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Jahrbuch 2009/2010 | Overzier, Roderik | Quasare im frühen Universum: Schornsteine der ersten kosmischen
Großstädte?
Quasare im frühen Universum: Schornsteine der ersten kosmischen
Großstädte?
Quasars in the Early Universe: Smokestacks of the first Cosmic
Cities?
Overzier, Roderik
Max-Planck-Institut für Astrophysik, Garching
Korrespondierender Autor
E-Mail: [email protected]
Zusammenfassung
Ein
Astronomenteam
unter
Beteiligung
des
Max-Planck-Instituts
für
Astrophysik
hat
mithilfe
von
Beobachtungen durch das Hubble Space Telescope und Vorhersagen aus der Millennium-Simulation mögliche
Erklärungen für eines der verblüffendsten kosmischen Rätsel gefunden: Wenn – w ie es die Theorie vorhersagt
– leuchtende Quasare im frühen Universum die Regionen anzeigen, die als erste zusammengestürzt sind und
massereiche Galaxienhaufen gebildet haben, w arum gibt es dann bislang so w enige empirische Bew eise für
solche „Städte im Bauzustand“?
Summary
A team of astronomers, including members of the Max Planck Institute for Astrophysics, have combined the
observational pow er provided by the Hubble Space Telescope w ith the predictive pow er of the Millennium Run
cosmological simulations to investigate an intriguing cosmic puzzle. If luminous quasars in the early Universe
mark the regions that w ere the first to collapse and form massive clusters of galaxies as predicted by theory,
then w hy is the observational evidence for such cosmic "cities-under-construction" currently so scarce?
© 2010 Max-Planck-Gesellschaft
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Jahrbuch 2009/2010 | Overzier, Roderik | Quasare im frühen Universum: Schornsteine der ersten kosmischen
Großstädte?
Die Ve rte ilung von Ga la x ie n be i e ine r R otve rschie bung von 6
a uf de m Him m e l, wie de r Mille nnium sla uf sie sim ulie rt. Die
Um risslinie n ze ige n R e gione n gle iche r Dichte a n (bla u: hohe
Dichte n; rot: ge ringe Dichte n). Grün k e nnze ichne t die m ittle re
Dichte . Große schwa rze Kre ise be ze ichne n Ga la x ie n, die in
Ga la x ie nha ufe n be i e ine r R otve rschie bung von 0 ge la nge n.
Die se R e gione n, in de ne n sich Ga la x ie nha ufe n bilde n, fa lle n
be re its be i e ine r R otve rschie bung von 6 a ls übe rdichte
R e gione n a uf.
© Ma x -P la nck -Institut für Astrophysik
Sow ohl die Theorie als auch Simulationen sagen vorher, dass die Energie der äußerst seltenen leuchtenden
Quasare, die bei einer Rotverschiebung von ungefähr 6 (also etw a eine Milliarde Jahre nach dem Urknall)
gefunden w urden, aus supermassereichen Schw arzen Löchern in den Zentren massereicher Galaxien stammt,
die sich tief in den Potenzialtöpfen der dichtesten Regionen gebildet haben. Daher w urde seit langem
allgemein angenommen, dass Quasare von einer hohen Anzahl kleinerer Galaxien umgeben sind, die diese
dichten Regionen abgrenzen. Diese Vorhersage stimmt mit der Tatsache überein, dass die massereichsten und
ältesten Galaxien und die größten (inaktiven) Schw arzen Löcher im heutigen Universum in den Zentren
massereicher Galaxienhaufen zu finden sind. Wenn die Vorhersage allerdings w iderlegt w ürde, müssten die
Theorien über die Bildung von Quasaren im frühen Universum korrigiert w erden.
Um die Theorie zu überprüfen, w urde versucht, schw ache sternbildende Galaxien mit der Advanced Camera for
Surveys (ACS) des Hubble Space Telescopes (HST) zu finden. Die Ergebnisse w aren uneinheitlich. W ährend die
Felder rund um einige Quasare einen möglichen Überschuss an Galaxien aufw eisen, zeigen die meisten
Quasarfelder, die von zufällig gew ählten Blickachsen aus in vergleichbarer Tiefe beobachtet w urden, keine
Auffälligkeiten. Zudem haben einige Studien beliebige Himmelsregionen gefunden, die w esentlich mehr
Galaxienstrukturen bei einer Rotverschiebung von etw a 6 enthalten als Regionen in der Nähe von Quasaren.
Somit scheinen entscheidende empirische Belege im Zusammenhang mit Quasaren und besonders dichten
Regionen im frühen Universum gegenw ärtig noch zu fehlen. Eine neue Studie von W issenschaftlern am MaxPlanck-Institut für Astrophysik (MPA) bietet eine mögliche Erklärung für dieses erstaunliche Ergebnis.
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Na ha ufna hm e von dre i de r re ichste n R e gione n be i e ine r
R otve rschie bung von 6, a uf die m a n in de n Sim ula tione n
ge stoße n ist. Da s grüne Q ua dra t ze igt die P osition de s
m a sse re ichste n Ha los a n (m ögliche rwe ise de r Q ua sa r). Große
und k le ine P unk te e ntspre che n he lle n und lichtschwa che n
Ga la x ie n. Die Me sssk a la obe n link s in je de m Fe ld be zie ht sich
a uf die Größe e ine r HST/AC S-Aufna hm e , die de rje nige n
ä hnlich ist, die be nutzt wurde , um re a le Q ua sa re be i e ine r
R otve rschie bung von 6 zu be oba chte n. Bla ue Kre ise
k e nnze ichne n Ga la x ie n, die im he utige n Unive rsum Te il e ine s
m a sse re iche n Ga la x ie nha ufe ns we rde n.
© Ma x -P la nck -Institut für Astrophysik
Indem sie N-Teilchen-Verfahren aus der Millennium-Simulation mit am MPA entw ickelten semi-analytischen
Modellen der Galaxienbildung verknüpften, simulierte das Forscherteam eine sehr große Region des frühen
Universums, um zu zeigen, w ie sie durch die Augen unserer größten Teleskope betrachtet aussehen w ürde.
Diese simulierte Durchmusterung (Abb. 1) sagt die Positionen und Größen von Galaxien vorher und zeigt, w ie
das Universum seine typische gew ebeartige Struktur schon bei einer Rotverschiebung von 6 bekam. Dieses
Himmelsmuster entspricht einem System langer Fernstraßen (Filamente), die große Städte von Galaxien über
riesige offene Felder (Leerräume) miteinander verbinden. Quasare sind der Vorhersage nach in den dichtesten
Regionen untergebracht (Abb. 1). Allerdings erklärt die Kombination mehrerer w ichtiger Faktoren, w arum die
Jagd nach lichtschw achen Galaxien rund um Quasare eine so große Herausforderung ist. (1) Obw ohl heutige
Durchmusterungen ziemlich erfolgreich darin sind, relativ helle Galaxien zu finden, die bei einer ungefähren
Rotverschiebung von 6 liegen, sind w ir noch nicht in der Lage, die genauen Rotverschiebungen dieser Galaxien
zu bestimmen. Um einen physikalischen Zusammenhang zw ischen Galaxien und den Zielobjekten (Quasare,
deren Rotverschiebungen bekannt sind) zu bew eisen, w äre eine viel präzisere Rotverschiebungsangabe
notw endig. (2) Die Simulationen deuten darauf hin, dass die Empfindlichkeit und die Untersuchungsregionen
der bisher durchgeführten Durchmusterungen w ahrscheinlich nicht optimal sind, w enn es darum geht,
Strukturen von Galaxien zu finden, die im Zusammenhang mit den Quasaren stehen. In Abbildung 2 sind
einige Beispiele von Regionen hoher Dichte dargestellt, die in den Simulationen gefunden w urden. Die großen
schw arzen Kreise zeigen die lichtschw ächsten Galaxien, die in Quasarfeldern gegenw ärtig gefunden w erden
können. Der rote Balken oben links entspricht dem Durchmesser des HST/ACS-Sichtfeldes (3,4 Bogenminuten).
Weil die Anzahl der hellen Galaxien relativ gering ist und sie sich über ein Gebiet verteilen, das typischerw eise
zw ei- oder dreimal größer ist, verfehlt man leicht alle möglicherw eise existierenden Strukturen in den
Beobachtungen. Indem lichtschw ächere Galaxien beobachtet w urden (in Abb. 2 als kleine Punkte angezeigt),
fallen die großräumigen Umgebungen viel stärker auf und sind leichter zu entdecken.
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Die Anza hl de r Be gle itga la x ie n in würfe lförm ige n R e gione n
von (20 Mpc/h) 3 im Ve rgle ich zur Ma sse de s m a sse re ichste n
Ha los in je de r R e gion. Die Erge bnisse für lichtschwa che
Ga la x ie n (27,5 m a g) sind link s, die für he lle re Ga la x ie n (26,5
m a g) re chts ge ze igt. O bwohl e s be i e ine r R otve rschie bung von
unge fä hr 6 e ine bre ite Stre uung in de r Anza hl de r Be gle ite r
pro Ha lom a sse gibt, ha be n die m a sse re ichste n Ha los
te nde nzie ll die m e iste n Be gle ite r. Die Stre uung wird ge ringe r,
we nn m a n schwä che re W e rte be tra chte t (link s). Die k le ine n
Q ua dra te im re chte n Scha ubild e ntspre che n de n dre i
R e gione n, die in Abbildung 2 ge ze igt we rde n.
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(3) Das Team analysierte die Anzahl von Begleitgalaxien als Funktion der Masse der dunklen Materiehalos, von
denen man annimmt, dass sie die Quasare beherbergen, mit dem Ergebnis, dass beide Größen in einem nur
schw achen Zusammenhang zueinander stehen (Abb. 3). Dies impliziert, dass selbst w enn man durch
Beobachtungen zeigen kann, dass Quasare bevorzugt in besonders dichten Regionen beheimatet sind, es
sehr schw ierig
sein
w ird, die
genaue
Masse
des
Quasarhalos
aus
der Anzahl der beobachteten
Begleitgalaxien zu bestimmen.
Wegen des Erfolgs der letzten HST- Wartungsmission der NASA [W 1] w ird die gerade reparierte ACS in der
Lage
sein,
neue
Durchmusterungen
durchzuführen,
die
auf
Regionen
rund
um
die
Quasare
bei
Rotverschiebung von 6 abzielen könnten. Alternativ sollten Bodenteleskope benutzt w erden, um die genauen
Rotverschiebungen lichtschw acher Galaxien in der Nähe von Quasaren zu bestimmen. Solche Studien w erden
am besten durchgeführt, indem Quasare bei einer Rotverschiebung von 5,7 untersucht w erden, da hier das
atmosphärische Übertragungsfenster gut ist. Im nächsten Jahrzehnt sollte das James Webb Space Telescope
mit seiner empfindlichen Nahinfrarotkamera und seinem Spektrographen, mit denen extrem lichtschw ache
Galaxien aufgedeckt w erden können, in der Lage sein, eine endgültige Antw ort auf die Frage zu geben, ob
sich die leuchtenden Quasare in den dichtesten Regionen im frühen Universum gebildet haben.
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[1] R. A. Overzier, Q. Guo, G. Kauffmann, G. De Lucia, R. Bouwens, G. Lemson:
LCDM predictions for galaxy protoclusters - I. The relation between galaxies, protoclusters and quasars
at z~6.
Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 394, 577–594 (2009).
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