Kosmologie: Fenster zum frühen Universum

Rund 1.800 Galaxienhaufen im neuen Katalog liegen so weit entfernt, dass ihr Licht mehr als 8 Milliarden Jahre bis zu uns gebraucht hat. Ein von Argonne National Laboratory (USA) und LMU geleitetes Forschungsteam hat damit eine der bislang tiefsten Bestandsaufnahmen massereicher und weit entfernter Galaxienhaufen veröffentlicht.

Der Katalog basiert auf fünf Jahren Beobachtungen des SPT-3G-Experiments an der Amundsen-Scott-Südpolstation in der Antarktis. Mit hochempfindlichen Messungen der kosmischen Mikrowellenhintergrundstrahlung — des schwachen Nachglühens des Urknalls — identifizierte das internationale Team 8.892 mögliche Galaxienhaufen und bestätigte 7.190 von ihnen mithilfe optischer und infraroter Daten. Beteiligt sind Forschende von Institutionen weltweit, darunter die LMU.

Neues Fenster zum frühen Universum

Besonders eindrucksvoll ist der Blick in große kosmische Entfernungen: Der SPT-3G-Katalog enthält etwa 1.800 bestätigte Galaxienhaufen bei Rotverschiebungen größer als eins. Die Rotverschiebung ist dabei ein Maß für Entfernung und die Zeit, die man in der Entwicklung des Universums zurückblickt: Je größer sie ist, desto früher im Universum sehen wir ein Objekt. Der SPT-3G-Katalog enthält rund 50 Prozent mehr solcher fernen Systeme als der größte bisherige SZ-Katalog — obwohl SPT-3G dafür eine Himmelsregion untersucht, die etwa zehnmal kleiner ist.

Etwa jeder fünfte bestätigte Galaxienhaufen taucht in keinem früheren Katalog auf. Für rund zwei Drittel der Stichprobe — 4.824 Systeme — ist dies außerdem der erste Nachweis des heißen kosmischen Gases, das den Raum zwischen den Galaxien in diesen Haufen ausfüllt.

„Unsere Analyse nutzt die phänomenal tiefen Daten von SPT-3G und öffnet damit ein neues Fenster zum frühen Universum“, sagt Lindsey Bleem, Physikerin am Argonne National Laboratory und Erstautorin der Studie. „Für die Galaxienhaufen-Kosmologie ist dieser Katalog ein neuer Meilenstein. Er wird über viele Jahre hinweg die Grundlage für zahlreiche Untersuchungen bilden.“

SPT-3G ist die Kamera am South Pole Telescope. Sie wurde 2017 mit 16.000 am Argonne National Laboratory gebauten Detektoren ausgerüstet. „Es ist beeindruckend, diesen neuen und außergewöhnlichen Galaxienhaufen-Katalog zu sehen, der auf den Daten des SPT und des DES basiert“, sagt Joe Mohr, Professor für Physik an der LMU sowie Mitbegründer des SPT und des Dark Energy Survey (DES), von denen der Großteil der optischen Aufnahmen stammt, mit denen die Galaxienhaufen-Stichprobe bestätigt wurde. „Mehr als zehn Jahre nach dem First Light – den ersten wissenschaftlichen Beobachtungen – beider Himmelsdurchmusterungen liefern diese Projekte noch immer neue Entdeckungen.“

Galaxienhaufen sind die größten durch Gravitationskollaps entstandenen Systeme im Universum. Sie enthalten Hunderte bis Tausende Galaxien, heißes Gas und große Mengen Dunkler Materie. Ihre Zahl und Verteilung verraten, wie kosmische Strukturen wachsen — und liefern damit wichtige Hinweise zum Verständnis der Dunklen Materie und Dunklen Energie.

Vergrößern

Die neuen Galaxienhaufen wurden nicht durch ihr Sternenlicht gefunden, sondern durch winzige Schatten im kosmischen Mikrowellenhintergrund. Wenn dieses uralte Licht das heiße Gas eines Galaxienhaufens durchquert, wird ein Teil davon zu höheren Energien verschoben. In den niederfrequenten Karten von SPT-3G erscheinen die Haufen daher als schwache dunkle Flecken. Diese Signatur ist als Sunyaev-Zeldovich(SZ)-Effekt bekannt.

Gerade diese Methode macht SPT-3G für ferne Galaxienhaufen besonders wertvoll. Während frühere Durchmusterungen deutlich größere Himmelsflächen abdeckten, blickt SPT-3G tiefer in eine kleinere Region: Es erfasst schwächere Signale, masseärmere und weiter entfernte Systeme und schafft damit einen außergewöhnlich dichten SZ-Katalog.

„Bei der Arbeit mit unserer automatisierten Pipeline zur Bestätigung und Rotverschiebungsbestimmung der SPT-3G-Kandidaten habe ich viele der Systeme in optischen und infraroten Bilddaten als Teil der Qualitätskontrolle überprüft“, sagt Matthias Klein, Wissenschaftler an der Universitätssternwarte der LMU. „Die Galaxienhaufen hinter den Mikrowellensignalen mit eigenen Augen zu sehen, begeistert mich umso mehr für die Forschung, die diese Stichprobe ermöglichen wird.“

„Einen solchen Katalog aufzubauen, erfordert sehr viel sorgfältige Prüfung im Hintergrund“, sagt Kayla Kornoelje, Doktorandin an der Universität Chicago. „Ein großer Teil unserer Arbeit bestand darin, sicherzustellen, dass die Detektionen zuverlässig sind, damit diese Stichprobe in künftigen kosmologischen Arbeiten mit Vertrauen genutzt werden kann.“

Der Katalog liefert auch Hinweise auf die Entwicklung der Galaxienhaufen selbst. Da SPT-3G in mehreren Mikrowellenfrequenzen beobachtet, konnte das Team zusätzliche Emission aus Material in und um die Haufen untersuchen. Dabei zeigte sich eine deutlich stärkere Staubemission in Galaxienhaufen, die in früheren Zeiten des Universums sichtbar wird — ein Hinweis auf vermehrte Sternentstehung in diesen Umgebungen.

„Mit der SPT-3G-Galaxienhaufenstichprobe werden wir die Entwicklung der kosmischen Strukturbildung über die vergangenen 10 Milliarden Jahre untersuchen“, sagt Sebastian Bocquet, Wissenschaftler an der LMU. Er leitet die kosmologische Analyse des neuen Galaxienhaufenkatalogs.

Nun sollen aus der kosmischen Bestandsaufnahme präzise Erkenntnisse über das Universum gewonnen werden. Mit verbesserten Massenmessungen wollen die Forschenden herausfinden, wie schnell kosmische Strukturen gewachsen sind. Neue Beobachtungen, etwa mit der Euclid-Mission der ESA und der Vera-C.-Rubin-Sternwarte, werden helfen, noch weiter entfernte Galaxienhaufen in den SPT-3G-Daten zu bestätigen und zu charakterisieren.

L. E. Bleem, M. Klein, K. Kornoelje, S. Bocquet et al. Galaxy clusters selected via the Sunyaev-Zel’dovich effect in 5 year data from the SPT-3G main survey. Open Journal of Astrophysics, 2026, preprint.