Pressemitteilung

Das glimmende Universum

Der MUSE-Spektrograf zeigt, dass fast das gesamte frühe Universum im Licht des angeregten Wasserstoffs erstrahlt.

1. Oktober 2018

Tiefe Beobachtungen mit dem MUSE-Spektrografen am Very Large Telescope der ESO haben riesige kosmische Reservoirs von atomarem Wasserstoff um entfernte Galaxien entdeckt. Das besonders empfindliche MUSE-Instrument ermöglichte direkte Beobachtungen von dünnen Wasserstoffwolken, die im frühen Universum im Lyman-alpha-Licht leuchten. Dies zeigt, dass fast der ganze Nachthimmel unbemerkt glüht.

Ein internationales Astronomenteam um Lutz Wisotzki, Professor für Beobachtende Kosmologie am Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam (AIP) und der Universität Potsdam, entdeckte mit dem MUSE-Instrument des Very Large Telescope (VLT) der ESO eine unerwartete Fülle von Lyman-alpha-Emission in der Hubble Ultra Deep Field (HUDF)-Region. Lyman-alpha-Emission entsteht, wenn im Wasserstoffatom Elektronen zwischen zwei Energiezuständen wechseln. Dabei senden die Atome UV-Strahlung aus. Die Rotverschiebung der beobachteten Objekte lässt diese Emission für uns im sichtbaren Spektralbereich erscheinen.

Die entdeckte Strahlung deckt fast das gesamte Bildfeld ab, was die Arbeitsgruppe zu der Schlussfolgerung veranlasst, dass nahezu der gesamte Himmel schier unsichtbar im Licht der Lyman-alpha-Emission aus dem frühen Universum erstrahlt [1].

Astronomen sind seit langem daran gewöhnt, dass der Himmel bei verschiedenen Wellenlängen völlig unterschiedlich aussieht, aber das Ausmaß der beobachteten Lyman-alpha-Emission war dennoch überraschend. „Zu erkennen, dass der ganze Himmel bei der Beobachtung der Lyman-alpha-Strahlung aus fernen Wasserstoffwolken optisch leuchtet, war eine buchstäblich augenöffnende Überraschung“, erklärt Kasper Borello Schmidt, Mitglied des Astronomenteams und ebenfalls vom AIP.

„Das ist eine großartige Entdeckung“, fügt Teammitglied Themiya Nanayakkara hinzu. „Wenn du das nächste Mal den mondlosen Nachthimmel betrachtest und die Sterne siehst, stell dir das unsichtbare Glühen des Wasserstoffs vor: der Grundbaustein des Universums, der den ganzen Nachthimmel durchzieht.“

Die HUDF-Region, die das Team beobachtete, ist ein ansonsten unauffälliges Gebiet im Sternbild Fornax (Chemischer Ofen), das 2004 vom NASA/ESA Hubble-Weltraumteleskop kartiert wurde. Es verbrachte mehr als 270 Stunden seiner wertvollen Beobachtungszeit damit, tiefer als je zuvor in diese Region des Weltraums zu schauen.

Die Beobachtungen enthüllten Tausende von Galaxien, die über einen scheinbar dunklen Fleck am Himmel verstreut waren, was uns einen demütigenden Blick auf die Größe des Universums vermittelte. Dank der hervorragenden Fähigkeiten von MUSE können wir nun noch tiefer ins All blicken. Mit dem Nachweis der Lyman-alpha-Emission im HUDF konnten Astronomen erstmals diese schwache Emission aus den Gashüllen der frühesten Galaxien nachweisen. Das gezeigte Bildkomposit stellt die Lyman-alpha-Strahlung blau dar. Sie ist mit dem berühmten HUDF-Bild überlagert.

MUSE, das Instrument hinter diesen neuesten Beobachtungen, ist ein hochmoderner Integralfeldspektrograf, der am Unit Telescope 4 des VLT am Paranal Observatorium der ESO [2] installiert ist. Wenn MUSE den Himmel beobachtet, sieht es die Verteilung der Wellenlängen im Licht, das auf jedes Pixel seines Detektors trifft. Der Blick auf das gesamte Lichtspektrum astronomischer Objekte gibt uns tiefe Einblicke in die astrophysikalischen Prozesse im Universum [3].

„Mit den MUSE-Beobachtungen erhalten wir eine völlig neue Sichtweise auf die diffusen Gaskokons, die Galaxien im frühen Universum umgeben“, kommentierte Philipp Richter, ein weiteres Mitglied des Teams.

Das internationale Team von Astronomen, das diese Beobachtungen durchführte, hat einige Hypothesen über den Mechanismus für die notwendige Anregung der Wasserstoffwolken aufgestellt. Eine Ursache könnte demnach die Streuung von energiereichen Photonen von heißen Sternen sein. Allerdings könnten auch andere Vorgänge - oder eine Mischung davon - für die Lyman-alpha-Strahlung verantwortlich sein.

Da dieses schwache universale Glühen jedoch am Nachthimmel als allgegenwärtig erachtet wird, ist zu erwarten, dass zukünftige Forschungen Aufschluss über seine Herkunft geben werden.

„Wir planen in Zukunft die Durchführung erheblich empfindlicherer Messungen“, so Teamleiter Lutz Wisotzki. „Wir wollen herausfinden, welche Rolle die riesigen kosmischen Reservoirs atomaren Wasserstoffs im Weltraum für die Entstehung und Entwicklung von Galaxien, auch unserer eigenen Milchstraße, spielen.“

Endnoten

[1] Licht bewegt sich erstaunlich schnell, aber mit endlicher Geschwindigkeit. Das bedeutet, dass das Licht, das die Erde aus extrem entfernten Galaxien erreicht, lange Zeit brauchte, um zu uns zu kommen. Dies ermöglicht uns einen Blick in die Vergangenheit, als das Universum noch viel jünger war.

[2] Das Unit Telescope des VLT, Yepun, beherbergt eine Reihe von außergewöhnlichen, wissenschaftlichen Instrumenten und technologisch fortschrittlichen Systemen, darunter die Adaptive-Optik-Einheit, die kürzlich mit dem Paul F. Forman Team Engineering Excellence Award des Jahres 2018 der American Optical Society ausgezeichnet wurde.

[3] Die Lyman-alpha-Strahlung, die MUSE detektiert hat, stammt von Elektronenübergängen in Wasserstoffatomen, die Licht bei einer Wellenlänge von etwa 122 Nanometern abgeben. In dieser Form wird die Strahlung vollständig von der Erdatmosphäre absorbiert. Nur rotverschobene Lyman-alpha-Emissionen, die von extrem weit entfernten Galaxien ausgesandt werden, besitzen eine ausreichend große Wellenlänge, um die Atmosphäre ungehindert zu durchdringen und von erdgebundenen Teleskopen der ESO nachgewiesen zu werden.

Weitere Informationen

Die Forschungsarbeit wurde in einem Artikel mit dem Titel „Nearly 100% of the sky is covered by Lyman-α emission around high redshift galaxies“ präsentiert, die heute in der Zeitschrift Nature veröffentlicht wurde.

Die Gruppe der Wissenschaftler besteht aus Lutz Wisotzki (Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam, Deutschland), Roland Bacon (CRAL - CNRS, Université Claude Bernard Lyon 1, ENS de Lyon, Université de Lyon, Frankreich), Jarle Brinchmann (Universiteit Leiden, Niederlande; Instituto de Astrofísica e Ciências do Espaço, Universidade do Porto, Portugal), Sebastiano Cantalupo (ETH Zürich, Schweiz), Philipp Richter (Universität Potsdam, Deutschland), Joop Schaye (Universiteit Leiden, Niederlande), Kasper B. Schmidt (Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam, Deutschland), Tanya Urrutia (Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam, Deutschland), Peter M. Weilbacher (Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam, Deutschland), Mohammad Akhlaghi (CRAL - CNRS, Université Claude Bernard Lyon 1, ENS de Lyon, Université de Lyon, Frankreich), Nicolas Bouché (Université de Toulouse, Frankreich), Thierry Contini (Université de Toulouse, Frankreich), Bruno Guiderdoni (CRAL - CNRS, Université Claude Bernard Lyon 1, ENS de Lyon, L’Université de Lyon, Frankreich), Edmund C. Herenz (Stockholms universitet, Schweden), Hanae Inami (L’Université de Lyon, Frankreich), Josephine Kerutt (Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam, Deutschland), Floriane Leclercq (CRAL - CNRS, Université Claude Bernard Lyon 1, ENS de Lyon,L’Université de Lyon, Frankreich), Raffaella A. Marino (ETH Zürich, Schweiz), Michael Maseda (Universiteit Leiden, Niederlande), Ana Monreal-Ibero (Instituto Astrofísica de Canarias, Spanien; Universidad de La Laguna, Spanien), Themiya Nanayakkara (Universiteit Leiden, Niederlande), Johan Richard (CRAL - CNRS, Université Claude Bernard Lyon 1, ENS de Lyon,L’Université de Lyon, Frankreich), Rikke Saust (Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam, Deutschland), Matthias Steinmetz (Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam, Deutschland), and Martin Wendt (Universität Potsdam, Deutschland).

Die Europäische Südsternwarte (engl. European Southern Observatory, kurz ESO) ist die führende europäische Organisation für astronomische Forschung und das wissenschaftlich produktivste Observatorium der Welt. Die Organisation hat 16 Mitgliedsländer: Belgien, Dänemark, Deutschland, Finnland, Frankreich, Großbritannien, Irland, Italien, die Niederlande, Österreich, Polen, Portugal, Spanien, Schweden, die Schweiz und die Tschechische Republik. Hinzu kommen das Gastland Chile und Australien als strategischer Partner. Die ESO ermöglicht astronomische Spitzenforschung, indem sie leistungsfähige bodengebundene Teleskope entwirft, konstruiert und betreibt. Auch bei der Förderung internationaler Zusammenarbeit auf dem Gebiet der Astronomie spielt die Organisation eine maßgebliche Rolle. Die ESO verfügt über drei weltweit einzigartige Beobachtungsstandorte in Chile: La Silla, Paranal und Chajnantor. Auf dem Paranal betreibt die ESO mit dem Very Large Telescope (VLT) das weltweit leistungsfähigste Observatorium für Beobachtungen im Bereich des sichtbaren Lichts und zwei Teleskope für Himmelsdurchmusterungen: VISTA, das größte Durchmusterungsteleskop der Welt, arbeitet im Infraroten, während das VLT Survey Telescope (VST) für Himmelsdurchmusterungen ausschließlich im sichtbaren Licht konzipiert ist. Die ESO ist außerdem einer der Hauptpartner bei zwei Projekten auf Chajnantor, APEX und ALMA, dem größten astronomischen Projekt überhaupt. Auf dem Cerro Armazones unweit des Paranal errichtet die ESO zur Zeit das Extremely Large Telescope (ELT) mit 39 Metern Durchmesser, das einmal das größte optische Teleskop der Welt werden wird.

Die Übersetzungen von englischsprachigen ESO-Pressemitteilungen sind ein Service des ESO Science Outreach Network (ESON), eines internationalen Netzwerks für astronomische Öffentlichkeitsarbeit, in dem Wissenschaftler und Wissenschaftskommunikatoren aus allen ESO-Mitgliedsländern (und einigen weiteren Staaten) vertreten sind. Deutscher Knoten des Netzwerks ist das Haus der Astronomie in Heidelberg.

Links

• Fotos des MUSE-Instruments
• Fotos des VLT

Kontaktinformationen

Lutz Wisotzki
Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam
Potsdam, Germany
Tel: +49 331 7499 532
E-Mail: lwisotzki@aip.de

Roland Bacon
MUSE Principal Investigator / Lyon Centre for Astrophysics Research (CRAL)
Lyon, France
Mobil: +33 6 08 09 14 27
E-Mail: rmb@obs.univ-lyon1.fr

Calum Turner
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Markus Nielbock (Pressekontakt Deutschland)
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