Der Tag, auf den Astronomen sehnsüchtig gewartet haben, ist endlich da. Am Mittwoch, den 19. März, hat die Raumsonde Euclid der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) ihre ersten Daten veröffentlicht – sowohl für die Öffentlichkeit als auch für die wissenschaftliche Gemeinschaft.
Diese Daten beinhalten drei beeindruckende Vorschauen auf die Tiefenraumaufnahmen, die Euclid in Zukunft liefern wird. In diesen Tiefenfeldern befinden sich Hunderttausende Galaxien verschiedener Formen und Größen, die einen faszinierenden Einblick in die großräumige Struktur des Kosmos innerhalb des sogenannten „kosmischen Netzes“ bieten. Die Daten umfassen eine Klassifizierungsstudie von 380.000 Galaxien, 500 neue Kandidaten für Gravitationslinsen sowie eine Vielzahl anderer kosmischer Objekte wie Galaxienhaufen und aktive galaktische Kerne.
Um die Geheimnisse des „dunklen Universums“ – ein Sammelbegriff für dunkle Materie und dunkle Energie – zu entschlüsseln, muss Euclid eine so große Anzahl von Galaxien beobachten. Das Potenzial von Euclid, in dieser Mission einen entscheidenden Beitrag zu leisten, hat ESA-Wissenschaftler dazu veranlasst, das Raumschiff als ihren „Detektiv des dunklen Universums“ zu bezeichnen. Doch diese erste Datenveröffentlichung zeigt bereits, dass Euclid noch weit mehr leisten kann.
Eine Vielzahl von Galaxien, wie sie in einem neuen Bild des Euclid-Weltraumteleskops zu sehen sind (Bildnachweis: ESA/Euclid/Euclid-Konsortium/NASA, Bildbearbeitung von J.-C. Cuillandre, E. Bertin, G. Anselmi).
„Ich denke, die beiden größten Fragen, die wir uns als Menschheit stellen, sind: Sind wir allein im Universum und wie funktioniert das Universum?“ sagte Carole Mundell, ESA-Direktorin für Wissenschaft, auf einer Pressekonferenz am Montag (17. März). „Was sind die grundlegenden Gesetze der Physik?“ Mundell fügte hinzu, dass wir im Laufe der Jahre unser Verständnis des Universums weiterentwickelt haben und nun wissen, dass die „gewöhnliche Materie“, aus der Sterne, Planeten, Monde, Asteroiden, unsere Körper und alles um uns herum bestehen, nur 5 % der gesamten Materie und Energie des Universums ausmacht.
„Die restlichen 95 Prozent sind dunkel und unbekannt“, fügte sie hinzu.
Diese dunklen Elemente des Kosmos sind als dunkle Energie bekannt, eine mysteriöse Kraft, die die Expansion des Universums beschleunigt und etwa 70% der Materie- und Energiebilanz des Universums ausmacht. Hinzu kommt die dunkle Materie, die den verbleibenden 25% der Materie- und Energiebilanz entspricht. Diese seltsame „Substanz“ übertrifft die gewöhnliche Materie im Kosmos um das Fünffache, bleibt jedoch unsichtbar, da sie nicht mit Licht interagiert.
„Das eigentliche Ziel von Euclid ist es, diese beiden Aspekte zusammenzuführen, um die Natur der dunklen Materie und der dunklen Energie sowie ihre Wechselwirkung im Universum zu verstehen“, erklärte Mundell. „Euclid ist nicht nur ein Detektiv für das dunkle Universum, sondern auch eine Zeitmaschine. Wir werden 10 Milliarden Jahre in die kosmische Geschichte zurückblicken.“
Für diese erste Datenveröffentlichung hat Euclid, der im Juli 2023 gestartet ist und im Februar 2024 mit den eigentlichen Beobachtungen begann, nur eine Woche damit verbracht, drei Himmelsregionen zu scannen. Diese Bereiche wird das Teleskop in Zukunft noch genauer untersuchen.
Bisher hat Euclid jede dieser Regionen nur einmal gescannt und dabei 26 Millionen Galaxien beobachtet. Die am weitesten entfernte – und damit älteste – liegt etwa 10,5 Milliarden Lichtjahre von uns entfernt. Die Beobachtungen umfassen auch eine kleine Anzahl von Quasaren, den hellen Kernen aktiver Galaxien, die von supermassereichen Schwarzen Löchern angetrieben werden. Aufgrund ihrer enormen Leuchtkraft sind sie sogar noch weiter entfernt sichtbar.
Während Euclid diese Bereiche noch viele Male überfliegen wird, bevor seine Hauptmission 2030 endet, bietet der erste Blick auf diese Regionen, die am Himmel etwa so breit sind wie 300 Vollmonde, einen beeindruckenden Vorgeschmack auf das gewaltige Ausmaß des kosmischen Atlas, den Euclid erstellen wird. Bis zum Abschluss der Mission wird dieser Atlas etwa ein Drittel des gesamten Nachthimmels über der Erde abdecken.
Eine Vielzahl von Galaxien, wie sie in einem neuen Bild des Euclid-Weltraumteleskops zu sehen sind (Bildnachweis: ESA/Euclid/Euclid-Konsortium/NASA, Bildbearbeitung von J.-C. Cuillandre, E. Bertin, G. Anselmi).
Die drei von Euclid beobachteten Tiefenfelder sind das Euclid Deep Field North, das Euclid Deep Field Fornax und das Euclid Deep Field South.
Unten ist das Bild, das Euclid vom Euclid Deep Field North aufgenommen hat. Es zeigt über 10 Millionen Galaxien, den Katzenaugennebel (links in der Mitte), einen etwa 3.000 Lichtjahre entfernten Sternenrest, und eine große Gruppe von Galaxien, dominiert von der großen Galaxie NGC 6505 (rechts der Mitte). Bis 2030 wird Euclid diese Region des Himmels insgesamt 32 Mal durchmustern.
Eine Vielzahl von Galaxien, wie sie in einem neuen Bild des Euclid-Weltraumteleskops zu sehen sind (Bildnachweis: ESA/Euclid/Euclid-Konsortium/NASA, Bildbearbeitung von J.-C. Cuillandre, E. Bertin, G. Anselmi).
Das nächste Bild zeigt Euclids ersten Blick auf das sogenannte Euclid Deep Field Fornax, in dem bereits 4,5 Millionen Galaxien entdeckt wurden. In den nächsten sechs Jahren wird Euclid diese Region des Weltraums 52 Mal beobachten.
Das Euclid Deep Field Fornax umfasst die kleinere Region Chandra Deep Field South, die sowohl von NASAs Chandra als auch von ESAs XMM-Newton-Röntgenobservatorien untersucht wurde. Zusätzlich wurden dort Beobachtungen mit dem Hubble-Weltraumteleskop und großen erdbasierten Teleskopen durchgeführt.
Eine Vielzahl von Galaxien, wie sie in einem neuen Bild des Euclid-Weltraumteleskops zu sehen sind (Bildnachweis: ESA/Euclid/Euclid-Konsortium/NASA, Bildbearbeitung von J.-C. Cuillandre, E. Bertin, G. Anselmi).
Weniger erforscht ist das Euclid Deep Field South (unten), das bisher von keiner anderen Himmelsdurchmusterung untersucht wurde. Das bedeutet, dass diese Region, zugleich das größte Tiefenfeld von Euclid, ein enormes Potenzial für neue, spannende Entdeckungen birgt.
Das Weltraumteleskop hat in diesem Bereich bereits über 11 Millionen Galaxien entdeckt. Zudem konnte Euclid hier Hinweise auf eine großräumige Struktur des Universums, das sogenannte kosmische Netz, beobachten. Dieses besteht aus Fäden aus Gas und Dunkler Materie, die sich zwischen Galaxienhaufen erstrecken.
Eine Vielzahl von Galaxien, wie sie in einem neuen Bild des Euclid-Weltraumteleskops zu sehen sind (Bildnachweis: ESA/Euclid/Euclid-Konsortium/NASA, Bildbearbeitung von J.-C. Cuillandre, E. Bertin, G. Anselmi).
„Es ist beeindruckend, wie eine einzige Beobachtung der Tiefenfeldbereiche uns bereits eine Fülle von Daten geliefert hat, die für verschiedene Zwecke in der Astronomie genutzt werden können: von Galaxienformen über starke Gravitationslinsen, Galaxienhaufen bis hin zur Sternentstehung“, sagte Valeria Pettorino, Projektwissenschaftlerin der ESA-Mission Euclid. „Während der sechsjährigen Mission von Euclid werden wir jedes Tiefenfeld zwischen 30 und 52 Mal beobachten. Jedes Mal verbessern wir die Auflösung, mit der wir diese Bereiche sehen, sowie die Anzahl der Objekte, die wir beobachten können.“
„Stellen Sie sich nur vor, welche Entdeckungen auf uns warten.“
Da die Masse der Dunklen Materie in Galaxien dominiert, spielt sie eine entscheidende Rolle bei der Entwicklung von Galaxien und letztendlich bei deren Form. Um die Geheimnisse der Dunklen Materie zu erforschen, muss Euclid daher präzise die Form oder „Morphologie“ von Milliarden Galaxien beobachten.
Da Galaxien sich in einem Netz aus Dunkler Materie zusammenfinden und große Galaxienhaufen bilden, kann Euclid auch mehr über dieses rätselhafte Phänomen erfahren. Dies gelingt, indem die Verteilung der Millionen sichtbaren Galaxien in jedem seiner tiefen Felder gemessen wird.
Ebenso ist diese Verteilung entscheidend, um zu verstehen, wie die dunkle Energie das Gefüge des Universums ausgedehnt und damit diese Galaxien auseinandergedrängt hat.
Eine Vielzahl von Galaxien, wie sie in einem neuen Bild des Euclid-Weltraumteleskops zu sehen sind (Bildnachweis: ESA/Euclid/Euclid Consortium/NASA, Bildbearbeitung von J.-C. Cuillandre, E. Bertin, G. Anselmi).
„Das volle Potenzial von Euclid, um mehr über dunkle Materie und dunkle Energie aus der großräumigen Struktur des kosmischen Netzes zu erfahren, wird erst erreicht, wenn die gesamte Vermessung abgeschlossen ist“, sagte Clotilde Laigle, Wissenschaftlerin des Euclid-Konsortiums. „Doch bereits das Ausmaß dieser ersten Datenveröffentlichung bietet uns einen einzigartigen ersten Einblick in die großräumige Organisation von Galaxien. Diesen können wir nutzen, um mehr über die Entstehung von Galaxien im Laufe der Zeit zu lernen.“
Allein in dieser ersten Veröffentlichung umfassten die Beobachtungen dieser Galaxien 35 Terabyte an Daten, die innerhalb einer Woche gesammelt wurden.
„Um Ihnen ein Gefühl dafür zu geben, wie viel 35 Terabyte Daten sind: Das entspricht 200 Tagen Video-Streaming in höchster Qualität“, sagte Pettorino am Montag. „Wenn Sie 200 Tage lang fernsehen – in HDR, 4K und mit 60 Bildern pro Sekunde – dann wären das etwa 35 Terabyte.“
Der ESA-Projektwissenschaftler fügte hinzu, dass Euclid im nächsten Jahr die Beobachtungen des ersten Jahres veröffentlichen wird. Diese Datenmenge wird 2 Petabyte betragen, was dem Streamen von 31 Jahren 4K-Fernsehen entspricht, so Pettorino weiter. Er riet jedoch davon ab, sich auf ein solches Marathon-Schauen einzulassen.
Das beeindruckende Nahaufnahme-Bild des Euclid Deep Field South unten zeigt verschiedene Galaxienhaufen und das Licht zwischen diesen Galaxien, das sogenannte „Intracluster-Licht“. Das Bild stellt eine 70-fache Vergrößerung des ursprünglichen Mosaiks dar und verdeutlicht, warum so viele Daten in diesen Euclid-Bildern verarbeitet werden.
Eine Vielzahl von Galaxien, wie sie in einem neuen Bild des Euclid-Weltraumteleskops zu sehen sind (Bildnachweis: ESA/Euclid/Euclid-Konsortium/NASA, Bildbearbeitung von J.-C. Cuillandre, E. Bertin, G. Anselmi).
Mike Walmsley von der University of Toronto, Mitglied des Euclid-Konsortiums, erklärte, dass kein Mensch in der Lage wäre, all diese Daten zu analysieren. Daher setzen Wissenschaftler künstliche Intelligenz (KI) ein, um diese Daten zu verarbeiten und zunächst zu filtern. Die KI identifiziert Galaxien, die für weitere Untersuchungen ausgewählt werden.
Die vom KI ausgewählten Galaxien werden anschließend an Bürgerwissenschaftler weitergeleitet. Diese analysieren dann verschiedene Aspekte der Galaxien, wie ihre Form und Helligkeit sowie spezifische Merkmale, beispielsweise Spiralarme, zentrale Balken oder Gezeitenschweife. Letztere deuten oft auf verschmelzende Galaxien hin.
„Wir stehen an einem entscheidenden Punkt, wenn es darum geht, wie wir groß angelegte astronomische Untersuchungen angehen. KI ist ein grundlegender und notwendiger Bestandteil unseres Prozesses, um Euclids riesige Datensätze voll auszuschöpfen“, fügte Walmsley hinzu. „Wir entwickeln die Werkzeuge und liefern gleichzeitig die Messungen. Auf diese Weise können wir in wenigen Wochen Spitzenforschung liefern, verglichen mit dem jahrelangen Prozess, der früher für die Analyse solcher großen Untersuchungen nötig war.“
Das Euclid-Konsortium wird jede erdenkliche Unterstützung benötigen. Die bisher veröffentlichten Galaxienbilder machen lediglich 0,4 % der Gesamtzahl an Galaxien mit ähnlicher Auflösung aus, die im Laufe der Euclid-Mission erfasst werden sollen.
„Wir betrachten Galaxien von innen nach außen – wie ihre inneren Strukturen ihre Entwicklung bestimmen und wie die äußere Umgebung ihre Veränderung im Laufe der Zeit prägt“, fügte Laigle hinzu. „Euclid ist eine wahre Fundgrube an Daten, und seine Auswirkungen werden weitreichend sein, von der Galaxienentwicklung bis hin zu den größeren kosmologischen Zielen der Mission.“
Einer der spannendsten Aspekte dieser ersten Euclid-Datenveröffentlichung ist die Enthüllung außergewöhnlicher Phänomene in der Raumzeit, sogenannte „Gravitationslinsen“. Diese Verzerrungen entfernter Objekte treten auf, wenn Licht von einem Hintergrundobjekt an einem massereichen Objekt vorbeizieht, wie einer Galaxie oder einem Galaxienhaufen, das sich zwischen dem Objekt und der Erde befindet.
Da Objekte mit Masse das Gefüge von Raum und Zeit krümmen (das ist die allgemeine Relativitätstheorie, Leute), wird auch Licht, das an diesen dazwischenliegenden Objekten vorbeizieht, abgelenkt. Je näher das Licht an einem massereichen Körper, der als Gravitationslinse wirkt, vorbeiläuft, desto stärker ist seine Krümmung.
Das bedeutet, dass Licht von demselben Hintergrundobjekt die Erde (oder Euclid) zu unterschiedlichen Zeiten erreichen kann. Dies kann entweder diese Hintergrundobjekte verstärken – daher der Begriff „Linseneffekt“ – oder dazu führen, dass dasselbe Hintergrundobjekt verzerrt erscheint, wie Kaugummi gestreckt oder an mehreren Stellen im selben Bild auftaucht. Dabei entstehen Muster wie Bögen oder Kreise, die als „Einsteinringe“ bezeichnet werden.
Eine Vielzahl von Galaxien, wie sie in einem neuen Bild des Euclid-Weltraumteleskops zu sehen sind (Bildnachweis: ESA/Euclid/Euclid-Konsortium/NASA, Bildbearbeitung von J.-C. Cuillandre, E. Bertin, G. Anselmi).
Euclid hatte bereits einen beeindruckenden Einstein-Ring entdeckt, der bereits im Februar dieses Jahres der Öffentlichkeit präsentiert wurde. Doch nach der Analyse der Daten dieser Woche haben KI und Bürgerwissenschaftler weitere 500 Beispiele von Gravitationslinsen gefunden, die das Licht einer weit entfernten Hintergrundgalaxie verstärken. Solche Linsen sind selten, da sowohl die Hintergrundgalaxie als auch die linsenförmige Galaxie von der Erde aus perfekt ausgerichtet sein müssen, damit dieser Effekt funktioniert.
Fast alle dieser neuen Gravitationslinsen-Anordnungen von Euclid waren zuvor unbekannt.
Bislang wurden die allermeisten Linsen von erdgebundenen Teleskopen entdeckt. Der Grund dafür ist, dass Linsen so selten sind, dass man riesige Himmelsbereiche durchsuchen muss, um sie zu finden. Bisher gab es einfach kein Weltraumteleskop mit der nötigen Fläche, Auflösung und Empfindlichkeit, um dies zu erreichen“, erklärte Walmsley. „Euclid ist das erste Weltraumteleskop, das eine große Anzahl von Linsen aus dem All entdecken kann.“
Eine Vielzahl von Galaxien, wie sie in einem neuen Bild des Euclid-Weltraumteleskops zu sehen sind (Bildnachweis: ESA/Euclid/Euclid-Konsortium/NASA, Bildbearbeitung von J.-C. Cuillandre, E. Bertin, G. Anselmi).
Bis zur Veröffentlichung im nächsten Jahr wird Euclid voraussichtlich bereits 7.000 Kandidaten für Gravitationslinsen entdeckt haben. Bis zum Ende der Mission im Jahr 2030 rechnet das Euclid-Konsortium damit, dass das Raumschiff, das als Detektiv für das dunkle Universum fungiert, etwa 100.000 Galaxie-Galaxie-Starklinsen aufgespürt haben wird. Das entspricht etwa dem Hundertfachen der derzeit bekannten starken Gravitationslinsen.
Euclid wird auch nach schwach verzerrten Hintergrundgalaxien suchen, deren Verformungen subtiler sind. Diese Verzerrungen sind zu gering, um in einzelnen Galaxien erkennbar zu sein, können jedoch bei der Betrachtung großer Stichproben von Hintergrundquellen nachgewiesen werden. Die schwache Gravitationslinsenwirkung ist entscheidend, um die Krümmung der Raumzeit durch die Verteilung unsichtbarer dunkler Materie in den Linsengalaxien zu untersuchen.
„Das ist nur ein kleiner Vorgeschmack auf das, was noch kommt, aber ‚klein‘ ist hier nicht das richtige Wort“, schloss Mundell. „Wissenschaftler haben in den nächsten sechs Jahren noch viel Arbeit vor sich, aber es wird phänomenal spannend und äußerst interessant werden – bahnbrechende Arbeit.“
Die drei Deep-Field-Vorschauen von Euclid können nun in ESASky erkundet werden. Hier finden Sie das Euclid Deep Field South, das Euclid Deep Field Fornax und das Euclid Deep Field North.
Die 36 wissenschaftlichen Arbeiten, die aus den ersten Daten von Euclid hervorgegangen sind, sind hier verfügbar.
Und wenn Sie Lust haben, sich den 9976 Bürgerwissenschaftlern von GalaxyZoo anzuschließen, die dabei geholfen haben, die Galaxien in Euclids ersten Deep-Field-Bildern zu klassifizieren, dann werfen Sie doch einen Blick auf die Zooiverse-Website des Projekts.
