Astronomen messen Bewegung von Galaxienhaufen

Berkeley (USA) –  Einem internationalen Forscherteam ist es gelungen, die Eigenbewegung von Galaxienhaufen zu messen. Die Wissenschaftler machten sich dabei ein Phänomen zunutze, das bereits vor 40 Jahren vorhergesagt worden war, bislang aber jenseits der Nachweisgrenzen der astronomischen Instrumente lag. Das heiße Gas in den Galaxienhaufen führt zu geringen Temperaturänderungen der kosmischen Hintergrundstrahlung, einer Art Strahlungsecho des Urknalls. Das Team präsentiert die erste Messung dieses Effekts in einem in der wissenschaftlichen Datenbank arXiv veröffentlichten Bericht.

Messung der Bewegung von Galxienhaufen

„Selbst nach heutigen astronomischen Maßstäben ist der Effekt sehr, sehr klein“, erklärt Nick Hand von der University of California in Berkeley, einer der beteiligten Forscher. „Aber die Qualität der heutigen Beobachtungsdaten macht es möglich, die Änderungen in der Hintergrundstrahlung nachzuweisen.“ Hand und seine Kollegen verwendeten vom Atacama Cosmology Telescope (ACT) gelieferte, extrem genaue Temperaturmessungen der kosmischen Hintergrundstrahlung. Die Galaxienhaufen identifizierten die Astronomen anhand des dritten Sloan Digital Sky Surveys (SDSS III), des weltweit umfangreichsten Himmelskatalogs.

Die beiden russischen Astrophysiker Rashid Sunyaev und Yakov Zel’dovich hatten 1972 die Theorie aufgestellt, dass Galaxienhaufen die kosmische Hintergrundstrahlung beeinflussen können. Das Gas zwischen den Galaxien ist so heiß, dass es ionisiert ist – den Atomen werden Elektronen entrissen, die sich nun frei umher bewegen. Stößt ein Photon der Hintergrundstrahlung auf ein solches freies Elektron, so kommt es zu einer geringfügigen Energieänderung des Photons, die von der Bewegungsrichtung des Elektrons abhängt. Im Mittel hinterlässt die Bewegung des Haufens dadurch eine Spur in der Hintergrundstrahlung: Bewegt sich der Haufen auf uns zu, so wird die Strahlung geringfügig energiereicher, sie ist also etwas kurzwelliger und besitzt damit eine höhere Temperatur. Bewegt sich der Haufen dagegen von uns fort, so verliert die Strahlung etwas Energie, wird langwelliger und damit geringfügig kühler.

Der Effekt ist jedoch extrem klein: Die Temperaturänderungen durch den „kinematischen Sunyaev-Zel’dovich-Effekt“ betragen wenige Millionstel Grad. Selbst mit den heutigen empfindlichen Detektoren war es für die Forscher eine gewaltige Herausforderung, diese Temperaturänderung nachzuweisen. Dazu mussten Hand und seine Kollegen die Daten von vielen Galaxienhaufen addieren, um überhaupt ein Signal zu finden. „Das Team hat ein extrem elegantes Verfahren genutzt, um die interessanten Galaxienhaufen auszuwählen“, sagt Sunyaev, der jetzt Direktor des Max-Planck-Instituts für Astrophysik in Garching bei München ist. Nun wollen die Forscher das Verfahren weiter verfeinern, um auch die Bewegung einzelner Haufen messen zu können. Aus der genauen Messung dieser Bewegungen hoffen die Astrophysiker, neue Informationen über die geheimnisvolle Dunkle Materie und Dunkle Energie zu gewinnen, die den Kosmos dominieren.