Schlagwort: Universum

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Das Hubble Extreme Deep Field

Das Bild zeigt zahllose sehr alte Galaxien im Sternbild Chemischer Ofen, die kurz nach der dunklen Phase des Universums entstanden sind. Sie liegen im Hubble Deep Field, das durch Folgebeobachtungen immer weiter verbessert wird.

Bildcredit: NASA, ESA, G. Illingworth, D. Magee und P. Oesch (UCSC), R. Bouwens (Leiden Obs.) und das XDF-Team

Wie sahen die ersten Galaxien aus? Um diese Frage besser zu beantworten, vollendete das Weltraumteleskop Hubble soeben das eXtreme Deep Field (XDF). Es ist das detailreichste Bild des Universums, das je im sichtbaren Licht aufgenommen wurde.

Das XDF zeigt eine Auswahl der ältesten Galaxien. Sie entstanden vor 13 Milliarden Jahren kurz nach dem dunklen Zeitalter, als das Universum nur wenige Prozent seines jetzigen Alters hatte. Die Kamera ACS und der Infrarotkanal der Kamera WFPC3 des Weltraumteleskops Hubble nahmen das Bild auf.

In einem Zeitraum von 10 Jahren wurde das XDF von einer Arbeitsgemeinschaft erstellt. In einigen Farben ist es genauer als das ursprüngliche Hubble Deep Field (HDF) oder das 2004 fertiggestellte Hubble Ultra Deep Field (HUDF) sowie das Infrarot-HUDF, das 2009 vollendet wurde. Weltweit werden Forschende das XDF voraussichtlich jahrelang untersuchen, um besser zu verstehen, wie Sterne und Galaxien im frühen Universum entstanden sind.

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Flug durch das Universum

Videocredit: M. A. Aragón (JHU), M. SubbaRao (Adler), A. Szalay (JHU), Y. Yao (LBN, NERSC) und die SDSS-III-Arbeitsgemeinschaft

Wie ist es, wenn man durchs Universum fliegt? Dieses simulierte Video veranschaulicht das vielleicht am besten. Es wurde aus kürzlich veröffentlichten Galaxiendaten der Sloan Digital Sky Survey SDSS erstellt.

Jeder Punkt im Video ist eine Galaxie und enthält Milliarden Sterne. Viele Galaxien gehören zu riesigen Haufen, langen Filamenten oder kleinen Gruppen. Dazwischen gibt es auch weite Lücken mit wenigen Galaxien.

Der Film beginnt mit einem Flug mitten durch einen großen, nahen Galaxienhaufen. Später kreist er um das Universum, das mit der SDSS aufgenommen wurde. Die Entfernung von der Erde beträgt etwa 2 Milliarden Lichtjahre, das entspricht einer Rotverschiebung von etwa 0,15.

Analysen der Positionen und Bewegungen der Galaxien stützen die Annahme, dass unser Universum nicht nur helle, sichtbare Materie enthält, zum Beispiel Galaxien etwa, sondern auch einen großen Anteil an unsichtbarer Dunkler Materie und Dunkler Energie.

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Simulation: eine Scheibengalaxie entsteht

Videocredit: Fabio Governato et al. (U. Washington), N-Body Shop, NASA Advanced Supercomputing

Wie entstehen Galaxien wie unsere Milchstraße? Da sich unser Universum für eine direkte Beobachtung der Galaxienentstehung zu langsam bewegt, wurden schnellere Computersimulationen entworfen, um das herauszufinden. Dieser Film zeigt (vorwiegend) Wasserstoff in Grün. Rechts unten läuft die Zeit in Milliarden Jahren seit dem Urknall. Dunkle Materie durchdringt alles und ist überall vorhanden, wird aber nicht gezeigt.

Zu Beginn der Simulation fällt Gas aus der Umgebung ein und sammelt sich in Regionen mit relativ hoher Gravitation. Bald entstehen zahlreiche Protogalaxien. Sie rotieren und beginnen zu verschmelzen. Nach etwa vier Milliarden Jahren entsteht ein klar definiertes Zentrum. Es bestimmt eine Region mit einem Durchmesser von etwa 100.000 Lichtjahren und sieht nach und nach wie eine heutige Scheibengalaxie aus.

Doch nach ein paar weiteren Milliarden Jahren kollidiert diese frühe Galaxie mit einer anderen. Gasströme von anderen Galaxienverschmelzungen regnen auf diesen seltsamen, faszinierenden kosmischen Tanz herab. Als die Simulation das halbe Alter des heutigen Universums erreicht, entsteht eine einzelne, größere Scheibe. Selbst dann fallen noch Gasklumpen hinein. Manche davon sind kleine Begleitgalaxien. Sie fallen hinein und werden in der gegenwärtigen Epoche von der rotierenden Galaxie absorbiert. Damit endet der Film.

Für unsere Milchstraße sind die großen Verschmelzungen vielleicht noch nicht vorbei. Es gibt aktuelle Hinweise, dass unsere riesige Spiralgalaxienscheibe in wenigen Milliarden Jahren mit der etwas kleineren Andromeda-Spiralgalaxie kollidiert und verschmilzt.

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Die Größenordnung des Universums – interaktiv!

Credit und Rechte der Flash-Animation: Cary und Michael Huang

Wie sieht das Universum auf einer kleinen Skala aus? Oder im großen Maßstab? Die Menschheit entdeckt, dass das Universum in jeder Größenordnung, die erforscht wird, ein ganz anderer Ort ist. Zum Beispiel ist unseres Wissens jedes winzige Proton exakt gleich, doch jede riesige Galaxie ist anders. Oder – in vertrauteren Größenordnungen – eine für einen Menschen kleine Glastischoberfläche ist für eine Staubmilbe eine gewaltige, seltsam glatte Ebene, die möglicherweise von Zellbrocken übersät ist.

Nicht alle Skalenlängen sind gut erforscht. Was zum Beispiel mit den winzigen Tröpfchen geschieht, die beim Niesen ausgeworfen werden, wird noch erforscht. Das Wissen darüber kann nützlich sein, um die Ausbreitung von Krankheiten zu stoppen.

Diese interaktive Animation ist eine aktuelle Version des klassischen Videos Zehn hoch. Es bietet ein neues Fenster zu vielen bekannten Größenordnungen unseres Universums. Wenn ihr den Balken am unteren Rand schiebt, seht ihr eine Vielfalt an Größenordnungen. Ein Klick auf einzelne Objekte liefert Informationen darüber.

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Nobelpreis für ein seltsames Universum

In der Mitte leuchtet ein helles Galaxienzentrum, das von viel Staub umgeben ist. Wir sehen die Galaxie schräg von der Seite. Vorne verläuft ein breiter Staubwulst, der die Galaxie vorne verdeckt.

Credit: High-Z Supernova Search Team, HST, NASA

Vor dreizehn Jahren wurden erstmals Ergebnisse präsentiert, die zeigen, dass die meiste Energie in unserem Universum nicht in Sternen oder Galaxien steckt. Stattdessen ist sie an den Raum selbst gebunden. In der Kosmologie heißt das: Die Beobachtungen ferner Supernovae lassen auf eine große kosmologische Konstante schließen.

Vorschläge einer kosmologischen Konstante (Lambda) sind nicht neu. Es gibt sie seit Beginn der modernen relativistischen Kosmologie. Diese Vorschläge waren jedoch unter Astronomen* meist nicht sehr beliebt: Lambda ist den bekannten Komponenten des Universums sehr unähnlich, Lambdas Wert schien durch andere Beobachtungen begrenzt und schließlich konnten schon vorher Kosmologien, die weniger seltsam waren, die beobachteten Daten auch ohne Lambda gut erklären.

Interessant ist dabei die anscheinend direkte und zuverlässige Methode der Beobachtungen sowie der gute Ruf der Forschenden, welche die Untersuchungen leiteten. Im Lauf der letzten dreizehn Jahre sammelten unabhängige Gruppen von Astronominnen* weiterhin Daten, welche die Existenz Dunkler Energie und das verwirrende Ergebnis einer derzeit beschleunigten Expansion des Universums anscheinend bestätigten.

Dieses Jahr wurden die Leiter dieser Gruppen für ihre Arbeit mit dem Physiknobelpreis ausgezeichnet. Eine dieser Gruppen nahm dieses Bild der Supernova SN 1994D auf, die 1994 am äußeren Rand der Spiralgalaxie NGC 4526 beobachtet wurde.

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Film mit Dunkler Materie aus der Bolshoi-Simulation

Video-Credit: A. Klypin (NMSU), J. Primack (UCSC) et al., Chris Henze (NASA Ames), Pleiaden-Supercomputer der NASA; Musik (© 2002): Her Knees Deep in Your Mind von Ray Lynch

Stellt euch vor, ihr könnt durch das Universum fliegen und Dunkle Materie sehen! An der Technologie für so einen Flug wird noch gearbeitet. Doch der Technik gelang mit Abschluss der Bolshoi-Kosmologie-Simulation ein großer Schritt bei der Visualisierung so eines Flugs. Nach 6 Millionen CPU-Stunden warf der siebtschnellste Supercomputer der Welt viele wissenschaftliche Neuheiten aus. Eine davon war diese Flugsimulation.

Am Beginn stand eine relativ gleichmäßige Verteilung der Dunklen Materie im frühen Universum. Diese sieht man am Mikrowellenhintergrund und anderen großen Datensätzen des Himmels. Die Bolshoi-Simulation folgte mit dem kosmologischen Standardmodell der Entwicklung des Universums bis zur Jetztzeit. Die Simulation seht ihr oben.

Die hellen Punkte im Video sind Knoten aus eigentlich unsichtbarer Dunkler Materie. Viele Knoten enthalten normale Galaxien. Markant sind lange Fasern und Galaxienhaufen. Sie werden von der Gravitation der Dunklen Materie bestimmt. Statistische Vergleiche zwischen Bolshoi und Himmelskarten von Galaxien zeigen eine hohe Übereinstimmung.

Die Bolshoi-Simulation stützt zwar das Vorhandensein Dunkler Materie. Doch viele Fragen zum Universum bleiben offen: Wie ist Dunkle Materie zusammengesetzt? Was ist die Natur der Dunklen Energie? Wie entstanden die ersten Sterngenerationen und Galaxien?

Astrophysik: Sucht in der Astrophysics Source Code Library
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VAR!

Links ist die Andromedagalaxie abgebildet, ein Bildausschnitt aus der Mitte ist rechts unten vergrößert schwarzweiß dargestellt. Rechts oben ist ein Sternfeld mit einem eingekreisten Stern.

Credit: E. Hubble, NASA, ESA, R. Gendler, Z. Levay und das Hubble-Vermächtnisteam

Beschreibung: Als Edwin Hubble in den 1920er-Jahren Fotoplatten des 100-Zoll-Teleskops vom Mount-Wilson-Observatorium untersuchte, bestimmte er die Entfernung des Andromedanebels. Damit wies er eindeutig die Existenz von Galaxien außerhalb der Milchstraße nach.

Der Einschub rechts unten zeigt seine Anmerkung auf der historischen Platte. Die Abbildung wurde mit erdgebundenen Aufnahmen der Region und Bildern des Weltraumteleskops Hubble ergänzt. Diese Ergänzungen entstanden fast 90 Jahre später.

Hubble verglich verschiedene Platten und suchte dabei nach Novae. Eine Nova ist ein Stern, bei dem die Helligkeit plötzlich ansteigt. Hubble fand mehrere Novae auf dieser Platte und markierte sie mit „N“.

Als Hubble später entdeckte, dass ein Stern in der rechten oberen Ecke (er ist mit Linien markiert) in Wirklichkeit ein veränderlicher Stern aus der Klasse der Cepheiden war, strich er das „N“ durch und notierte „VAR!“. Cepheiden sind regelmäßig pulsierende Sterne.

Dank der Arbeit der Harvard-Astronomin Henrietta Swan-Leavitt dienen Cepheiden heute als Standardkerzen zur Entfernungsbestimmung im Universum. Als Hubble so einen Stern erkannte, konnte er zeigen, dass Andromeda kein kleiner Haufen aus Sternen und Gas in unserer Milchstraße ist, sondern eine riesige, eigenständige Galaxie, die beträchtlich von der Milchstraße entfernt ist.

Hubbles Entdeckung begründete unsere Vorstellung eines mit Galaxien gefüllten Universums.

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Das nahe Universum

Die Karte der 2MASS-Durchmusterung der Rotverschiebung zeigt den ganzen Himmel. Waagrecht auf der ovalen Karte verläuft die Milchstraße, am Rand sind viele bekannte Objekte gelistet und mit Pfeilen auf der Karte markiert.

Credit: 2MASS, T. H. Jarrett, J. Carpenter und R. Hurt

Beschreibung: Wie sieht das Universum in unserer Umgebung aus? Diese Karte zeigt fast 50.000 Galaxien im nahe gelegenen Universum, die mit der Zwei-Mikron-Ganzhimmelsdurchmusterung (2MASS) im Infrarotlicht entdeckt wurden. Das Ergebnis ist eine unglaubliche Tapisserie aus Galaxien. Sie zeigt die Grenzen, innerhalb derer das Universum entstand und entwickelte.

Das dunkle waagrechte Band in der Bildmitte entsteht durch den Staub in der Ebene unserer Milchstraße. Jeder Punkt, der etwas von der galaktischen Ebene entfernt ist, zeigt jedoch eine Galaxie, deren Farbe die Entfernung zeigt. Blauere Punkte stehen für näher gelegene Galaxien in der 2MASS-Durchmusterung, rötlichere Punkte zeigen die weiter entfernten Galaxien, sie weisen eine Rotverschiebung von etwa 0,1 auf.

Am Rand sind Strukturen mit Namen beschriftet. Viele Galaxien sind durch Gravitation aneinander gebunden und bilden Haufen. Diese Haufen bilden ihrerseits lose Superhaufen. Diese wiederum sind manchmal von sogar noch größeren Strukturen überlagert.

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