Zum ersten Mal haben Astronomen einen Blick auf Schockwellen erhascht, die sich entlang der Stränge des kosmischen Netzes ausbreiten – dem enormen Gewirr aus Galaxien, Gas und dunkler Materie, das das beobachtbare Universum füllt.
Die Kombination von Hunderttausenden von Radioteleskopbildern zeigte das schwache Leuchten, das entsteht, wenn Stoßwellen geladene Teilchen durch die Magnetfelder fliegen lassen, die entlang des kosmischen Netzes verlaufen. Die Entdeckung dieser Stoßwellen könnte Astronomen einen besseren Einblick in diese großräumigen Magnetfelder geben, deren Eigenschaften und Ursprünge weitgehend mysteriös sind, berichten Forscher am 17. Februar Wissenschaftliche Fortschritte.
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Endlich können Astronomen „bestätigen, was bisher nur durch Simulationen vorhergesagt wurde – dass diese Stoßwellen existieren“, sagt der Astrophysiker Marcus Brüggen von der Universität Hamburg in Deutschland, der nicht an der neuen Studie beteiligt war.
Im größten Maßstab sieht unser Universum wie ein Schweizer Käse aus. Galaxien sind nicht gleichmäßig über den Weltraum verteilt, sondern in riesigen Haufen zusammengeballt, die durch fadenförmige Filamente aus verdünntem Gas, Galaxien und dunkler Materie verbunden und durch nicht ganz leere Hohlräume getrennt sind (SN: 3.10.19).
Durch die Schwerkraft gezogen, verschmelzen Galaxienhaufen, Filamente kollidieren und Gas aus den Hohlräumen fällt auf Filamente und Cluster. In Simulationen des kosmischen Netzes löst all diese Aktionen ständig enorme Schockwellen in und entlang von Filamenten aus.
Filamente machen den größten Teil des kosmischen Netzes aus, sind aber viel schwerer zu erkennen als Galaxien (SN: 20.01.14). Während Wissenschaftler schon früher Stoßwellen um Galaxienhaufen beobachtet haben, wurden Stöße in Filamenten „noch nie wirklich gesehen“, sagt der Astronom Reinout van Weeren von der Universität Leiden in den Niederlanden, der nicht an der Studie beteiligt war. „Aber sie sollten im Grunde überall im kosmischen Netz sein.“
Stoßwellen um Filamente herum würden geladene Teilchen durch die Magnetfelder beschleunigen, die das kosmische Netz durchziehen (SN: 6.6.19). Wenn das passiert, senden die Partikel Licht mit Wellenlängen aus, die Radioteleskope erkennen können – obwohl die Signale sehr schwach sind.
Eine einzelne Schockwelle in einem Filament „würde wie nichts aussehen, sie würde wie Rauschen aussehen“, sagt die Radioastronomin Tessa Vernstrom vom International Centre for Radio Astronomy Research in Crawley, Australien.
Anstatt nach einzelnen Schockwellen zu suchen, kombinierten Vernstrom und ihre Kollegen Radiobilder von mehr als 600.000 Paaren von Galaxienhaufen, die nahe genug waren, um durch Filamente verbunden zu werden, um ein einziges „gestapeltes“ Bild zu erstellen. Dies verstärkte schwache Signale und zeigte, dass im Durchschnitt ein schwaches Funkglühen von den Filamenten zwischen den Clustern ausgeht.
„Wenn man unter dem Rauschen graben und trotzdem ein Ergebnis erzielen kann – für mich persönlich ist das aufregend“, sagt Vernstrom.
Das schwache Signal ist stark polarisiert, was bedeutet, dass die Funkwellen größtenteils aufeinander ausgerichtet sind. Stark polarisiertes Licht ist im Kosmos ungewöhnlich, aber es wird von Radiolicht erwartet, das von Stoßwellen geworfen wird, sagt van Weeren. „Das ist also wirklich, denke ich, ein sehr guter Beweis dafür, dass die Schocks wahrscheinlich tatsächlich vorhanden sind.“
Die Entdeckung geht über die Bestätigung der Vorhersagen von Cosmic-Web-Simulationen hinaus. Die polarisierten Radioemissionen bieten auch einen seltenen Einblick in die Magnetfelder, die das kosmische Netz durchdringen, wenn auch nur indirekt.
„Diese Schocks“, sagt Brüggen, „können wirklich zeigen, dass sich großflächige Magnetfelder bilden [something] wie eine Hülle um diese Filamente.“
Er, van Weeren und Vernstrom stellen alle fest, dass es immer noch eine offene Frage ist, wie kosmische Magnetfelder überhaupt entstanden sind. Die Rolle, die diese Felder bei der Gestaltung des kosmischen Netzes spielen, ist ebenso mysteriös.
„Es ist eine der vier fundamentalen Naturkräfte, richtig? Magnetismus“, sagt Vernstrom. „Aber zumindest in diesen großen Maßstäben wissen wir nicht wirklich, wie wichtig es ist.“