Astronomie

Wie kann eine Galaxie zwischen unserem Blickfeld und der Galaxie dahinter einen „Linseneffekt“ haben?

Wie kann eine Galaxie zwischen unserem Blickfeld und der Galaxie dahinter einen „Linseneffekt“ haben?


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Diese Galaxie ist so weit entfernt, dass sie ohne die Gravitationslinseneffekte eines großen Galaxienhaufens namens Abell 1689, der sich fast 2,2 Milliarden Lichtjahre entfernt im Sternbild Jungfrau befindet, unsichtbar gewesen wäre. Die enorme Masse des Haufens wirkt wie ein natürliches Teleskop, indem sie das Licht von Objekten dahinter, wie A1689-zD1, beugt und verstärkt.

Für mich klingt das nicht ganz nach dem, was ein Teleskop tut.

Meine Frage ist: Wie kann eine Galaxie zwischen unserem Blickfeld und der Galaxie dahinter einen „Linseneffekt“ haben?


Es heißt Gravitationslinseneffekt. Hier ist ein Link zum Wikipedia-Artikel zu diesem Thema: http://en.wikipedia.org/wiki/Gravitational_lens.

Die Schwerkraft beeinflusst alles, auch das Licht. Ein massereiches Objekt wie ein Stern, eine Galaxie oder in diesem Fall ein Galaxienhaufen biegt die Bahn der Photonen, die sehr nahe an dem massereichen Objekt vorbeiziehen. Biegelicht ist die Grundlage der Linsen in einem optischen Teleskop.

Das Verhalten einer Gravitationslinse unterscheidet sich von dem einer optischen Linse. Das Endergebnis ist jedoch dasselbe: Gravitationslinsen ermöglichen es Astronomen, weiter entfernte Objekte zu sehen, als sie es ohne sie tun würden. Gravitationslinsen erzeugen mehrere Bilder der entfernten Objekte hinter der Linse. Oft haben diese Mehrfachbilder die Form von Streifen. Siehe das folgende Bild des Gravitationshaufens Abell 1689, der den Astronomen ermöglicht, A1689-zD1 zu sehen.


(Quelle: hubblesite.org)

Der Haufen vergrößerte die entfernte Galaxie A1689-zD1 um den Faktor 9,3. Ohne diese Vergrößerung wäre diese entfernte Galaxie für die aktuelle Technologie unsichtbar.


Ein Galaxienhaufen kann uns durch Hubbles Augen das gesamte Universum zeigen

Galaxienhaufen, wie der hier von Hubble aufgenommene massive, PLCK G004.5–19.5, beeindrucken nicht nur durch ihr Aussehen, sondern auch durch ihre Wissenschaft.

Da draußen in den Tiefen des Weltraums haben sich über Milliarden von Jahren Ansammlungen von Tausenden von Galaxien durch die unerbittliche Anziehungskraft der Schwerkraft gebildet.

Dies sind die größten gebundenen Strukturen von allen, da dunkle Energie die scheinbar größeren „Superhaufen“ auseinandertreiben wird.

Wenn Sie die Bewegungen der Galaxien innerhalb des Haufens abbilden, können Sie die Gesamtmasse des Haufens ableiten.

Der größte Teil der Masse befindet sich zwischen den Galaxien, was beweist, dass sich im Haufen unsichtbare Materie befindet.

Wir finden diese Haufen aus dem heißen intergalaktischen Gas, das das Hintergrundlicht des Urknalls verschoben hat.

Es gibt mehr Schwerkraft, als das Gas liefern kann, was das Vorhandensein nicht-baryonischer dunkler Materie zeigt.

Aber die gesamte Masse zusammen trägt zum Gravitationslinseneffekt bei.

Die Krümmung des Weltraums dehnt und vergrößert das Licht von Galaxien hinter dem Haufen.

Dies ist der ganze Zweck des gemeinsamen Hubble/Spitzer RELICS-Programms, das durch diesen Galaxienhaufen hervorgehoben wird.

Galaxien mit Gravitationslinsen sind die am weitesten entfernten, die jemals identifiziert wurden.

Durch diesen Prozess kann RELICS die perfekten Beobachtungsziele für das James-Webb-Weltraumteleskop aufdecken.

Meistens erzählt Mute Monday die astrophysikalische Geschichte eines Objekts, Bildes oder Phänomens in Bildern, Visuals und nicht mehr als 200 Wörtern.


Viele Galaxien müssen in dieser Hubble-Ansicht bewacht werden

Ähnlich wie die vielseitige Gruppe von Weltraumrebellen im kommenden Film Guardians of the Galaxy Vol. 2 hat das Hubble-Weltraumteleskop der NASA einige erstaunliche Superkräfte, insbesondere wenn es um die Beobachtung unzähliger Galaxien geht, die durch Zeit und Raum geschleudert werden.

Ein beeindruckendes Beispiel ist ein Galaxienhaufen namens Abell 370, der eine erstaunliche Ansammlung von mehreren hundert Galaxien enthält, die durch die gegenseitige Anziehungskraft miteinander verbunden sind. Das sind viele Galaxien, die bewacht werden müssen, und das nur in diesem einen Haufen!

Der riesige Haufen wurde in einer Kombination aus sichtbarem und nahinfrarotem Licht fotografiert und ist eine reiche Mischung aus Galaxienformen. Die hellsten und größten Galaxien im Haufen sind die gelb-weißen, massereichen, elliptischen Galaxien, die jeweils viele Hundert Milliarden Sterne enthalten. Spiralgalaxien – wie unsere Milchstraße – haben jüngere Sternenpopulationen und sind bläulich.

Zwischen den Galaxien sind mysteriös aussehende blaue Lichtbögen verwickelt. Dies sind tatsächlich verzerrte Bilder von entfernten Galaxien hinter dem Haufen. Diese weit entfernten Galaxien sind zu schwach, als dass Hubble sie direkt sehen könnte. Stattdessen fungiert der Haufen als riesige Linse im Weltraum, die Bilder von Hintergrundgalaxien wie ein Funhouse-Spiegel vergrößert und streckt. Das massive Gravitationsfeld des Vordergrundhaufens erzeugt dieses Phänomen. Die kollektive Schwerkraft aller Sterne und anderer Materie, die innerhalb des Haufens gefangen sind, verzerrt den Raum und beeinflusst das Licht, das durch den Haufen in Richtung Erde wandert.

Fast hundert entfernte Galaxien haben mehrere Bilder, die durch den Linseneffekt verursacht werden. Das beeindruckendste Beispiel ist “der Drache”, ein erweitertes Feature, bei dem es sich wahrscheinlich um mehrere duplizierte Bilder einer einzelnen Hintergrundspiralgalaxie entlang eines Bogens handelt.

Astronomen wählten Abell 370 als Ziel für Hubble, weil seine Gravitationslinseneffekte für die Sondierung entfernter Galaxien verwendet werden können, die das frühe Universum bewohnten.

Abell 370 befindet sich etwa 4 Milliarden Lichtjahre entfernt im Sternbild Cetus, das Seeungeheuer. Es ist der letzte von sechs Galaxienhaufen, die im kürzlich abgeschlossenen Frontier Fields-Projekt aufgenommen wurden. Diese ehrgeizige, von der Gemeinschaft entwickelte Zusammenarbeit zwischen den Großen Observatorien der NASA und anderen Teleskopen nutzte die Kraft massereicher Galaxienhaufen und untersuchte die frühesten Stadien der Galaxienentwicklung. Das Programm zeigt Galaxien, die 10 bis 100 Mal lichtschwächer sind als alle zuvor beobachteten.


Bisher beste Aussicht auf verschmelzende Galaxien im fernen Universum

Das Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array und viele andere Teleskope am Boden und im Weltraum wurden verwendet, um die bisher beste Sicht auf eine Kollision zwischen zwei Galaxien zu erhalten, als das Universum nur halb so alt war wie das heutige Alter. Die Astronomen nahmen die Hilfe einer galaxiengroßen Lupe in Anspruch, um ansonsten unsichtbare Details zu enthüllen. Diese neuen Studien der Galaxie H-ATLAS J142935.3-002836 haben gezeigt, dass dieses komplexe und weit entfernte Objekt der bekannten lokalen Galaxienkollision, den Antennengalaxien, überraschend ähnlich sieht. In diesem Bild können Sie die Vordergrundgalaxie sehen, die die Linsenbildung durchführt, die dem Aussehen unserer Heimatgalaxie, der Milchstraße, ähnelt, wenn sie von der Kante betrachtet wird. Aber um diese Galaxie herum gibt es einen fast vollständigen Ring – das verwischte Bild einer sternbildenden Galaxienverschmelzung weit dahinter. Dieses Bild kombiniert die Ansichten des Hubble-Weltraumteleskops der NASA/ESA und des Keck-II-Teleskops auf Hawaii (mit adaptiver Optik). Bildnachweis: ESO/NASA/ESA/W. M. Keck-Observatorium

Mit dem Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array und anderen Teleskopen hat ein internationales Astronomenteam die bisher beste Sicht auf eine Kollision zwischen zwei Galaxien erhalten, als das Universum halb so alt war wie das heutige Alter. Sie nahmen die Hilfe einer galaxiegroßen Lupe in Anspruch, um ansonsten unsichtbare Details zu enthüllen. Diese Studien der Galaxie H-ATLAS J142935.3-002836 haben gezeigt, dass dieses komplexe entfernte Objekt wie die lokale Galaxienkollision, die Antennengalaxien, aussieht.

Der berühmte fiktive Detektiv Sherlock Holmes verwendete eine Lupe, um kaum sichtbare, aber wichtige Beweise zu enthüllen. Astronomen kombinieren jetzt die Leistung vieler Teleskope auf der Erde und im Weltraum mit einer wesentlich größeren Form einer kosmischen Linse, um einen Fall starker Sternentstehung im frühen Universum zu untersuchen.

"Während Astronomen oft durch die Leistung ihrer Teleskope eingeschränkt sind, wird unsere Fähigkeit, Details zu sehen, in einigen Fällen durch natürliche Linsen, die vom Universum geschaffen wurden, enorm verbessert", erklärt Hauptautor Hugo Messias von der Universidad de Concepción (Chile) und dem Centro de Astronomia e Astrofísica da Universidade de Lisboa (Portugal). „Einstein sagte in seiner Allgemeinen Relativitätstheorie voraus, dass sich Licht bei ausreichender Masse nicht geradlinig ausbreitet, sondern ähnlich gebogen wird wie Licht, das von einer normalen Linse gebrochen wird.“

Diese kosmischen Linsen werden durch massive Strukturen wie Galaxien und Galaxienhaufen erzeugt, die aufgrund ihrer starken Schwerkraft das Licht von Objekten hinter sich ablenken – ein Effekt, der als Gravitationslinseneffekt bezeichnet wird. Die Vergrößerungseigenschaften dieses Effekts ermöglichen es Astronomen, Objekte zu untersuchen, die sonst nicht sichtbar wären, und lokale Galaxien direkt mit viel weiter entfernten Galaxien zu vergleichen, die gesehen wurden, als das Universum noch deutlich jünger war.

Aber damit diese Gravitationslinsen funktionieren, müssen die Linsengalaxie und die weit dahinter liegende Galaxie sehr genau ausgerichtet werden.

"Diese zufälligen Ausrichtungen sind ziemlich selten und in der Regel schwer zu identifizieren", fügt Hugo Messias hinzu, "jüngere Studien haben jedoch gezeigt, dass wir diese Fälle durch Beobachtung im fernen Infrarot und im Millimeterwellenbereich viel effizienter finden können."

H-ATLAS J142935.3-002836 (oder kurz H1429-0028) ist eine dieser Quellen und wurde im Herschel Astrophysical Terahertz Large Area Survey (H-ATLAS) gefunden. Obwohl es in Bildern mit sichtbarem Licht sehr schwach ist, gehört es zu den hellsten Objekten mit Gravitationslinsen im fernen Infrarotbereich, die bisher gefunden wurden, obwohl wir es zu einer Zeit sehen, als das Universum nur die Hälfte seines heutigen Alters hatte.

ALMA, das VLA und andere Teleskope verwendeten Gravitationslinsen, um die bisher beste Sicht auf eine Kollision zu erhalten, die zwischen zwei Galaxien stattfand, als das Universum nur halb so alt war wie derzeit. Diese neuen Studien der Galaxie H-ATLAS J142935.3-002836 haben gezeigt, dass dieses komplexe und weit entfernte Objekt der bekannten lokalen Galaxienkollision, den Antennengalaxien, überraschend ähnlich sieht. Die Vordergrundgalaxie macht die Linsenbildung und um sie herum ist ein fast vollständiger Ring – das verwischte Bild einer sternbildenden Galaxieverschmelzung weit darüber hinaus. Dieses Bild kombiniert die Ansichten des Hubble-Weltraumteleskops und des Keck-II-Teleskops auf Hawaii (mit adaptiver Optik) zusammen mit den rot dargestellten ALMA-Bildern. Die ALMA-Daten geben auch Aufschluss über die Bewegungen des Materials in den weit entfernten verschmelzenden Galaxien und waren entscheidend für die Entwirrung des komplexen Objekts. Bildnachweis: ESO, ALMA (NRAO/ESO/NAOJ) W.M. Keck-Observatorium NASA/ESA

Die Sondierung dieses Objekts war an der Grenze des Möglichen, daher startete das internationale Astronomenteam eine umfangreiche Nachfolgekampagne mit den leistungsstärksten Teleskopen – sowohl am Boden als auch im Weltraum – einschließlich des NASA/ESA Hubble Space Telescope ALMA , das Keck-Observatorium, das Karl Jansky Very Large Array (JVLA) und andere. Die verschiedenen Teleskope boten unterschiedliche Ansichten, die kombiniert werden konnten, um den bisher besten Einblick in die Natur dieses ungewöhnlichen Objekts zu erhalten.

Die Hubble- und Keck-Bilder zeigten einen detaillierten gravitationsinduzierten Lichtring um die Vordergrundgalaxie. Diese hochauflösenden Bilder zeigten auch, dass die Linsengalaxie eine Edge-on-Disc-Galaxie ist – ähnlich unserer Galaxie, der Milchstraße –, die aufgrund der großen Staubwolken, die sie enthält, Teile des Hintergrundlichts verdeckt.

Für ALMA und die JVLA ist diese Verdunkelung jedoch kein Problem, da diese beiden Einrichtungen den Himmel bei längeren Wellenlängen beobachten, die von Staub unbeeinflusst sind. Anhand der kombinierten Daten entdeckte das Team, dass das Hintergrundsystem tatsächlich eine fortlaufende Kollision zwischen zwei Galaxien war. Von diesem Zeitpunkt an spielten ALMA und die JVLA eine Schlüsselrolle bei der weiteren Charakterisierung dieses Objekts.

Insbesondere verfolgte ALMA Kohlenmonoxid, was detaillierte Studien der Sternentstehungsmechanismen in Galaxien ermöglicht. Mit den ALMA-Beobachtungen konnte auch die Bewegung des Materials im weiter entfernten Objekt gemessen werden. Dies war wichtig, um zu zeigen, dass das Objekt mit der Linse tatsächlich eine fortlaufende galaktische Kollision ist, die jedes Jahr Hunderte neuer Sterne bildet, und dass eine der kollidierenden Galaxien immer noch Anzeichen einer Rotation zeigt, was darauf hindeutet, dass es sich kurz vor dieser Begegnung um eine Scheibengalaxie handelte.

Das System dieser beiden kollidierenden Galaxien ähnelt einem Objekt, das uns viel näher ist: den Antennengalaxien. Dies ist eine spektakuläre Kollision zwischen zwei Galaxien, von denen man annimmt, dass sie in der Vergangenheit eine Scheibenstruktur hatten. Während das Antennensystem jedes Jahr Sterne mit einer Geschwindigkeit von nur wenigen zehn der Masse unserer Sonne bildet, verwandelt H1429-0028 jedes Jahr die mehr als 400-fache Gasmasse der Sonne in neue Sterne.

Rob Ivison, Wissenschaftsdirektor der ESO und Co-Autor der neuen Studie, folgert: "ALMA hat es uns ermöglicht, dieses Rätsel zu lösen, weil es uns Informationen über die Geschwindigkeit des Gases in den Galaxien liefert, was es ermöglicht, die verschiedenen Komponenten, die die klassische Signatur einer Galaxienverschmelzung enthüllen. Diese schöne Studie fängt eine Galaxienverschmelzung auf frischer Tat ein, als sie einen extremen Starburst auslöst."


Astronomen entwickeln neue Methode, um Dunkle Materie genauer zu „sehen“

Dunkle Materie ist die hypothetische Substanz, die Galaxien umhüllt und die reguläre Materie im Universum fünf zu eins überwiegt. Wir können es nicht direkt beobachten, weil es nicht mit Licht interagiert, aber wir können seine Gravitationseffekte messen, wie wir es „sehen“, insbesondere wenn wir die Bewegung von Galaxien und Galaxienhaufen betrachten.

Forscher haben über einen neuen Ansatz berichtet, der verbessert, wie wir das Vorhandensein von Dunkler Materie abschätzen oder "sehen". Wie in den monatlichen Mitteilungen der Royal Astronomical Society berichtet, verwendet diese Methode Gravitationslinsen. Die Schwerkraft massereicher Objekte verzerrt die Raumzeit so, dass jede dahinterliegende entfernte Lichtquelle dem Betrachter wie durch eine optische Linse erscheint.

Der in dieser speziellen Studie verwendete Effekt ist als schwacher Gravitationslinseneffekt bekannt. Dabei werden Form und Größe entfernter Galaxien nur geringfügig verändert.

"Die dunkle Materie wird das Bild von allem, was dahinter steckt, sehr leicht verzerren", erklärte Associate Professor Edward Taylor in einer Erklärung. „Der Effekt ist ein bisschen wie das Lesen einer Zeitung durch den Boden eines Weinglases.“

Die Erkennung dieser Veränderungen erfordert hochpräzise Beobachtungen, führt aber zu sehr detaillierten Karten der Dunklen Materie.

„Es ist, als würde man auf eine Flagge schauen, um zu wissen, wie viel Wind es gibt. Sie können den Wind nicht sehen, aber die Bewegung der Flagge zeigt Ihnen, wie stark der Wind weht“, fügte Hauptautor Pol Gurri, ein graduierter Forscher der Swinburne University of Technology, hinzu.

Das Team ging jedoch noch einen Schritt weiter als herkömmliche schwache Gravitationslinsen. Der neue Ansatz nutzte das ANU 2.3m Telescope in Australien, um die Rotationsgeschwindigkeit von Galaxien mit Gravitationslinsen zu messen. Dies ermöglicht eine noch genauere Ansicht der Verzerrung, was es dem Team wiederum ermöglicht, eine genauere Schätzung zu erstellen, wie viel dunkle Materie im Vordergrund vorhanden sein muss, um den sichtbaren Linseneffekt zu erzeugen.

„Weil wir wissen, wie sich Sterne und Gas in Galaxien bewegen sollen, wissen wir ungefähr, wie diese Galaxie aussehen sollte. Indem wir messen, wie verzerrt die Bilder der echten Galaxien sind, können wir herausfinden, wie viel dunkle Materie es braucht, um zu erklären, was wir sehen. sagte Gurri. „Mit unserer neuen Art, die Dunkle Materie zu sehen, hoffen wir, ein klareres Bild davon zu bekommen, wo sich die Dunkle Materie befindet und welche Rolle sie bei der Entstehung von Galaxien spielt.“

Zukünftige Missionen wie das römische Weltraumteleskop Nancy Grace der NASA und das Weltraumteleskop Euclid der ESA sollen diese Beobachtungen für Hunderte Millionen von Galaxien durchführen.


Wie kann eine Galaxie zwischen unserem Blickfeld und der Galaxie dahinter einen „Linseneffekt“ haben? - Astronomie

Gravitationslinsen können rein geometrische Tests der Struktur der Raumzeit liefern, beispielsweise durch empirische Bestimmung der Winkeldurchmesser-Entfernungs-Rotverschiebungs-Beziehung. Dieser geometrische Test wurde mehrmals mit massiven Clustern demonstriert, die ein großes Linsensignal erzeugen. In diesem Fall dominiert Materie bei einer einzelnen Rotverschiebung das Linsensignal, sodass die Analyse einfach ist. Es ist weniger klar, wie schwächere Signale von mehreren Quellen bei unterschiedlichen Rotverschiebungen gestapelt werden können, um die geometrische Abhängigkeit zu demonstrieren. Wir führen ein einfaches Maß der relativen Scherung ein, das für flache Kosmologien den Effekt von Linsen- und Quellenpositionen in multiplikative Ausdrücke unterteilt, wodurch Signale von vielen verschiedenen Quellen-Linsen-Paaren kombiniert werden können. Bei Anwendung dieser Technik auf eine Stichprobe von Gruppen und Clustern mit geringer Masse in der COSMOS-Untersuchung stellen wir eine deutliche Variation der Scherung mit der Entfernung hinter der Linse fest. Dies ist die erste Detektion des geometrischen Effekts unter Verwendung von schwachem Linseneffekt durch mehrere Gruppen mit geringer Masse. Die Variation der Entfernung mit Rotverschiebung wird mit ausreichender Genauigkeit gemessen, um die Zustandsgleichung des Universums unter der Annahme der Flachheit einzuschränken, äquivalent zu einer Detektion einer Dunkelenergiekomponente Ω X mit mehr als 99% Konfidenz für eine Zustandsgleichung Parameter -2.5 <= w <= -0.1. Für den Fall w = -1 finden wir einen Wert für den kosmologischen konstanten Dichteparameter Ω Λ = 0,85 +0,044 -0,19 (68% CL) und detektieren die kosmische Beschleunigung (q 0 < 0) bei 98% CL. Wir betrachten die systematischen Unsicherheiten, die mit dieser Technik verbunden sind, und diskutieren die Aussichten für ihre Anwendung in bevorstehenden Schwachlinsen-Umfragen.

Basierend auf Beobachtungen mit dem NASA/ESA-Weltraumteleskop Hubble, die am Space Telescope Science Institute, das von AURA Inc. unter dem NASA-Vertrag NAS 5-26555 betrieben wird, erhalten wurde das Subaru-Teleskop, das vom National Astronomical Observatory of Japan betrieben wird Southern Observatory im Rahmen des Large Program 175.A-0839, Chile Kitt Peak National Observatory, Cerro Tololo Inter-American Observatory und das National Optical Astronomy Observatory, die von der Association of Universities for Research in Astronomy, Inc. (AURA) betrieben werden im Rahmen einer Kooperationsvereinbarung mit der National Science Foundation.


Wie kann eine Galaxie zwischen unserem Blickfeld und der Galaxie dahinter einen „Linseneffekt“ haben? - Astronomie

Galaxy-Galaxy Lensing (GGL) misst die 2-Punkt-Kreuzkorrelation zwischen Galaxien und Masse im Universum. In dieser Arbeit versuchen wir, diesen Effekt zu verallgemeinern, indem wir die Korrelationen dritter Ordnung zwischen Galaxien und Masse betrachten: Galaxie-Galaxie-Galaxie-Linsen. Korrelationen dritter Ordnung im kosmischen Scherfeld wurden kürzlich in den VIRMOS-DESCART- und CTIO-Durchmusterungen berichtet. Solche Daten sollten auch ideal für die Messung des Galaxie-Galaxie-Galaxie-Linsens sein. Tatsächlich könnten die Auswirkungen dieser Korrelationen höherer Ordnung bereits in neueren Studien zum Galaxien-Linsen-Effekt entdeckt worden sein. Kreuzkorrelationsfunktionen höherer Ordnung enthalten unschätzbare Informationen über die Beziehung zwischen Galaxien und ihren Massenumgebungen, die GGL-Studien allein nicht erkennen können. In diesem Beitrag legen wir die grundlegenden Beziehungen für Kreuzkorrelationen dritter Ordnung und ihre Projektionen dar und stellen einen neuen Satz skalenabhängiger Verzerrungsparameter dritter Ordnung vor. Wir definieren drei neue Observablen: zwei Galaxien-Scher-Scher-Korrelationsfunktionen, G ± , und eine Galaxie-Galaxie-Scher-Korrelation, G. Wir beziehen diese auf die verschiedenen projizierten Kreuzbispektren und geben praktische Schätzer für deren Messung. Wir stellen fest, dass die Beobachtungssignatur dieser Korrelatoren einfach die übermäßige Scher-Scher-Korrelation ist, die an Vordergrundgalaxien (für G ± ) und der durchschnittlichen tangentialen Scherung um Vordergrundgalaxienpaare (für G) gemessen wurde. Diese Größen sind bei der Scherung höchstens zweiter Ordnung und sollten daher leichter messbar sein als die Scher-3-Punkt-Korrelation. Schließlich leiten wir Ausdrücke für die Aperturmassenstatistik dritter Ordnung sowohl hinsichtlich der Kreuzbispektren als auch der Realraum-Korrelationsfunktionen her. Solche Statistiken liefern eine sehr lokalisierte Messung der Bispektren, wodurch im Wesentlichen alle verfügbaren Informationen dritter Ordnung eingekapselt werden, während sie aus Beobachtungen von 3-Punkt-Kreuzkorrelationsfunktionen leicht erhältlich bleiben. Darüber hinaus finden wir, dass die Verwendung von Aperturstatistiken den weiteren Vorteil hat, dass sie nur den zusammenhängenden Teil der Korrelation dritter Ordnung messen.


Gravitationslinseneffekt: Astronomen entdecken seltenen Bogen von einem gewaltigen Galaxienhaufen

Sehen heißt glauben, außer wenn Sie nicht glauben, was Sie sehen. Astronomen haben mit dem Hubble-Weltraumteleskop der NASA einen rätselhaften Lichtbogen hinter einem extrem massereichen Galaxienhaufen gefunden, der 10 Milliarden Lichtjahre entfernt liegt. Die vom Spitzer-Weltraumteleskop der NASA entdeckte galaktische Gruppierung wurde so beobachtet, wie sie existierte, als das Universum etwa ein Viertel seines aktuellen Alters von 13,7 Milliarden Jahren hatte. Der Riesenbogen ist die gestreckte Form einer weiter entfernten Galaxie, deren Licht durch die starke Schwerkraft des Monsterhaufens verzerrt wird, ein Effekt, der als Gravitationslinseneffekt bezeichnet wird. Das Problem ist, dass der Lichtbogen nicht existieren sollte.

„Als ich es zum ersten Mal sah, starrte ich es immer wieder an und dachte, es würde verschwinden“, sagte Studienleiter Anthony Gonzalez von der University of Florida in Gainesville, zu dessen Team Forscher des Jet Propulsion Laboratory der NASA in Pasadena, Kalifornien, gehören einer statistischen Analyse zufolge sollten Bögen in dieser Entfernung extrem selten sein.Zu dieser frühen Epoche ist zu erwarten, dass hinter dem Haufen nicht genügend Galaxien hell genug sind, um gesehen zu werden, selbst wenn sie durch den Haufen "mit einer Linse" versehen oder verzerrt wurden. Das andere Problem ist, dass Galaxienhaufen mit zunehmender Zeit immer weniger massiv werden. Daher ist es schwieriger, einen Haufen mit ausreichender Masse zu finden, um eine gute Linse zu sein, um das Licht einer entfernten Galaxie durch die Gravitation zu biegen.“

Galaxienhaufen sind Ansammlungen von Hunderten bis Tausenden von Galaxien, die durch die Schwerkraft miteinander verbunden sind. Sie sind die massivsten Strukturen in unserem Universum. Astronomen untersuchen häufig Galaxienhaufen, um nach weit entfernten, vergrößerten Galaxien dahinter zu suchen, die sonst mit Teleskopen zu dunkel wären. Viele solcher Galaxien mit Gravitationslinse wurden hinter Galaxienhaufen näher an der Erde gefunden.

Die Überraschung bei dieser Hubble-Beobachtung ist die Entdeckung einer Galaxie, die von einem extrem weit entfernten Haufen aufgenommen wird. Der Cluster mit dem Namen IDCS J1426.5+3508 ist der massivste, der in dieser Epoche gefunden wurde und wiegt bis zu 500 Billionen Sonnen. Er ist 5- bis 10-mal größer als andere Cluster, die zu einem so frühen Zeitpunkt in der Geschichte des Universums gefunden wurden. Das Team entdeckte den Cluster bei einer Suche mit dem Spitzer-Weltraumteleskop der NASA in Kombination mit optischen Archivbildern, die im Rahmen der Deep Wide Field Survey des National Optical Astronomy Observatory am Kitt Peak National Observatory in Tucson, Arizona, aufgenommen wurden. Die kombinierten Bilder ermöglichten es ihnen, zu sehen der Haufen als Gruppierung sehr roter Galaxien, was darauf hinweist, dass sie weit entfernt sind.

Dieses einzigartige System bildet den am weitesten entfernten Haufen, von dem bekannt ist, dass er einen riesigen Bogen mit Gravitationslinsen "beherbergt". Das Auffinden dieses uralten Gravitationsbogens kann Aufschluss darüber geben, wie in den ersten Momenten nach dem Urknall die Bedingungen für das Wachstum mächtiger Haufen im frühen Universum geschaffen wurden.

Der Bogen wurde in optischen Bildern des Clusters entdeckt, die 2010 von Hubbles Advanced Camera for Surveys aufgenommen wurden. Die Infrarot-Fähigkeiten der Wide Field Camera 3 von Hubble halfen dabei, eine präzise Entfernung zu erzielen, was bestätigte, dass es sich um einen der am weitesten entdeckten Cluster handelt.

Nachdem die Astronomen die Entfernung des Haufens bestimmt hatten, verwendeten sie Hubble, das Combined Array for Research in Millimeter-wave Astronomy (CARMA)-Radioteleskop, und das Chandra-Röntgenobservatorium der NASA, um unabhängig voneinander zu zeigen, dass die galaktische Gruppierung extrem massereich ist.

„Die Wahrscheinlichkeit, einen solch gigantischen Haufen so früh im Universum zu finden, lag in dem kleinen, von uns untersuchten Gebiet bei weniger als einem Prozent“, sagte Teammitglied Mark Brodwin von der University of Missouri-Kansas City. "Es teilt einen evolutionären Pfad mit einigen der massivsten Cluster, die wir heute sehen, einschließlich des Coma-Clusters und des kürzlich entdeckten El Gordo-Clusters."

Eine Analyse des Bogens ergab, dass das Linsenobjekt eine sternbildende Galaxie ist, die vor 10 bis 13 Milliarden Jahren existierte. Das Team hofft, Hubble erneut verwenden zu können, um eine genauere Entfernung zur Linsengalaxie zu erhalten. Die Ergebnisse des Teams werden in drei Artikeln beschrieben, die heute online erscheinen und in der Ausgabe vom 10. Juli 2012 von . veröffentlicht werden Das Astrophysikalische Journal. Gonzalez ist der erste Autor einer der Arbeiten Brodwin, einer anderen und Adam Stanford von der University of California in Davis, der dritten. Daniel Stern und Peter Eisenhardt vom JPL sind Co-Autoren aller drei Arbeiten.


Hubble sieht Linsengalaxiehaufen Abell 2813

Dieses Hubble-Bild zeigt den Galaxienhaufen Abell 2813. Das Farbbild wurde aus Beobachtungen erstellt, die mit Hubbles Advanced Camera for Surveys (ACS) und Wide Field Camera 3 (WFC3) Instrumenten aufgenommen wurden. Mehrere Filter wurden verwendet, um verschiedene optische Wellenlängen abzutasten. Die Farbe ergibt sich aus der Zuweisung unterschiedlicher Farbtöne zu jedem monochromatischen Bild, das einem einzelnen Filter zugeordnet ist. Bildnachweis: NASA / ESA / Hubble / D. Coe et al.

Galaxienhaufen enthalten Tausende von Galaxien jeden Alters, jeder Form und Größe.

Typischerweise haben sie eine Masse von etwa einer Million Milliarden Mal der Masse der Sonne.

Zu einem bestimmten Zeitpunkt galten Galaxienhaufen als die größten Strukturen des Universums – bis sie in den 1980er Jahren durch die Entdeckung von Superhaufen an sich gerissen wurden, die typischerweise Dutzende von Galaxienhaufen und -gruppen enthalten und Hunderte von Millionen Licht überspannen. Jahre.

Allerdings haben Haufen eine Sache, an die sie sich klammern können. Superhaufen werden nicht durch die Schwerkraft zusammengehalten, so dass Galaxienhaufen immer noch den Titel der größten, durch die Schwerkraft gebundenen Strukturen im Universum behalten.

Albert Einstein sagte in seiner Allgemeinen Relativitätstheorie voraus, dass massive Objekte das Raumgefüge selbst verformen werden.

Wenn Licht eines dieser Objekte passiert, beispielsweise einen Galaxienhaufen, ändert sich seine Bahn leicht.

Dieser als Gravitationslinseneffekt bekannte Effekt ist nur in seltenen Fällen sichtbar und nur die besten Teleskope können die entsprechenden Phänomene beobachten.

Das neue Bild des Hubble-Weltraumteleskops der NASA/ESA zeigt Abell 2813, einen Galaxienhaufen im Sternbild Cetus.

Auch bekannt als ACO 2813 und RXC J0043.4-2037, ist es so weit entfernt, dass das Licht von ihm ungefähr 3,4 Milliarden Jahre zurückgelegt hat, um uns zu erreichen.

Die Gravitation von Abell 2813 fungiert als die oben erwähnte Gravitationslinse, die es uns ermöglicht, die weiter entfernten Galaxien dahinter zu sehen.

„Unter den winzigen Punkten, Spiralen und Ovalen, die die Galaxien des Haufens sind, gibt es mehrere unterschiedliche Sichelformen“, sagten Hubble-Astronomen.

„Diese gekrümmten Halbmonde und S-Formen des Lichts sind keine gekrümmten Galaxien, sondern Licht von Galaxien, die tatsächlich jenseits von Abell 2813 liegen.“


Daten von antipodischen Orten: Erster Einsatz der CMB-Polarisation zum Nachweis von Gravitationslinsen von Galaxienhaufen

Die Kamera des Südpolteleskops misst winzige Schwankungen in der Polarisation des kosmischen Mikrowellen-Hintergrundlichts am Südhimmel. Bildnachweis: Jason Gallicchio, University of Chicago

Galaxien. Verschmelzungen von Sternen, interstellarem Gas, Staub, stellaren Trümmern und dunkler Materie. Sie tanzen durch das kalte Universum, die Schwerkraft nährt ihre Umarmung. Gelegentlich schneeballen Galaxien zu riesigen Galaxienhaufen mit Massen, die durchschnittlich das 100 Billionenfache unserer Sonne betragen.

Aber das war nicht immer der Fall.

Im Säuglingsuniversum waren die Temperaturen so hoch, dass Elektronen und Protonen zu heiß waren, um Atome zu bilden. Alles war ein heißes, ionisiertes Gas, ähnlich der Sonnenoberfläche.

In den nächsten 400.000 Jahren dehnte sich das Universum aus und kühlte sich auf etwa 3.000 Grad Celsius ab, etwa auf die Temperatur eines Industrieofens. Bei diesen Temperaturen verbinden sich Elektronen und Protonen zu Wasserstoffatomen und setzen dabei Photonen frei. Dieses Licht, die kosmische Mikrowellen-Hintergrundstrahlung genannt, reist seitdem durch den Weltraum, ein Wasserzeichen von Raum und Zeit.

Nun haben Wissenschaftler neue Wege gefunden, Informationen aus dieser unerschöpflichen Zeitmaschine herauszukitzeln.

Einschränkende Kosmologie mit CMB-Polarisation

In einer Studie veröffentlicht in Physische Überprüfungsschreiben, Fermilab und der Wissenschaftler Brad Benson von der University of Chicago und Kollegen verwenden die Polarisation oder Ausrichtung des kosmischen Mikrowellenhintergrunds, um die Massen riesiger Galaxienhaufen mit einem neuen mathematischen Schätzer zu berechnen. Dies ist das erste Mal, dass Wissenschaftler diese Massen mit der Polarisation des CMB und der neuartigen Schätzmethode gemessen haben.

„Diese Schätzung ist wichtig, weil der größte Teil der Masse von Galaxienhaufen nicht einmal sichtbar ist – es handelt sich um dunkle Materie, die kein Licht emittiert, sondern durch die Schwerkraft interagiert und etwa 85% der Materie in unserem Universum ausmacht“, sagte Benson.

Die Arbeit der Wissenschaftler könnte schließlich Licht in dunkle Materie, dunkle Energie und kosmologische Parameter bringen, die mehr über die Strukturbildung im Universum aufdecken.

Wissenschaftler suchen nach kleinen Wellen um Galaxienhaufen – ein Effekt, der als Gravitationslinseneffekt bezeichnet wird. Die Linsenwirkung ähnelt dem Effekt, den Sie sehen würden, wenn Sie durch den Boden eines klaren Weinglases schauen, hinter dem eine Kerze angezündet wird – ein Lichtring. Bildnachweis: Sandbox Studio

Ziel: Antarktis

An der Südpolstation Amundsen-Scott arbeiten Supportmitarbeiter und Wissenschaftler, die den Spitznamen "Becher" tragen, rund um die Uhr, um das Südpolteleskop zu verwalten. Es ist keine leichte Arbeit. Die Amundsen-Scott Südpolstation befindet sich am südlichsten Ort der Erde, wo die Durchschnittstemperatur minus 47 Grad Celsius beträgt und die Sonne nur einmal im Jahr auf- und untergeht. Aber das South Pole Telescope, ein 10-Meter-Teleskop zur Beobachtung des kosmischen Mikrowellenhintergrunds, bekannt als CMB, ist in dieser rauen Umgebung mehr als in der Lage, seine wissenschaftlichen Ziele zu erreichen.

Die Kamera des Südpolteleskops misst winzige Schwankungen der Polarisation des CMB-Lichts am Südhimmel in der Größenordnung von 1 zu 100 Millionen im Durchschnitt, empfindlicher als jedes andere Experiment bisher.

„Diese winzigen Variationen können durch große Objekte wie Galaxienhaufen beeinflusst werden, die als Linsen fungieren, die charakteristische Verzerrungen in unserem Signal erzeugen“, sagte Benson.

Das Signal, nach dem Benson und andere Wissenschaftler suchten, war eine kleine Welle um Galaxienhaufen – ein Effekt, der als Gravitationslinseneffekt bezeichnet wird. Einen ähnlichen Effekt können Sie selbst sehen, wenn Sie durch den Boden eines klaren Weinglases schauen, hinter dem eine Kerze angezündet wird.

„Wenn Sie durch den Boden eines Weinglasbodens auf eine Flamme schauen, können Sie einen Lichtring sehen. Das ist wie der Effekt, den wir von einer starken Gravitationslinse sehen würden“, sagte Benson. "Wir sehen hier einen ähnlichen Effekt, außer dass die Verzerrung viel schwächer ist und das CMB-Licht über einen viel größeren Bereich am Himmel verteilt wird."

Es gab jedoch ein Problem. Wissenschaftler schätzten, dass sie sich etwa 17.000 Galaxienhaufen ansehen müssten, um den Gravitationslinseneffekt des CMB zu messen und die Massen von Galaxienhaufen mit einiger Sicherheit abzuschätzen, sogar mit ihrem neuen mathematischen Schätzer. While the South Pole Telescope provided deeper and more sensitive measurements of the CMB's polarization than ever before, its library of galaxy locations contained only about 1,000 galaxy clusters.

To identify more galaxy cluster locations from which to examine the gravitational lensing of CMB light around galaxy clusters, the scientists needed to travel roughly 6,000 kilometers north of the South Pole to the Atacama region of Chile, home to the Cerro Tololo Inter-American Observatory.

The Dark Energy Camera captures the light and locations of the 17,000 galaxy clusters scientists needed to observe gravitational lensing of cosmic-microwave-background light by galaxy clusters. Credit: Reidar Hahn, Fermilab

The Dark Energy Camera, mounted 2,200 meters above sea level on the 4-meter Blanco telescope at Cerro Tololo, is one of the largest digital cameras in the world. Its 520 megapixels see light from objects originating billions of light-years away and capture them in unprecedented quality. Most importantly, the camera captures the light and locations of the 17,000 galaxy clusters scientists needed to observe gravitational lensing of CMB light by galaxy clusters.

The scientists identified the locations of these clusters using three years' worth of data from the Fermilab-led Dark Energy Survey and then put these locations into a computer program that searched for evidence of gravitational lensing by the clusters in the polarization of the CMB. Once evidence was found, they could calculate the masses of the galaxy clusters themselves using their new mathematical estimator.

Destination: Unspoiled places

In the current study, the scientists found the average galaxy cluster mass to be around 100 trillion times the mass of our sun, an estimate that agrees with other methods. A substantial fraction of this mass is in the form of dark matter.

To probe deeper, the scientists plan to perform similar experiments using an upgraded South Pole Telescope camera, SPT-3G, installed in 2017, and a next-generation CMB experiment, CMB-S4, that will offer further improvements in sensitivity and more galaxy clusters to examine.

CMB-S4 will consist of dedicated telescopes equipped with highly sensitive superconducting cameras operating at the South Pole, the Chilean Atacama plateau and possibly northern-hemisphere sites, allowing researchers to constrain the parameters of inflation, dark energy and the number and masses of neutrinos, and even test general relativity on large scales.

Anthony Bourdain, a gifted storyteller and food writer, once called Antarctica "the last unspoiled place on Earth … where people come together to explore the art of pure science, looking for something called facts."

Scientists go far beyond Antarctica to another unspoiled place, the farthest reaches of our universe, to grapple with fundamental cosmological parameters and the behavior of structure in our universe.


Two possibilities

The researchers suggest there are two likely explanations for this discrepancy: either we don't appreciate all the properties of dark matter or there's something missing from our simulations of the Universe's evolution. Since both of those get the big picture of the Universe largely right, however, the issue is going to be a subtle one and consequently difficult to identify, should these results get an independent confirmation. One possibility is that the problems seem to be in the area of galaxies, where there would be a lot of matter-dark matter interactions. If there's something more complicated going on there, it could easily throw off the models.

For now, however, there are already likely to be teams with additional data in hand that could perform similar analysis, so we'll have to wait for those to be done. Theoretical cosmologists, being the impatient sort, will undoubtedly be testing out dark matter variants long before any additional reanalyses are out.