Galaxienhaufen: Physik, Entwicklung und Kosmologie

Galaxienhaufen - die größten gebundenen Strukturen im Universum - und ihre Bestandteile offenbaren immer mehr interessante Prozesses und Eigenschaften. Besonders auf den Gebieten "Physikalische Prozesse in Galaxienhaufen", "Haufenentwicklung" und "Galaxienhaufen als kosmologische Werkzeuge" bestehen derzeit großen Forschungsaktivitäten. Während die kosmologische Forschungen mit Hilfe von Galaxienhaufen etwas zurückgehen, ist das Interesse an physikalischen Prozessen stärker denn je. Derzeit sind besonders Fragestellungen zu Wechselwirkungsprozessen, Anreicherung von schweren Elementen und nicht-thermische Prozessen in Diskussion. Daher werden in dem Projekt folgende vier Themenbereiche behandelt, deren Untersuchung jetzt durch die großen Teleskope in verschiedenen Wellenlängen ermöglicht wird: (1) Es wird die mysteriöse Dunkle Materie und Dunkle Energie, die mehr aus 90% des Universums ausmachen, mit Hilfe von Massenbestimmung und Gravitationslinseneffekt genau erforscht werden. (2) Die Galaxien in Haufen wechselwirken mit dem heißen Gas, das den Raum zwischen den Galaxien ausfüllt. Verschiedene Prozesse bewirken, dass mit schweren Elementen angereichertes Gas aus den Galaxien hinaustransportiert wird und sich mit dem heißen Haufengas mischt. Bis jetzt sind Effizienz und Zeitabhängigkeit der Prozesse noch unklar. (3) Da Galaxienhaufen noch im Entstehen begriffen sind, sind Verschmelzungen von kleinen Haufen zu größeren Einheiten häufige Phänomene. Das Verschmelzen von zwei Haufen hat Einfluß auf die Haufengalaxien, auf das Haufengas und es können auch Teilchen auf relativistische Energien beschleunigt werden. (4) Der Ausdruck "nicht-thermische Phänomene" umfasst alle Prozesse, die nicht mit der thermischen Emission des Haufengases zusammenhängen, z.B. Synchrotronstrahlung im Radiobereich oder Magnetfelder. Das Bestimmen und Verstehen der Korrelationen zwischen den verschiedenen Phänomenen im Hinblick auf physikalische Prozesse rundet die Untersuchungen der Wechselwirkungen innerhalb von Galaxienhaufen ab.

Galaxienhaufen die größten gebundenen Strukturen im Universum offenbaren immer mehr interessante Prozesse. Galaxienhaufen bestehen nicht nur aus Galaxien und Dunkler Materie, sondern es befindet sich sehr heißes Gas (mehrere Millionen Grad) zwischen den Galaxien. Wenn die Galaxien sich durch den Haufen bewegen, spüren sie dieses Haufengas. Es wirkt dadurch der Druck des Haufengases auf die Galaxien, so dass diese ihr eigenes Gas nicht mehr halten können. Das Galaxiengas wird daher abgestreift und vermischt sich mit dem Haufengas. Das Interessante ist nun, dass man die beiden verschiedenen Gasarten unterscheiden kann. In den Galaxien befinden sich ja viele Sterne, die Elemente wie z.B. Eisen fusionieren. Durch Supernovaexplosionen wird das Eisen aus dem Sterninneren in das Galaxiengas katapultiert (auch das Eisen ist übrigens in gasförmigem Zustand). Das führt dazu, dass im Galaxiengas die Eisenkonzentration sehr viel höher ist als im Haufengas. Man muss also nur die Eisenkonzentration im Galaxienhaufen messen, um zu sehen wo/wieviel Gas aus den Galaxien abgestreift wurde. Die Eisenkonzentration kann man mit Hilfe von Röntgenbeobachtungen messen im Röntgenbereich, weil das Gas so heiß ist und daher bei hohen Energien abstrahlt. Andererseits kann man den Abstreifprozess und das Bewegungsverhalten des Gases auch mit Hilfe von numerischen Berechnungen simulieren. In diesem Projekt wurde beides gemacht und die Ergebnisse verglichen. Beide Methoden zeigten das gleiche Ergebnis: Die beiden Gase vermischen sich wesentlich langsamer als erwartet: Die Eisenverteilung ist sowohl in der Beobachtung als auch in Simulation deutlich klumpig und nicht so homogen wie zunächst erwartet. Das bedeutet, dass einzelne Abstreifprozesse noch lange im Haufen sichtbar sind. Der Vergleich des Gasverlustes durch Abstreifen mit dem Gasverlust durch interne Prozesse in der Galaxie (z.B. galaktische Winde) zeigte, dass Abstreifen sehr effizient ist. Insbesondere ist es im Haufenzentrum sehr effizient. Aber es ist auch in den Randregionen wesentlich effizienter als bisher vermutet. Bis hinaus zu mehreren Millionen Lichtjahren Entfernung vom Zentrum des Haufens tritt der Abstreifprozess auf. Gas ist ein wichtiger Bestandteil in einer Galaxie, denn aus dem Gas entstehen wieder die neuen Sterne. Der Abstreifprozess bewirkt nun, dass ein Teil des sternebildenden Gases aus den Galaxien hinaustransportiert wird. Bei diesem Prozess wird das Gas auch zusammengedrückt und dadurch entstehen vermehrt Sterne und zwar hinter der Galaxie, während man bis jetzt immer annahm, dass Sterne nur innerhalb von Galaxien entstehen können. In quantitativen Analysen könnten wir zeigen, dass bis zu 25% der neuen Sterne hinter den Galaxien gebildet werden. Die außerhalb der Galaxie gebildeten Sterne sind teilweise nicht mehr an die Galaxie gebunden, bewegen sich also weg von der Galaxie und bilden eine Sternpopulation zwischen den Galaxien. Ein anderer Teil fällt wieder zurück auf die Galaxie und bringt dadurch die Scheibenstruktur und die Dynamik der Galaxie durcheinander also hat eine Galaxie nach dem Abstreifprozess nicht nur weniger Gas, sondern sie sieht auch anders aus.