Die sonderbare räumliche Verteilung der Radiogalaxien auf kosmischen Skalen

31.03.2011 | München
Radiogalaxien mit aktiven galaktischen Kernen gehören zu den hellsten extragalaktischen Quellen und können auf große Entfernungen beobachtet werden. Da sie bereits existierten, als das Universum erst halb so alt war wie heute, waren sie Zeugen davon, als das Universum anfing sich immer schneller auszudehnen.

Die Strahlung des kosmischen Mikrowellenhintergrundes (Cosmic Microwave Background oder kurz CMB) erreicht uns aus einer noch früheren Zeit und muss den gesamten Raum durchqueren — auch den um die AGNs - bis sie bei uns ankommt.

Durch die beschleunigte Ausdehnung werden die gravitativen Potentialtöpfe auf großen Skalen, in denen sich die Radiogalaxien befinden, flacher, was zu Anisotropien im CMB führt. Diese Anisotropien sollten mit der Verteilung der Radiogalaxien mit aktiven galaktischen Kernen korreliert sein. Entgegen ihren Erwartungen fanden Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Astrophysik allerdings keine Ähnlichkeiten in den Anistropien des CMB und den Strukturen in einem Katalog von Radioquellen. Als weiteres überraschendes Ergebnis fanden sie eine klare Diskrepanz zwischen der theoretisch erwarteten und der beobachteten Verteilung der Radioquellen auf großen Skalen.

Radiogalaxien mit aktiven galaktischen Kernen beherbergen in ihrem Inneren ein extrem massereiches Schwarzes Loch, das Materie aus seiner Umgebung auf sich zieht. Diese aktiven Galaxien (AGN vom englischen "active galactic nuclei") wurden bis zu sehr großen Entfernungen gefunden, als das Universum weniger als die Hälfte seines heutigen Alters hatte. Andere Beobachtungen zeigen, dass zu dieser Zeit eine andere Komponente als Materie und Strahlung anfing das Universum zu dominieren, die sogenannte "Dunkle Energie", die der gravitativen Anziehung entgegenwirkt und so die Ausdehnung des Universums beschleunigt.

Diese Dunkle Energie wird derzeit intensiv erforscht. Groß angelegte, derzeitige und geplante Beobachtungskampagnen bei optischen Wellenlängen versuchen die Eigenschaften der Dunklen Energie zu charakterisieren, indem sie untersuchen, wie diese Komponente das Gravitationslinsensignal oder die Häufung von Galaxien beeinflusst, oder indem sie direkt die Ausdehnungsrate zu verschiedenen kosmologischen Epochen messen. Eine klare Vorhersage für die Dunkle Energie ist, dass diese das Wachstum der gravitativen Potentialtöpfe auf großen Skalen beeinflussen sollte, wenn sie tatsächlich die Ausdehnung des Universums beschleunigt. In einem Universum mit einer flachen Geometrie wie dem unseren sollten die Potentialtöpfe ohne Dunkle Energie konstant bleiben: Ihr Wachstum durch die gravitative Verstärkung von Überdichten wird gerade durch die Ausdehnung des Raumes kompensiert. Wenn allerdings die Dunkle Materie dominiert und die Ausdehnung des Universums beschleunigt, so sollten diese Potentialtöpfe flacher werden, zumindest auf sehr großen Skalen.

Diese Verflachung der Potentialtöpfe sollte einen beobachtbaren Effekt auf die Intensitätsanisotropien der kosmischen Mikrowellenhintergrundstrahlung (CMB) haben. Diese Strahlung wurde zu sehr frühen Zeiten ausgesandt — nur etwa 380 000 Jahre nach dem Urknall — und muss auf ihrem Weg zu uns das gesamte sichtbare Universum durchqueren. Insbesondere müssen die CMB-Photonen die sich entwickelnden Potentialtöpfe durchqueren. Wenn diese während der Durchquerungszeit flacher geworden sind, sollten die Photonen Energie gewonnen haben, da sie einen Potentialtopf verlassen, der bei ihrem Austritt weniger tief ist als bei ihrem Eintritt. Diese gravitative "Blauverschiebung" des CMB ist unter dem Namen "integrierter Sachs-Wolfe-Effekt" (ISW) bekannt.

Die Anzahl der gravitativen Potentialtöpfe ist je nach Sichtlinie am Himmel unterschiedlich; dies bedeutet, dass der ISW-Effekt Anisotropien in der winkelabhängigen Intensitätsverteilung des CMB hervorrufen sollte. Wenn sich nun Galaxien und AGNs bevorzugt in genau diesen Potentialtöpfen bilden, so sollte es eine Korrelation geben zwischen den CMB-Anisotropien und der Verteilung der AGNs. Diese Ähnlichkeit ist in Abbildung 1 in zwei simulierten Karten für die Strahlung des CMB und die Dichtefluktuationen von Radiogalaxien mit aktiven galaktischen Kernen gezeigt, nachdem kleinskalige Anisotropien herausgefiltert wurden. Auf großen Winkelskalen (was auch großen gravitativen Potentialtöpfen entspricht) zeigen beide Karte gewisse Ähnlichkeiten, die durch eine statistische Analyse auch mit hoher Signifikanz nachgewiesen werden können.

Wendet man die gleiche Statistik aber auf reale Beobachtungsdaten an, so zeigen sich keine signifikanten Ähnlichkeiten zwischen diesen beiden Karten. Abbildung 2 zeigt reale CMB-Daten (gemessen vom WMAP-Satelliten) und die Winkelverteilung der Objekte im NVSS-Katalog (NRAO VLA Sky Survey), der etwa 1,6 Millionen außergalaktische Radioquellen enthält, von denen über 99% AGNs sein sollten.

Was aber bedeutet diese Diskrepanz? Der CMB wurde bereits vielfach mit theoretischen Vorhersagen verglichen und bisher zeigte sich im Großen und Ganzen eine gute Übereinstimmung. Andererseits zeigen die Fluktuationen der NVSS-Quellen auf großen Skalen ein deutliches Übermaß gegenüber den Vorhersagen (Abb.3). Da dieser Überschuss sich unabhängig von verschiedenen Schwellenwerten für die Flussdichten zeigt (d.h. auch die hellsten, am besten beobachteten Quellen zeigen dieses seltsame Verhalten), scheint ein systematischer Effekt aufgrund der Beobachtung unwahrscheinlich — wenn auch nicht unmöglich.

Lässt sich dieses Übermaß der Anisotropien von Radiogalaxien mit aktiven galaktischen Kernen auf großen Skalen mit dem vergleichen, das kürzlich im Sloan-Katalog für leuchtstarke rote Galaxien gefunden wurde? Ist dieses Übermaß ein Zeichen für eine intrinsische, nicht-Gauss"sche Verteilung der Materie in unserem Universum? Können wir aus diesem Ergebnis Folgerungen für die geheimnisvolle Dunkle Energie ableiten? Alle diese spannenden Fragen werden derzeit untersucht.

Quelle: Pressemeldung Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V.

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