Astronomen entdecken „Baby-Cluster“ von Galaxien, der kosmische Modelle auf den Kopf stellen könnte

Vereinigte Staaten - Ekhbary Nachrichtenagentur

Astronomen enthüllen unerwarteten „Baby-Cluster“ von Galaxien im frühen Universum

In einer Himmelsentdeckung, die unser Verständnis der frühen kosmischen Entwicklung neu gestalten könnte, haben Astronomen kürzlich einen „Baby-Cluster“ von Galaxien identifiziert – eine Ansammlung von über 66 jungen Galaxien in einer außergewöhnlich entfernten Region des Weltraums. Dieser als JADES-ID1 bezeichnete Protocluster stammt aus etwa einer Milliarde Jahre nach dem Urknall, einer außerordentlich frühen Periode in der kosmischen Geschichte. Besonders verblüffend ist, dass dieser Cluster trotz seiner „wachsenden“ Phase reifer und entwicklungsfähiger erscheint, als es die aktuellen kosmologischen Modelle für eine so frühe Epoche vorhersagen. Dies macht ihn zu einem Hauptkandidaten für den am weitesten entfernten und frühesten entdeckten Galaxien-Protocluster und fordert die vorherrschenden Theorien über die Entstehung solch massiver kosmischer Strukturen in der Kindheit des Universums heraus.

Die Enthüllung von JADES-ID1 wurde durch kombinierte Daten des James-Webb-Weltraumteleskops (JWST) der NASA und des Chandra-Röntgenobservatoriums ermöglicht. Die Analyse dieser Daten deutet darauf hin, dass der Protocluster eine immense Masse besitzt, die auf etwa das 20-Billionen-fache der Masse unseres Sonnensystems geschätzt wird. Während der Großteil dieser Masse aus unsichtbarer dunkler Materie besteht, entdeckte das Chandra-Observatorium eine riesige Wolke aus heißem Gas, die den Cluster umgibt und in Röntgenwellenlängen hell leuchtet. Die Anwesenheit einer solchen Röntgenstrahlung emittierenden „Atmosphäre“ ist typischerweise ein Kennzeichen reifer und stabiler Galaxienhaufen – eine Eigenschaft, die in einer nur eine Milliarde Jahre alten Struktur unerwartet gefunden wird.

Dr. Ákos Bogdán, ein Astrophysiker am Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian und Hauptautor der in Nature veröffentlichten Studie, erklärte: „JADES-ID1 ist wirklich der jüngste Cluster mit einer Röntgenstrahlung emittierenden Atmosphäre. Und diese Entdeckung verschiebt die Grenze der Röntgen-Protocluster auf viel, viel frühere Zeiten als frühere Beispiele.“ Er fügte hinzu, dass die Existenz einer solch massiven und fortschrittlichen Struktur so früh in der Geschichte des Universums Fragen zur Vollständigkeit unseres Verständnisses der kosmischen Entstehungsprozesse aufwirft. „Entweder hatten wir extrem viel Glück [ihn zu sehen], oder wir erfassen eine Region des Universums, die ungewöhnlich schnell wächst“, fügte er hinzu.

Galaxienhaufen sind zentrale Objekte in der Kosmologie und werden oft als „Kreuzungen“ zwischen Astrophysik und Kosmologie bezeichnet. Sie dienen als natürliche Laboratorien zur Untersuchung von Galaxienwechselwirkungen, dem Wachstum supermassiver Schwarzer Löcher und der Entwicklung des kosmischen Netzes. Das Verständnis, wie sich diese Cluster über riesige Zeit- und Raumspannen zusammenfügen, informiert auch unser Wissen über die kosmologischen Parameter, die das Universum formen. Dr. Elena Rasia, eine Astrophysikerin an der University of Michigan, die nicht an der Studie beteiligt war, kommentierte: „Galaxienhaufen werden oft als an den ‚Kreuzungen‘ zwischen Astrophysik und Kosmologie bezeichnet.“ Sie schlug vor, dass dieser einzigartige Protocluster, JADES-ID1, aus beiden Perspektiven bedeutsam sein könnte.

Standardmodelle der Clusterbildung sagen voraus, dass eine Struktur dieser Größe und Reife nicht so früh in der Geschichte des Universums existieren sollte. Wenn JADES-ID1 sein enormes Wachstum fortsetzen würde, würde er schließlich zu einem anomal großen, vollständig ausgebildeten Galaxienhaufen werden. Ob seine Existenz tatsächlich eine Umschreibung von Lehrbüchern erfordert, bleibt jedoch noch zu untersuchen. Professor Klaus Dolag, ein computergestützter Astrophysiker an der Ludwig-Maximilians-Universität München, der nicht an den JADES-ID1-Studien beteiligt war, räumt ein, dass zwar „wir nicht vollständig verstehen, wie solche Strukturen entstehen und sich so früh so fortgeschritten zeigen können“, es aber möglicherweise bereits Hinweise darauf gibt, was geschieht. In einer früheren Studie führten Dolag und Kollegen Simulationen der Protocluster-Entstehung durch, die etwa eine halbe Milliarde Jahre später als JADES-ID1 stattfanden, und stellten fest, dass viele dieser virtuellen Objekte bis dahin nachweisbare Röntgenatmosphären entwickelten. Entscheidend ist, dass keiner der größten und frühesten Protocluster aus der Studie von 2023 zu überdimensionierten Galaxienhaufen wurde, als die Simulation bis in die heutige Zeit fortschritt. Stattdessen verlangsamte sich ihr Wachstum, als sie reiften und ihre umgebenden Gasreserven erschöpften. Wenn dieses Verhalten auch für JADES-ID1 zutrifft, könnte seine beobachtete frühe, beträchtliche Größe weniger rätselhaft sein.

Dennoch weist Professor Stefano Borgani, ein Astrophysiker an der Universität Trient in Italien, der keiner dieser Studien angehörte, darauf hin, dass die Detektion der schwachen Röntgenstrahlen von JADES-ID1 und anderen frühen Protoclustern die Grenzen des Chandra-Teleskops ausreizt. Dies erschwert es den Forschern, ihre Kenntnisse über diese extremen Systeme genau einzuschätzen. „Ein klareres Verständnis dafür, ob [JADES-ID1] unser aktuelles Verständnis der kosmischen Strukturbildung in Frage stellt, wird auf eine nächste Generation von Röntgenfernrohren warten müssen“, mit der scharfen Sicht von Chandra, aber mit größerer Empfindlichkeit, sagte er. Dr. Bogdán stimmt der Notwendigkeit zu, weitere Protocluster ähnlichen Alters zu untersuchen. „Die nächsten Schritte sollten darin bestehen, mehr Systeme wie dieses zu finden und größere Stichproben von Protoclustern im frühen Universum zu erstellen, damit wir uns nicht auf ein einzelnes Objekt verlassen“, drängte er.

Die Auflösung des Rätsels dieses reifen „Baby-Clusters“ verspricht unabhängig vom Ergebnis bedeutende Durchbrüche, so Dolag. „Entweder lernen wir etwas Neues über das komplexe Zusammenspiel verschiedener physikalischer Prozesse, die die Entstehung von Galaxien formen – oder wir lernen, dass es tatsächlich einen Fehler in unserem allgemeinen Hintergrundmodell der Kosmologie gibt, der uns dazu veranlasst, zu stark zu vereinfachen.“ Die Entdeckung von JADES-ID1 bietet ein einzigartiges Fenster in die Entstehungszeiten des Universums und verfeinert potenziell unsere Modelle der Strukturbildung und die grundlegenden Parameter, die den Kosmos regieren.

Ekhbary Nachrichtenagentur