Herschel und Planck finden entscheidenden Hinweis auf die Entstehung von Galaxiehaufen

Galaxien wie unsere Milchstraße mit ihren 100 Milliarden Sternen kommen für gewöhnlich nicht einzeln und abgeschieden vor. Stattdessen formieren sie sich im heutigen Universum – 13,8 Milliarden Jahre nach dem Urknall – meist in dichten Haufen von zehn, Hunderten oder sogar Tausenden Galaxien.

Diese Galaxienhaufen hat es jedoch nicht immer gegeben. Daher lautet eine der grundlegendsten Fragen der modernen Kosmologie: Wie haben sich diese riesigen Strukturen im früheren Universum geformt?

Die genaue Bestimmung, wann und wie sie entstanden, soll Aufschluss darüber geben, wie der Entwicklungsprozess von Galaxienhaufen vonstatten geht. Dazu zählt auch die Rolle, die dunkle Materie bei der Formation dieser kosmischen Massenversammlungen gespielt hat.

Anhand der zusammengefassten Beobachtungsdaten von Herschel und Planck haben Astronomen nun Objekte im fernen Universum entdeckt, die bereits existiert haben, als es gerade einmal drei Milliarden Jahre alt war. Damit könnten diese Objekte die Vorgänger der heute sichtbaren Galaxienhaufen sein.

Das Hauptziel der Planck-Mission war es, die bislang detaillierteste Aufnahme der kosmischen Mikrowellenhintergrundstrahlung (CMB, Cosmic Microwave Background) – einem Relikt aus der Zeit des Urknalls – zu liefern. Dazu beobachtete das Weltraumteleskop den gesamten Himmel auf neun verschiedenen Wellenlängen, vom Fern-Infrarot- bis zum Funkbereich, um vordergründige Strahlungen von unserer und anderen Galaxien abzuspalten.

In anderen Bereichen der Astronomie können diese vordergründigen Strahlungen hingegen von Nutzen sein. So konnten Wissenschaftler zum Beispiel anhand der Planck-Kurzwellendaten 234 helle Lichtquellen identifizieren, deren Eigenschaften auf ihre Existenz im fernen, früheren Universum schließen ließen.

Anschließend führte Herschel Beobachtungen dieser Objekte im Fern-Infrarot- und im Sub-Millimeter-Bereich mit weitaus höherer Sensitivität und Winkelauflösung durch.

Diese Beobachtungen von Herschel führten zu der Erkenntnis, dass die große Mehrheit der von Planck entdeckten Quellen mit dichten Galaxienansammlungen im frühen Universum übereinstimmen und eine enorme Geburtsrate neuer Sterne verzeichnen.

Die Geschichte des Universums

In jeder dieser Galaxien konnte die Umwandlung von Gas und Staub in Sterne beobachtet werden – bei einer jährlichen Produktion neuer Sterne mit einer Gesamtmasse von mehreren 100 bis 1.500 Sonnenmassen. Im Vergleich dazu gebiert unsere Milchstraße nur rund eine Sonnenmasse an Sternen pro Jahr.

Zwar konnten die Astronomen bislang noch keine endgültigen Angaben zu Alter und Lichtstärke vieler dieser neu entdeckten fernen Galaxienhaufen machen, allerdings steht bereits fest, dass sie die bisher vielversprechendsten Kandidaten für sogenannte „Protohaufen“ darstellen – die Vorgänger der großen, ausgereiften Galaxienhaufen unseres heutigen Universums.

„Frühere Beobachtungsdaten von Herschel und anderen Weltraumteleskopen lieferten zwar schon früher Hinweise auf diese Objekte, doch dank der umfassenden Himmelsbeobachtungen von Planck war es uns möglich, noch viele mehr zu entdecken und zu erforschen“, sagt Hervé Dole vom Institut d’Astrophysique Spatiale in Orsay, leitender Wissenschaftler der aktuell im Astronomy & Astrophysics veröffentlichten Analysen.

„Es gibt noch Vieles, das wir über diese neue Population herausfinden müssen. Dazu bedarf es weiterer Studien und Beobachtungen. Wir sind jedoch schon jetzt davon überzeugt, dass sie der fehlende Schlüssel zur Entstehung kosmologischer Strukturen sind.“

 „Aktuell arbeiten wir an einer umfassenden Katalogisierung aller möglichen von Planck entdeckten Protocluster. Das sollte uns dabei helfen, viele weitere dieser Objekte zu identifizieren“, fügt Ludovic Montier hinzu, CNRS-Forscher am Institut de Recherche en Astrophysique et Planétologie, Toulouse, und führender Wissenschaftler des Planck-Kataloges von Kandidaten mit hohen Rotverschiebungen, welcher der Branche in Kürze zur Verfügung gestellt werden soll.

„Dieses fantastische Ergebnis haben wir der vereinten Leistung von Herschel und Planck zu verdanken. Anhand der Planck-Beobachtungsdaten des gesamten Himmels konnten seltene Objekte identifiziert werden, die Herschel anschließend detaillierter untersuchte“, sagt Göran Pilbratt, verantwortlicher ESA-Wissenschaftler für die Herschel-Mission.

„Die Beobachtungsmissionen beider Weltraumteleskope sind seit 2013 abgeschlossen, doch ihre immensen Datenmengen werden uns noch viele weitere Jahre neue Einblicke in die zahlreichen Geheimnisse des Kosmos gewähren.“

Hinweise für Redakteure

 „High-redshift infrared galaxy overdensity candidates and lensed sources discovered by Planck and confirmed by Herschel-SPIRE, “ wurde verfasst von der Planck Collaboration.

Planck stellte Himmelsbeobachtungen auf neun Frequenzen an, von 30 GHz bis 857 GHz. Die Planck-Frequenzen zur Erkennung der potenziellen Protocluster der vorliegenden Studie lagen bei 857 GHz, 545 GHz und 353 GHz. Die darauf folgenden Beobachtungen des Herschel-Instruments SPIRE erfolgten bei 250, 350 und 500 Mikrometern. Die 350- und 500-Mikrometer-Bandbreiten des SPIRE-Instruments überschneiden sich mit dem High Frequency Instrument (HFI) von Planck bei 857 GHz und 545 GHz.

Der Planck Scientific Collaboration gehören sämtliche Wissenschaftler an, die zu der Entwicklung der Mission beigetragen haben und die während der proprietären Phase an der wissenschaftlichen Auswertung der Daten beteiligt waren. Diese Wissenschaftler sind Mitglieder eines oder mehrerer Konsortien: dem LFI-Konsortium, dem HFI-Konsortium, dem DK-Planck-Konsortium sowie dem Planck-Wissenschaftsbüro der ESA. Die zwei europäisch geleiteten Verarbeitungszentren für Planck-Daten befinden sich in Paris, Frankreich, und in Trieste, Italien. Das LFI-Konsortium steht unter der Leitung von N. Mandolesi, ASI, Italien, (stellvertretender Projektleiter: M. Bersanelli, Universita’ degli Studi di Milano, Italien) und trug Verantwortung für die Entwicklung und den Betrieb des LFI. Das HFI-Konsortium steht unter der Leitung von J.L. Puget, Institut d’Astrophysique Spatiale in Orsay, Frankreich, (stellvertretender Projektleiter: F. Bouchet, Institut d’Astrophysique de Paris, Frankreich) und trug Verantwortung für die Entwicklung und den Betrieb des HFI.