Das aus sichtbarem Licht und Röntgenstrahlen zusammengesetzte Bild des Galaxienhaufens Abell 2390 zeigt die riesige Ausdehnung des heißen, Röntgenstrahlen emittierenden Gases innerhalb des Haufens (Bildnachweis: ESA/XMM-Newton/Euclid/Euclid Consortium/NASA)
Durch die Kombination eines neuen Bildes eines riesigen Galaxienhaufens mit älteren Röntgendaten haben Wissenschaftler der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) gezeigt, wie die Galaxien des Haufens von riesigen Gasmengen durchdrungen sind, die sengende Temperaturen von bis zu 100 Millionen Grad Celsius (180 Millionen Grad Fahrenheit) erreichen können.
Der Galaxienhaufen Abell 2390 wurde vor kurzem von der ESA-Mission Euclid aufgenommen, deren Ziel es ist, dunkle Materie und dunkle Energie durch die Untersuchung von Gravitationslinsen in Galaxienhaufen zu untersuchen. Da diese Galaxienhaufen so viel Masse enthalten – bis zu zehn Billionen Sonnenmassen – sind sie in der Lage, das Gefüge der Raumzeit um sie herum zu krümmen und so zu verzerren, dass das Licht von entfernten Galaxien im Hintergrund stark vergrößert wird. Es ist, als würde man sie durch eine gigantische Vergrößerungslinse betrachten. Wenn wir den Kern von Abell 2390 heranzoomen, sehen wir, dass der Linseneffekt am stärksten ausgeprägt ist und das Licht anderer Galaxien, die Milliarden von Lichtjahren weiter entfernt sind, dehnt, verzerrt und verstärkt.
Der größte Teil der Masse eines Galaxienhaufens befindet sich jedoch nicht in seinen Galaxien. Tatsächlich tragen sie kaum 5 % zur Gesamtmasse des Haufens bei. Den größten Beitrag leisten das heiße Gas zwischen den Galaxien im Haufen, das etwa 15 % der Masse des Haufens ausmacht, und die unsichtbare dunkle Materie, die satte 80 % der Masse von Abell 2390 ausmacht.
Das Vorhandensein dunkler Materie können wir zwar aus dem Ausmaß der Gravitationslinsen ableiten, aber wir können sie nicht sehen. Wir können jedoch das Gas im Sternhaufen sehen, und zwar dank der Röntgendurchsicht der ESA-Mission XMM-Newton, die dieses Gas in Abell 2390 bereits im Jahr 2001 entdeckt hat.
In dieser neuen zusammengesetzten Ansicht sehen wir Euclids Bild von Abell 2390, das 2,7 Milliarden Lichtjahre von uns entfernt in Richtung des Sternbilds Pegasus, dem geflügelten Pferd, liegt. Das Bild von Euclid ist unglaublich: Es ist ein sehr weites Bild, das Sichtfeld des Teleskops mit einer Öffnung von 1,2 Metern umfasst 1,25 mal 0,73 Quadratgrad. Das Bild umfasst etwa 50.000 Galaxien, von denen sich viele nicht in Abell 2390 befinden, das im Zentrum des Bildes zu sehen ist und selbst Tausende von Galaxien enthält. Die am weitesten entfernten Hintergrundgalaxien, die weit über Abell 2390 hinausgehen, erscheinen rot, weil ihr Licht aufgrund der Expansion des Universums rotverschoben ist. Eine Handvoll Vordergrundsterne ist ebenfalls zu sehen, die sich durch ihre sechszackigen Beugungsspitzen auszeichnen.
Euclid’s sichtbares Lichtbild von Abell 2390 (Mitte) mit 50.000 anderen Galaxien im Sichtfeld. (Bildnachweis: ESA/XMM-Newton/Euclid/Euclid Consortium/NASA)
Über der Ansicht von Euclid im sichtbaren Licht ist die von XMM-Newton entdeckte Röntgenemission des Haufens eingezeichnet. Diese wird von ionisiertem Wasserstoffgas mit einer Temperatur zwischen 10 Millionen und 100 Millionen Grad Celsius erzeugt (18 Millionen bis 180 Millionen Grad Fahrenheit). Bei solchen Temperaturen strahlt das Gas nur im Röntgenbereich, so dass das blaue Leuchten, das wir hier sehen, eine falsche Farbdarstellung des Röntgensignals ist. Die Röntgenstrahlung ist im Zentrum des Haufens am hellsten, wo das Gas innerhalb des Haufens am heißesten und am stärksten konzentriert ist.
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Im Herzen von Abell 2390, inmitten dieses glühend heißen Gases, befindet sich die so genannte hellste Haufengalaxie (BCG). Jeder große Galaxienhaufen hat eine solche Galaxie – im nahen Virgo-Haufen ist die BCG Messier 87. Mit anderen Worten: Die BCG ist eine riesige elliptische Galaxie mit einem aktiven supermassiven Schwarzen Loch in ihrem Kern, dessen Rückkopplung – in Form von Strahlungsausströmungen – das Gas innerhalb des Haufens aufheizen und sogar die Sternentstehung in den anderen Galaxien des Haufens verhindern kann.
In den Anfang dieses Jahres veröffentlichten Ergebnissen von Beobachtungen des BCG von Abell 2390 mit dem Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) in Chile wurde eine gigantische Wolke mit mehr als 10 Milliarden Sonnenmassen an molekularem Gas entdeckt, die sich fast 50.000 Lichtjahre vom BCG entfernt erstreckt. Die Wissenschaftler glauben, dass die Gaswolke möglicherweise das Ergebnis einer Gravitationsstörung ist, die entweder von einer anderen Galaxie herrührt, die in der dicht gedrängten Umgebung von Abell 2390 an der BCG vorbeizieht oder sogar mit ihr verschmilzt. Die durch ein solches Ereignis verursachte Störung könnte ausreichen, um den BCG und den ihn umgebenden Halo aus dunkler Materie vom Gas innerhalb des Haufens zu entkoppeln oder zu trennen und eine Spur aus molekularem Gas zu hinterlassen, wie sie ALMA in der Wolke gefunden hat.
Eine vergrößerte Ansicht von Abell 2390, die die (vergrößerte) Ansicht des Sternenlichts von Milliarden von Schurkensternen in dem Galaxienhaufen zeigt. (Bildnachweis: ESA/Euclid/Euclid Consortium/NASA/J.-C. Cuillandre (CEA Paris-Saclay)/G. Anselmi).
Inzwischen hat das Low Frequency Array (LOFAR) in Europa bei Radiowellenlängen verschiedene Keulen von radioemittierenden Teilchen um das BCG von Abell 2390 gefunden. Diese Keulen wurden von einem intermittierenden, aber starken Jet erzeugt, der von dem aktiven Schwarzen Loch im Zentrum des BCG ausgeht. Die Lappen sind unterschiedlich alt und zeigen in verschiedene Richtungen, was darauf hindeutet, dass der Jet – und damit die Ausrichtung des Schwarzen Lochs und der es umgebenden Akkretionsscheibe aus Gas, die den Jet speist – eine Präzession durchläuft. Mit anderen Worten: Der Jet bewegt sich regelmäßig und zieht einen Kreis um die Rotationsachse des Schwarzen Lochs.
Die Jets können das umgebende Medium innerhalb des Haufens aufheizen, aber derzeit scheinen sie sich in einer Ruhephase zu befinden, und das heiße, Röntgenstrahlen emittierende Gas kühlt langsam ab und fällt auf die BCG und andere Galaxien im Haufen zurück, wo das abkühlende Gas möglicherweise neue Sterne bilden könnte.
Eine neue Innovation von Euclid ist die Möglichkeit, das schwache Sternenglühen von Milliarden von Sternen zu erkennen, die durch die Gravitationskräfte in der turbulenten Umgebung des Haufens aus ihren Galaxien gerissen wurden. Einzeln sind die Sterne viel zu schwach, um in so großen Entfernungen beobachtet zu werden, aber gemeinsam tragen sie zu einem unheimlichen Leuchten bei, das im Euclid-Bild noch verstärkt wurde. Indem die Astronomen verfolgen, wo sich diese intergalaktischen Einzelsterne versammeln und von der Schwerkraft angezogen werden, können sie herausfinden, wo die dunkle Materie in Abell 2390 liegt.
Die ersten Bilder von Euclid vom Universum, darunter eines von Abell 2390, wurden im Mai veröffentlicht. Die im Juli 2023 gestartete Raumsonde ist nun auf einer sechsjährigen Mission unterwegs, um das dunkle Universum zu kartieren, indem sie Milliarden von Galaxien und Galaxienhaufen aus 10 Milliarden Jahren kosmischer Geschichte beobachtet.
