sich daher auf jene, die in einen “ruhigen” Zustand übergegangen sind. Verglichen mit den theoretischen Vorhersagen ist es deshalb entscheidend, diese Auswahl an ruhigen Galaxienhaufen zu berücksichtigen.

Das im Hinterkopf behaltend, untersuchten die Doktorandin Elise Darragh-Ford von der Stanford University und ihre Kollegen computersimulierte Galaxienhaufen des Three Hundred Project. Erst berechneten sie, wie die Röntgenemission jedes simulierten Galaxienhaufens aussehen sollte. Dann wandten sie dieselben Beobachtungskriterien an, die für die Identifizierung ruhiger Galaxienhaufen in echten Daten genutzt werden, um den Datensatz zu sortieren.

Anschließend maßen die Wissenschaftler die Beziehungen zwischen drei Eigenschaften: die Galaxienhaufenmasse, wie zentral konzentriert diese Masse ist und die Rotverschiebung der Galaxienhaufen. Letztere gibt Aufschluss darüber, wie alt das Universum war, als das von uns beobachtete Licht emittiert wurde – sowohl für die simulierten Galaxienhaufen als auch für 44 echte Galaxienhaufen, die mit dem NASA-Weltraumteleskop Chandra beobachtet wurden.

Das Team fand konsistente Ergebnisse in beiden Datensätzen: Insgesamt konzentrierte sich die Masse der Galaxienhaufen im Laufe der Zeit zentraler, während weniger massereiche Galaxienhaufen zu jedem Zeitpunkt zentraler konzentriert waren als massereichere Galaxienhaufen. “Die gemessenen Beziehungen stimmen extrem gut mit Beobachtung und Theorie überein, was das Lambda-CDM-Paradigma stark untermauert”, sagte Darragh-Ford.

In der Zukunft hoffen die Forscher, die Größe der beobachteten und simulierten Galaxienhaufen-Datensätze erweitern zu können. Projekte, die vom SLAC unterstützt werden, werden bei der Identifizierung einer viel größeren Anzahl an Galaxienhaufen helfen, beispielsweise der Legacy Survey of Space and Time des Rubin Observatory und das Fourth-Generation Cosmic Microwave Background Experiment (CMB-S4). Geplante Weltraummissionen wie der ATHENA-Satellit der European Space Agency (ESA) können Röntgenmessungen des Universums ergänzen. SLAC-Kosmologen arbeiten auch daran, den Umfang und die Genauigkeit von Simulationen des Universums zu erhöhen, wodurch es möglich wird, die Galaxienhaufen detaillierter zu untersuchen und alternativen kosmologischen Szenarien enge Grenzen zu setzen.

Die Studie wurde von der National Aeronautics and Space Administration (NASA) und dem Office of Science des US-Energieministeriums unterstützt.

Quelle

(THK)

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