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Heißes Gas im frühen Galaxienhaufen entdeckt
Galaxienhaufen sind heute in Millionen Grad heißes Plasma eingebettet. Nun haben Astronomen mit Chandra ausgedehnte weiche Röntgenstrahlung um einen radioleisen Quasar im Protohaufen MQN01 nachgewiesen, dessen Licht aus einer Zeit rund 2,1 Milliarden Jahre nach dem Urknall stammt. Die Daten sprechen für eine frühe heiße Gasphase, aus der sich das Intracluster-Medium späterer Galaxienhaufen entwickeln könnte.
Mailand (Italien). Große Galaxienhaufen gehören zu den massereichsten Strukturen des heutigen Kosmos. Zwischen ihren Galaxien liegt das Intracluster-Medium, ein dünnes Plasma mit Temperaturen von mehreren zehn Millionen Kelvin, das vor allem im Röntgenbereich leuchtet. Wie und wann diese heißen Haufenatmosphären im jungen Universum entstanden, ist jedoch nur unzureichend beobachtet.
Besonders schwierig ist der Blick auf die Frühzeit der Haufenbildung, weil Astronomen bei hoher Rotverschiebung bisher vor allem kühleres Gas nachgewiesen haben, während die erwartete heiße Phase im Röntgenlicht sehr schwach erscheint. Hinzu kommt, dass aktive Schwarze Löcher ihre Umgebung so stark überstrahlen können, dass diffuse Emission kaum davon zu trennen ist.
Forscher der Università degli Studi di Milano-Bicocca (UniMiB) um Andrea Travascio haben nun den Protohaufen MQN01 bei einer Rotverschiebung von 3,25 untersucht. Im Zentrum dieser dichten Ansammlung junger Galaxien sitzt der hyperleuchtkräftige Quasar CTS G18.01, dessen Licht uns aus einer Epoche erreicht, in der das Universum erst gut zwei Milliarden Jahre alt war.
Grundlage der Analyse waren insgesamt 634.000 Sekunden Beobachtungszeit mit dem Röntgenteleskop Chandra, entsprechend rund 176 Stunden. Die Forscher modellierten dabei die Punktspreizfunktion des Teleskops, also sein Abbildungsverhalten für eine Punktquelle, besonders genau, um die dominante punktförmige Strahlung des Quasars von schwacher diffuser Emission in seiner Umgebung zu trennen.
Nach Abzug des Hintergrunds und des modellierten Quasarsignals blieben rund 66 Nettozählungen im Energiebereich von 0,5 bis 2 Kiloelektronenvolt. Die Emission reicht mindestens 30 Kiloparsec vom Quasar nach außen, was knapp 100.000 Lichtjahren entspricht. Morphologie und Spektrum sind nach der Analyse mit heißem, durch Teilchenkollisionen ionisiertem Plasma vereinbar.
Zu den Autoren gehört Prof. Sebastiano Cantalupo von der Università degli Studi di Milano-Bicocca (UniMiB). Er ordnet die große Entfernung des Systems als entscheidenden Punkt ein.
„Wir sehen einen der fernsten Nachweise ausgedehnter thermischer Röntgenstrahlung, die mit der Entstehung heißen Gases in dichten Regionen des Universums verbunden ist und sich wahrscheinlich zum heutigen Intracluster-Medium entwickeln wird“, sagt Prof. Sebastiano Cantalupo.
Die gemeinsame räumliche und spektrale Modellierung ergibt für das Gas eine Temperatur von etwa 1,8 Kiloelektronenvolt, entsprechend rund 20 Millionen Kelvin. Das zugehörige dunkle Materie und Gas umfassende Halo besitzt dem Modell zufolge eine Virialmasse von ungefähr 30 Billionen Sonnenmassen. Die errechnete heiße Gasmasse innerhalb des Virialradius liegt bei rund 2,6 Billionen Sonnenmassen.
Als mögliche Wärmequelle diskutieren die Autoren vor allem die Gravitation, denn einfallendes kühleres Gas könnte beim Eintritt in das tiefe Schwerefeld des wachsenden Halos durch Stoßwellen stark aufgeheizt werden. Die gemessenen beziehungsweise modellierten Drücke und Dichten liegen dabei deutlich über typischen Werten heutiger Galaxienhaufen.