Galaxienhaufen: Physik, Entwicklung und Kosmologie

Galaxienhaufen - die größten gebundenen Objekte im Universum - geben Aufschluss über den Anfang, die Entwicklung und die Zukunft des Weltalls. Ein Galaxienhaufen ist eine Ansammlung von mehreren hundert Galaxien. Im Raum zwischen diesen Galaxien befindet sich sehr heißes dünnes Gas, das so hochenergetische Strahlung aussendet, daß sie im Röntgenlicht sichtbar ist. Besonders Beobachtungen mit den neuen Röntgensatelliten XMM und CHANDRA sind daher essentiell für die kosmologische Forschung. Ein Großteil der Masse des Weltalls steckt in nicht sichtbarer, sogenannter dunkler Materie. Mit Hilfe von Galaxienhaufen kann auf indirekte Weise sowohl die Menge als auch die Verteilung dieser dunklen Materie gemessen werden. Man benutzt dazu nicht nur Röntgenbeobachtungen sondern auch den Gravitationslinseneffekt. Dieser Effekt lässt entfernte Galaxien, die hinter Galaxienhaufen liegen, als verzerrte Bilder erscheinen. Die Form und die relative Lage dieser Bilder erlaubt Rückschlüsse auf die dunkle Materie. Eine genaue Kenntnis der dunklen Materie ermöglicht die Bestimmung eines grundlegenden Parameters - die Dichte des Universums. Dieser Parameter entscheidet darüber, ob sich das Weltall immer weiter ausdehnt oder ob sich die Expansion umkehrt und letztendlich alles kollabiert. Im Gas zwischen den Galaxien findet man auch schwere Elemente wie z.B. Eisen. Solche Elemente müssen in Sternen von Galaxien gebildet worden sein und anschließend aus den Galaxien heraus in das Gas transportiert worden sein. Da bis jetzt wenig über diese Transportprozesse bekannt ist, werden umfangreiche numerische Simulationen durchgeführt, die alle möglichen Transportprozesse berücksichtigen. Auch diese Untersuchungen zielen auf die Kosmologie, da diese Simulationen viel über die Bildung von Galaxien und Galaxienhaufen aussagen werden. Galaxienhaufen sind relativ junge Objekte, die noch Information über ihren Entstehungsprozess in sich tragen. So sind etwa viele Haufen noch nicht in einem Gleichgewichtszustand angelangt, sondern sie sind noch am Zusammenfallen. Da verschiedene kosmologische Modelle unterschiedliche Entwicklungsgeschwindigkeiten voraussagen, bietet die Bestimmung des dynamischen Zustands eine weitere Möglichkeit, kosmologische Parameter mit Hilfe von Galaxienhaufen einzugrenzen. Durch die umfassende Untersuchung von Galaxienhaufen in diesem Projekt werden also kosmologische Parameter mit ganz verschiedenen Methoden bestimmt. Die Kombination all dieser Methoden wird uns wichtige Informationen über den Ursprung und über die weitere Entwicklung des Weltalls liefern.

Galaxienhaufen bestehen nicht nur aus tausenden von Galaxien sondern auch aus heißem Gas, das den ganzen Raum zwischen den Galaxien ausfüllt. Simulationen dieser beiden Haufenkomponenten zeigten, dass vielfältige Wechselwirkungen zwischen den Galaxien und dem Haufengas stattfinden. Einerseits kann durch viele Supernovaexplosionen innerhalb der Galaxien Gas hinausgeschleudert werden, andererseits kann durch Bewegung der Galaxien durch das Haufengas Material aus den Galaxien abgestreift werden. Durch die Simulationen in diesem Projekt konnte gezeigt werden, dass der bisher vernachlässigte Prozess des Abstreifens signifikanten Materietransport bewirken kann - selbst bei jungen Galaxienhaufen. Es wurden räumliche Verteilungen und Zeitskalen der verschiedenen Prozesse bestimmt, die beide Auswirkungen auf Theorien zur Galaxien- und zur Haufenentwicklung haben. Weiters zeigten die Simulationen, dass diese Wechselwirkungen eine sehr inhomogene Verteilung der schweren Elemente im Haufengas zur Folge haben. Insbesondere sind Streifen mit angereicherten schweren Elementen zu sehen, die über Milliarden von Jahren erhalten bleiben. Diese Streifen sind in guter Übereinstimmung mit den Inhomogenitäten, die man derzeit in den groben Karten von Röntgenbeobachtungen findet, und sie werden benutzt zur Spezifizierung von neu zu bauenden Röntgeninstrumenten. Ein weiteres Highlight ist die erste Entdeckung eines Dreifach-Ausbruchs einer zentralen Galaxie des Galaxienhaufens RBS797. Durch Beobachtungen im Radiobereich konnten drei Phasen von Ausbrüchen hochenergetischer Teilchen nachgewiesen werden, wobei besonders interessant ist, dass sich die Richtungen der Ausbrüche unerwartet stark geändert hatten. Mit ESO Teleskopen wurden Galaxienhaufen systematisch nach Gravitationsbögen durchsucht. In mehr als 60% der von uns untersuchten massereichen Haufen wurden Bögen gefunden. Diese Zahl ist wichtig für zukünftige kosmologische Forschungen zur Dunklen Materie und Dunklen Energie. In XMM Beobachtungen des röntgenhellsten Galaxienhaufens RXJ1347 wurden überraschenderweise gleichzeitig Anzeichen für einen Haufenzusammenstoß und für einen sog. Cooling Flow gefunden - ein Phenomen, das sonst nur in Haufen vorkommt, die eine lange ruhige Periode ohne Zusammenstöße hinter sich haben. Dieses unerklärliche gleichzeitige Auftreten der zwei gegensätzlichen Phenomene wird nun durch weitergehende Beobachtungen untersucht.