Gibt es ein unsichtbares Netz aus dunkler Materie, das uns umgibt? Sein Einfluss kann im gesamten Kosmos beobachtet werden, aber das Netz bleibt unsichtbar... größtenteils jedenfalls. Dieses Bild der Woche ist das bisher deutlichste Bild eines Filaments dieses kosmischen Netzes. Es wurde mit dem Very Large Telescope der ESO aufgenommen und ist hier in Violett einem Hintergrundbild des Hubble Space Telescope von NASA und ESA überlagert. Das Filament besteht aus Gas, das durch den Einfluss dunkler Materie zusammengeballt wird. Es erstreckt sich über eine Länge von 3 Millionen Lichtjahren und verbindet zwei weit entfernte Galaxien im frühen Universum.

Etwa 85% der gesamten Materie im Universum ist tatsächlich sogenannte Dunkle Materie. Dunkle Materie ist unsichtbar, nicht aber das sie umgebende Gas. Dieses Gas leuchtet jedoch extrem schwach, so dass diese Strukturen sehr schwer zu beobachten sind. Doch nach etwa 150 Stunden Beobachtung gelang es einem Team unter der Leitung von Davide Tornotti, einem Doktoranden der Universität Mailand-Bicocca in Italien, dieses scharfe Bild eines kosmischen Filaments aufzunehmen. Dies war dank der außergewöhnlichen Empfindlichkeit des MUSE-Instruments am VLT möglich, das inzwischen zu einem bewährten Instrument für die Abbildung des kosmischen Netzes geworden ist.

Das Licht dieses Filaments brauchte 11 Milliarden Jahre für die Strecke zu uns und es zeigt genau das, was die Theorie vorausgesagt hat. Im frühen Universum könnten Filamente aus Dunkler Materie ein großes Netz gebildet haben, in dem sich Gas durch ihre Anziehungskraft verfangen hat. Sobald sich das Gas an den Knotenpunkten der Filamente angesammelt hatte, lieferte es den nötigen Rohstoff für die Bildung von Galaxien. Während wir diese mysteriösen Filamente noch genauer studieren, werden wir dann weitere Dinge finden, die sich in diesem dunklen Netz verfangen haben?

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• Fachartikel in Nature Astronomy

Diese künstlerische Darstellung (nicht maßstabsgetreu) veranschaulicht den Weg des schnellen Radioblitzes FRB 20220610A, von der entfernten Galaxie, in der er entstand, bis zur Erde, in einem der Spiralarme der Milchstraße. Die Quellgalaxie von FRB 20220610A, dank des Very Large Telescope der ESO lokalisiert, scheint sich in einer kleinen Gruppe wechselwirkender Galaxien zu befinden. Sie ist so weit entfernt, dass ihr Licht acht Milliarden Jahre gebraucht hat, um uns zu erreichen, was FRB 20220610A zum bisher fernsten schnellen Radioblitz macht.

Dieses Infrarotbild zeigt die ferne Galaxie 9io9, die hier als rötlicher Bogen um eine nähergelegene helle Galaxiegebogen ist. Die nahegelegene Galaxie wirkt wie eine Gravitationslinse: Ihre Masse krümmt die Raumzeit um sie herum und krümmt so die Lichtstrahlen, die von 9io9 im Hintergrund kommen, in ihre verzerrte Form.

Diese Falschfarbenansicht ist das Ergebnis einer Kombination von Infrarotbildern, die mit dem Visible and Infrared Survey Telescope for Astronomy (VISTA) der ESO in Chile und dem Canada France Hawaii Telescope (CFHT) in den USA aufgenommen wurden.

Dieses Bild zeigt die Ausrichtung des Magnetfelds in der weit entfernten Galaxie 9io9, die hier so zu sehen ist, wie sie aussah, als das Universum nur 20% seines heutigen Alters hatte - der bisherige Erntfernungsrekord für den Nachweis des Magnetfelds einer Galaxie. Die Beobachtungen wurden mit dem Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) durchgeführt, an dem die ESO beteiligt ist. Die Staubkörner in 9io9 sind in gewisser Weise auf das Magnetfeld der Galaxie ausgerichtet und strahlen deshalb polarisiertes Licht ab, das bedeutet die Lichtwellen schwingen nicht zufällig, sondern in einer bevorzugten Richtung. ALMA detektierte dieses Polarisationssignal, woraus Astronomen die Ausrichtung des Magnetfelds errechnen konnten, die hier als gekrümmte Linien über dem ALMA-Bild dargestellt ist.

Das polarisierte Lichtsignal, das von dem magnetisch ausgerichteten Staub in 9io9 ausgesendet wurde, war extrem schwach und machte nur ein Prozent der Gesamthelligkeit der Galaxie aus, so dass die Astronomen einen cleveren Trick der Natur nutzten, um zu diesem Ergebnis zu gelangen: Das Team profitierte von der Tatsache, dass 9io9, obwohl sie sehr weit von uns entfernt ist, durch einen Prozess verstärkt wurde, der als Gravitationslinseneffekt bezeichnet wird. Dabei erscheint das Licht einer weit entfernten Galaxie, in diesem Fall 9io9, heller und verzerrt, da es durch die Schwerkraft eines sehr großen Objekts im Vordergrund gekrümmt wird.

Diese künstlerische Darstellung zeigt eine weit entfernte Gaswolke, die verschiedene chemische Elemente enthält, die hier mit schematischen Darstellungen verschiedener Atome illustriert sind.

Mit dem Very Large Telescope der ESO haben Astronomen drei weit entfernte Gaswolken entdeckt, deren chemische Zusammensetzung dem entspricht, was wir von den Explosionen der ersten Sterne erwarten, die im Universum entstanden. Diese frühen Sterne können indirekt untersucht werden, indem man die chemischen Elemente analysiert, die sie nach ihrem Tod in Supernova-Explosionen in die Umgebung abgaben. Die drei entfernten Gaswolken, die in dieser Studie entdeckt wurden, sind reich an Kohlenstoff, Sauerstoff und Magnesium, aber arm an Eisen. Dies ist genau die Signatur, die man bei den Explosionen der ersten Sterne erwartet.

Dieses Bild zeigt den Protohaufen um die Spiderweb-Galaxie (formell bekannt als MRC 1138-262), der zu einer Zeit aufgenommen wurde, als das Universum erst 3 Milliarden Jahre alt war. Der größte Teil der Masse des Protohaufens befindet sich nicht in den Galaxien, die in der Mitte des Bildes zu sehen sind, sondern in dem Gas, das als Intracluster-Medium (ICM) bekannt ist. Das heiße Gas im ICM ist als überlagerte blaue Wolke dargestellt.

Das heiße Gas wurde mit dem Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) entdeckt, an dem die ESO beteiligt ist. Wenn das Licht aus dem kosmischen Mikrowellenhintergrund - die Reliktstrahlung aus dem Urknall - durch das ICM wandert, gewinnt es Energie, wenn es mit den Elektronen im heißen Gas reagiert. Dies ist als Sunyaev-Zeldovich-Effekt bekannt. Durch die Untersuchung dieses Effekts können Astronomen darauf schließen, wie viel heißes Gas sich im ICM befindet, und zeigen, dass der Spiderweb-Protohaufen dabei ist, sich zu einem massereichen Haufen zu entwickeln, der durch seine eigene Schwerkraft zusammengehalten wird.

Dieses Bild ist ein Komposit aus Einzelaufnahmen in verschiedenen Farben, die aus dem Digitized Sky Survey 2 (DSS2) stammen. Das Gesichtsfeld beträgt 2.8° x 2.9°. 

Der eingekreiste Punkt in diesem Bild der Woche ist fast verschwunden. Was ist passiert? Diese Bildsequenz, die mit dem Very Large Telescope (VLT) der ESO im sichtbaren Licht aufgenommen wurde, zeigt die Abklingphase des Gammablitzes GRB 221009A. Gammablitze sind die leuchtstärksten Phänomene, die wir im Universum kennen, und GRB 221009A ist der hellste Ausbruch, der von der Erde aus beobachtet wurde.

Der Ausbruch wurde im Oktober 2022 von mehreren Gammastrahlen-Weltraumteleskopen, wie Swift und Fermi der NASA und INTEGRAL der ESA, entdeckt. Wenige Stunden nach der ersten Entdeckung nahm das X-shooter-Instrument der ESO am VLT ein Spektrum auf, das die erste Entfernungsmessung zur Quelle mit etwa 2,4 Milliarden Lichtjahren lieferte. Dank dieser Entfernungsmessung konnte ein Team von Astronomen unter der Leitung von Daniele Bjørn Malesani (Radboud University, Niederlande; DAWN/Niels Bohr Institut, Dänemark) einen Ursprung in der Milchstraße ausschließen, obwohl der Ausbruch immer noch viel näher zu uns ist als typische GRBs.

Die Entfernungsmessung ermöglichte es dem Team auch, die Eigenleuchtkraft des Ausbruchs zu berechnen. Obwohl er sich in unserem kosmischen Hinterhof befindet, ist der Ausbruch immer noch außerordentlich hell. Es handelt sich um den intensivsten GRB, dessen Leuchtkraft wir gemessen haben, und den hellsten, der in den 55 Jahren, seit die ersten Gammastrahlen-Satelliten in die Umlaufbahn gebracht wurden, von der Erde aus gesehen wurde. Nach Ansicht von Malesanis Team sollte ein so energiereicher und naher Ausbruch wie dieser nur einmal alle 1000 Jahre zu beobachten sein.

Ein Team unter der Leitung von Andrew Levan (ebenfalls Radboud-Universität) hat diesen einzigartigen Ausbruch mit dem James Webb Space Telescope (JWST) bei längeren Wellenlängen beobachtet. Die Kombination des X-Shooter-Spektrums mit den JWST-Daten ermöglicht eine ausgiebige Untersuchung der Natur dieses einzigartigen Ereignisses.

Gammablitze können von wenigen Millisekunden bis zu Stunden dauern (GRB 221009A dauerte etwa 10 Stunden). Sobald der anfängliche helle Gammablitz abgeklungen ist, leuchtet das Objekt noch bei längeren Wellenlängen wie dem sichtbarem oder infrarotem Licht nach, verblasst aber sehr schnell, so dass man schnell reagieren muss, um diese kurzlebigen Quellen zu beobachten.

Links

• Video aus dieser Bildserie
• Paper von Malesani et al. und Levan et al.

Sehen Sie diesen kleinen roten Fleck? Das ist eine extrem weit entfernte Explosion im frühen Universum, die X-Shooter am Very Large Telescope (VLT) der ESO aufgenommen wurde. Dieses Licht stammt von einem Gammablitz (englisch: gamma-ray burst, kurz GRB), einem der hellsten und rätselhaftesten Phänomene im Universum.

Im September 2021 entdeckte das Neil Gehrels Swift Observatory der NASA in diesem Bereich des Himmels eine helle Gammastrahlenquelle. Sobald der anfängliche helle Blitz eines GRB abgeklungen ist, hält das Nachglühen bei längeren Wellenlängen wie sichtbarem oder infrarotem Licht noch an. Aber die Quellen verblassen sehr schnell, so dass man schnell reagieren muss! Ein Team von Astronom*innen unter der Leitung von Andrea Rossi vom INAF in Bologna beobachtete die Nachwirkungen des GRB mit einer Reihe von Teleskopen auf der ganzen Welt, darunter mehrere ESO-Instrumente am VLT und die robotischen Teleskope REM und GROND am La-Silla-Observatorium der ESO.

Das Team nahm mit X-Shooter nicht nur Bilder auf, sondern erstellte mit diesem Instrument auch Spektren. Dies war ausschlaggebend für den Nachweis, dass der Ausbruch aus einer extrem weit entfernten Galaxie stammt, aus einer Zeit, als das Universum nur 6 % seines heutigen Alters hatte. Das macht diesen Ausbruch zu einem der am weitesten entfernten GBRs, die je gefunden wurden.

Der Ursprung von Gammablitzen bleibt jedoch nach wie vor ein Rätsel. Laut Rossis Team hat dieser spezielle GRB so viel Energie ausgestrahlt, dass er wahrscheinlich durch Materie erzeugt wurde, die in ein schwarzes Loch oder (weniger wahrscheinlich) einen Magnetar – einen Neutronenstern mit einem sehr starken Magnetfeld – fiel. Mit dem kommenden Extremely Large Telescope der ESO können die Eigenschaften von Ausbrüchen wie diesem und seinen Vorläufern genauer untersucht werden, was dann mehr Klarheit in ihren genauen Ursprung bringen wird.

This graphic shows the evolution of the Universe, from the Big Bang to the present day. It indicates the growth of the Universe through cosmic expansion and the growth of galaxies and galaxy clusters. The Universe is almost 14 billion years old.

The bottom panel shows a slice of the IGM density field from the Horizon-AGN cosmological simulation. The field will be successfully reconstructed from the data of the survey, as illustrated by the top two panels. 

Diese Abbildung zeigt einen Gashalo, der einen Quasar im frühen Universum umgibt. Der Quasar in Orange hat zwei kräftige Jets und ein supermassereiches Schwarzes Loch im Zentrum. Der Halo aus glühendem Wasserstoffgas ist blau dargestellt.

Eine Forschergruppe untersuchte 31 Quasare, die man so sieht, wie sie vor mehr als 12,5 Milliarden Jahren waren, zu einer Zeit, als das Universum noch ein Kleinkind war, nur etwa 870 Millionen Jahre alt. Die Astronomen fanden 12 Quasare, die von riesigen Gasspeichern umgeben waren: Halos aus kühlem, dichtem Wasserstoffgas, die sich über 100.000 Lichtjahre von den zentralen Schwarzen Löchern und mit einer milliardenfach höheren Masse als die der Sonne erstrecken. Sie stellen die perfekte Nahrungsquelle dar, um das Wachstum supermassereicher Schwarzer Löcher zu fördern.

Dieses Bild zeigt einen der Gashalos, die mit dem MUSE-Instrument auf dem Very Large Telescope der ESO neu beobachtet wurden, überlagert von einem älteren Bild einer Verschmelzung von Galaxien, die mit ALMA gewonnen wurde. Der großflächige Halo aus Wasserstoffgas ist blau dargestellt, während die ALMA-Daten orange eingefärbt sind.

Der Halo ist an die Galaxie gebunden, die in ihrem Zentrum einen Quasar enthält. Das schwache, glühende Wasserstoffgas im Halo ist die perfekte Nahrungsquelle für das supermassereiche Schwarze Loch im Zentrum des Quasars.

Die Objekte in diesem Bild befinden sich bei einer Rotverschiebung von 6,2, d. h. sie werden so gesehen, wie sie vor 12,8 Milliarden Jahren waren. Während Quasare hell sind, sind die Gasspeicher um sie herum viel schwieriger zu beobachten. Aber MUSE konnte das schwache Glühen des Wasserstoffgases in den Halos erkennen, so dass Astronomen endlich die Lebensmittelvorräte freilegen konnten, die supermassereiche Schwarze Löcher im frühen Universum versorgen.

Where the particles were accelerated in the AWAKE experiment.

Dieses Bild ist ein Farbkomposit, erstellt aus Aufnahmen des Digitized Sky Surveys 2 (DSS2). Das Bildfeld beträgt etwa 2,4° x 2,0°. Die Leere dieses Himmelsausschnitts ist leicht zu erkennen.

Tiefe Beobachtungen mit dem MUSE-Spektrografen am Very Large Telescope der ESO haben riesige kosmische Reservoirs von atomarem Wasserstoff um entfernte Galaxien entdeckt. Das besonders empfindliche MUSE-Instrument ermöglichte direkte Beobachtungen von dünnen Wasserstoffwolken, die im frühen Universum im Lyman-alpha-Licht leuchten. Dies zeigt, dass fast der ganze Nachthimmel unbemerkt glüht.

Dieses Bild vom NASA/ESA Hubble Space Telescope zeigt die vielfältige Ansammlung von Galaxien im Galaxienhaufen Abell S0740, der über 450 Millionen Lichtjahre entfernt in Richtung des Sternbildes Centaurus liegt. Der riesige elliptische ESO 325-G004 befindet sich in der Mitte des Haufens. Hubble löst Tausende von Kugelsternhaufen auf Umlaufbahnen ESO 325-G004 auf. Kugelsternhaufen sind kompakte Gruppen von Hunderttausenden von Sternen, die gravitativ miteinander verbunden sind. In der Entfernung der Galaxie erscheinen sie als Lichtpunkte, die im diffusen Halo enthalten sind. Dieses Bild entstand durch die Kombination der im Januar 2005 aufgenommenen wissenschaftlichen Beobachtungen von Hubble mit den ein Jahr später aufgenommenen Hubble-Heritage-Beobachtungen für ein 3-Farben-Komposit. Die Filter, die blaues, rotes und infrarotes Licht isolieren, wurden mit der Advanced Camera for Surveys an Bord von Hubble verwendet.

Diese Infografik vergleicht die beiden Methoden zur Bestimmung der Masse der Galaxie ESO 325-G004. Bei der erstem Methode wurden mit dem Very Large Telescope die Geschwindigkeiten von Sternen in ESO 325-G004 gemessen. Bei der zweiten Methode wurde mit dem Hubble-Weltraumteleskop ein Einsteinring beobachtet, der durch Licht aus einer Hintergrundgalaxie verursacht wurde, das von ESO 325-G004 gebogen und verzerrt wurde. Durch den Vergleich dieser beiden Methoden zur Messung der Schwerkraft von ESO 325-G004 wurde festgestellt, dass Einsteins allgemeine Relativitätstheorie auf extragalaktischen Skalen funktioniert – etwas, das bisher nicht getestet wurde.

Dieses Bild zeigt die weit entfernte Galaxie MACS1149-JD1, wie sie vor 13,3 Milliarden Jahren aussah und nun mit ALMA beobachtet wurde.

Diese künstlerische Darstellung zeigt eine Gruppe von interagierenden und verschmelzenden Galaxien im frühen Universum. Solche Galaxienverschmelzungen wurden mithilfe der ALMA- und APEX-Teleskope entdeckt und repräsentieren die Entstehung von Galaxienhaufen, den massereichsten Objekten im modernen Universum. Astronomen dachten bislang, dass diese Ereignisse etwa drei Milliarden Jahre nach dem Urknall stattfanden, so dass sie überrascht waren, als die neuen Beobachtungen zeigten, dass sie auch auftraten, als das Universum nur halb so alt war!

Das Bild zeigt das Hubble Ultra Deep Field 2012, eine verbesserte Version der Hubble Ultra Deep Field-Aufnahme, die durch zusätzliche Beobachtungszeit entstanden ist. Die neuen Daten haben zum ersten Mal eine Population von fernen Galaxien mit Rotverschiebungen zwischen 9 und 12 zutage gebracht, einschließlich des bisher am weitesten entfernten Objektes. Diese Galaxien müssen vom zukünftigen NASA/ESA/CSA James Webb-Weltraumteleskop bestätigt werden, bevor ihre Existenz als gesichert gilt.

Diese Farbaufnahme zeigt das Hubble Ultra Deep Field, eine winzige, aber gut untersuchte Region im Sternbild Chemischer Ofen (lat. Fornax). Aufgenommen wurde sie mit dem MUSE-Instrument am Very Large Telescope der ESO. Das Bild gibt jedoch nur einen kleinen Einblick in den Reichtum der MUSE-Daten, die auch für jedes Pixel im Bild ein Spektrum zur Verfügung stellen. Der Datensatz ermöglicht es Astronomen nicht nur, die Entfernungen von deutlich mehr Galaxien als zuvor zu messen – insgesamt 1600 – sondern auch über jede einzelne mehr zu erfahren. Überraschenderweise wurden 72 neue Galaxien gefunden, die sich den tiefen Aufnahmen des Hubble-Weltraumteleskops der NASA/ESA entzogen hatten.

Die Positionen von einem Teil der Galaxien, die mit der VIPERS-Durchmusterung identifiziert wurden, im Raum. Dies ist eins von zwei "Tortenstücken" des Universums, die aus den Daten der Durchmusterung erstellt wurden. Es zeigt, wo sich die Galaxien im Hinblick auf ihrn Abstand von uns befinden – was mit zunehmender Entfernung einem Blick in eine immer weiter zurückliegende Vergangenheit entspricht. Daten wie diese ermöglichen es Astronomen, die Entwicklung von Galaxien als Bestandteile des Universums zu untersuchen und verraten uns, wie sich das Weltall selbst im Laufe der Zeit verändert hat.

Diese Karte zeigt die Verteilung der Dunklen Materie im Universum und wurde aus Daten der KiDS-Durchmusterung mit dem VLT Survey Telescope am Paranal-Observatorium der ESO in Chile erstellt. Sie enthüllt ein weitreichendes Netz aus dichten (hellen) und leeren (dunklen) Regionen. Dieses Bild zeigt einen von fünf Bereichen des Himmels, die von KiDS beobachtet wurden. Die unsichtbare dunkle Materie ist hier in rosa dargestellt und deckt einen Bereich des Himmels ab, der dem 420-fachen der Größe des Vollmonds entspricht. Diese Bildrekonstruktion entstand durch die Analyse des Lichts, das aus mehr als drei Millionen fernen Galaxien gesammelt wurde, die mehr als 6 Milliarden Lichtjahre entfernt sind. Das Licht in den beobachteten Galaxienbildern wurden auf seiner Reise durchs Universum durch die Anziehungskraft der dunklen Materie verzerrt.

In dem Bild kommen auch einige kleine dunkle Regionen mit scharfen Grenzen zum Vorschein. Dort finden sich helle Sterne und andere nahe Objekte, die den Beobachtungen fernerer Galaxien im Weg sind und deshalb in diesen Karten ausgeblendet werden, da in diesen Gebieten kein Signal des schwachen Gravitationslinseneffektes gemessen werden kann.

Diese Karte zeigt die Verteilung der Dunklen Materie im Universum und wurde aus Daten der KiDS-Durchmusterung mit dem VLT Survey Telescope am Paranal-Observatorium der ESO in Chile erstellt. Sie enthüllt ein weitreichendes Netz aus dichten (hellen) und leeren (dunklen) Regionen. Dieses Bild zeigt einen von fünf Bereichen des Himmels, die von KiDS beobachtet wurden. Die unsichtbare dunkle Materie ist hier in rosa dargestellt und deckt einen Bereich des Himmels ab, der dem 420-fachen der Größe des Vollmonds entspricht. Diese Bildrekonstruktion entstand durch die Analyse des Lichts, das aus mehr als drei Millionen fernen Galaxien gesammelt wurde, die mehr als 6 Milliarden Lichtjahre entfernt sind. Das Licht in den beobachteten Galaxienbildern wurden auf seiner Reise durchs Universum durch die Anziehungskraft der dunklen Materie verzerrt.

In dem Bild kommen auch einige kleine dunkle Regionen mit scharfen Grenzen zum Vorschein. Dort finden sich helle Sterne und andere nahe Objekte, die den Beobachtungen fernerer Galaxien im Weg sind und deshalb in diesen Karten ausgeblendet werden, da in diesen Gebieten kein Signal des schwachen Gravitationslinseneffektes gemessen werden kann.