Schlagwort: Rotverschiebung

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Ein Flug durch Hubbles Ultra Deep Field

Videocredit: NASA, ESA, F. Summers, Z. Levay, L. Frattare, B. Mobasher, A. Koekemoer und das HUDF-Team (STScI)

Wie sieht es aus, wenn man durchs ferne Universum fliegt? Um das herauszufinden, schätzte ein Team von Astronominnen* die relative Entfernung von mehr als 5000 Galaxien im Hubble Ultra Deep Field (HUDF). Es ist eins der fernsten Galaxienfelder, die je abgebildet wurden.

Licht braucht viel Zeit, um das Universum zu durchqueren. Daher sehen wir die meisten Galaxien im Video zu einer Zeit, als das Universum erst einen Bruchteil seines jetzigen Alters hatte. Damals entstanden die Galaxien gerade erst. Sie hatten ungewöhnliche Formen, wenn man sie mit Galaxien der Gegenwart vergleicht. Es gibt noch keine ausgeprägten Spiralgalaxien wie unsere Milchstraße oder die Andromedagalaxie.

Am Ende des Videos fliegt man an den fernsten Galaxien des HUDF-Feldes mit einer Rotverschiebung von mehr als 8 vorbei. Diese frühe Klasse an Galaxien hat eine geringe Leuchtkraft. Diese frühen Galaxien enthielten wahrscheinlich energiereiche Sterne. Ihr Licht verwandelte einen Großteil der übrig gebliebenen normalen Materie im Universum von einem kalten Gas in heißes, ionisiertes Plasma.

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Zufallsblitz – ein Kandidat für den bisher fernsten Stern

Die Markierung im linken Bild zeigt einen besonderen Stern, der in den Einschüben rechts markiert ist. Im oberen Bild von 2011 ist an der Stelle kein Stern, im unteren Bild von 2016 tauchte er wie aus dem Nichts auf.

Bildcredit: NASA, ESA und P. Kelly (U. Minnesota) et al.

Stammt dieser Blitz vom fernsten Stern, den wir je gesehen haben? Auf Bildern des Weltraumteleskops Hubble wurde zufällig ein unerwarteter Lichtblitz entdeckt. Er ist vielleicht nicht nur ein ungewöhnliches Ereignis, bei dem eine Gravitationslinse entstand. Es kann sein, dass er das Bild eines normalen Sterns ist, der 100 Mal weiter entfernt ist als jeder Stern, der bisher einzeln abgebildet wurde.

Das Bild zeigt links viele gelbliche Galaxien im Galaxienhaufen. Ein Quadrat zeigt, wo 2016 eine Quelle auftauchte, die 2011 nicht erkennbar war. Spektrum und Veränderlichkeit der Quelle passen seltsamerweise nicht zu einer Supernova. Stattdessen passen sie eher zu einem normalen blauen Überriesenstern, der durch mehrere ausgerichtete Gravitationslinsen etwa 2000-fach vergrößert wurde. Diese Quelle wird Icarus genannt. Sie befindet in einer Galaxie, die weit hinter dem Galaxienhaufen im fernen Universum liegt. Ihre Rotverschiebung beträgt 1,5.

Nehmen wir an, die Linse wurde korrekt interpretiert und Icarus ist kein explodierender Stern. Dann liefern weitere Beobachtungen dieses Sterns und anderer Sterne, die ähnlich vergrößert sind, vielleicht Information, wie viel stellare und Dunkle Materie es in diesem Galaxienhaufen und im Universum gibt.

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Hubbles Ultra Deep Field in Licht und Ton

Das Bild zeigt das berühmte Hubble Ultra Deep Field mit unzähligen Galaxien. Beim Klick auf das Bild gelangt man zu einer vertonten Darstellung des Hubble Ultra Deep Field (HUDF).

Bildcredit: NASA, ESA, Hubble; Vertonung: G. Salvesen (UCSB); Daten: M. Rafelski et al.

Sicher habt ihr schon einmal Hubbles Ultra Deep Field gesehen. Aber habt ihr es auch schon mal gehört? Schiebt den Mauspfeil über das Bild und hört zu! Hubbles Ultra Deep Field (HUDF) wurde 2003–2004 mit dem Weltraumteleskop Hubble erstellt. Dazu starrte es lange Zeit in den fast leeren Raum. Dabei wurden ferne, blasse Galaxien sichtbar.

Das HUDF ist eines der berühmtesten Bilder der Astronomie. Es wurde hier in Töne übersetzt. Die Entfernungen sind akustisch dargestellt. Wenn ihr auf eine Galaxie zeigt, erklingt ein Ton. Er deutet ihre ungefähre Rotverschiebung an. Die Rotverschiebung verschiebt das Licht zum roten Ende des Spektrums von Licht. Daher wurden die Töne zum tiefen Ende des Klangspektrums verschoben. Je weiter die Galaxie entfernt ist, desto größer ist ihre kosmologische Rotverschiebung (sogar wenn sie blau erscheint), und desto tiefer ist dann auch der abgespielte Ton. Die meisten Galaxien im HUDF sind ungefähr 10,6 Milliarden Lichtjahre entfernt und klingen wie F#. Findet ihr die am weitesten entfernte Galaxie?

Dieses Weltraumbild des Tages (APOD) zeigt einen Eintrag der neuen Webpräsenz Astronomy Sound of the Month (Astronomieklang des Monats – AstroSoM).

Hinweis: Nicht alle Browser spielen den Ton ab.

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Galaxien entstehen in einem magnetischen Universum

Bildcredit: IllustrisTNG Projekt; Visualisierung: Mark Vogelsberger (MIT) et al. Musik: Gymnopedie 3 (Komponist: Erik Satie, Musiker: Wahneta Meixsell)

Woher kommen wir? Wir wissen, dass wir auf einem Planeten leben, der um einen Stern kreist. Dieser umrundet eine Galaxie. Aber wie ist das alles entstanden?

Um das zu verstehen, verbesserten Forschende die berühmte Illustris–Simulation. So entstand IllustrisTNG, das bisher komplexeste Computermodell. Es zeigt, wie Galaxien im Universum entstehen. Im Video entwickeln sich die Magnetfelder vom frühen Universum (Rotverschiebung 5) bis heute (Rotverschiebung 0). Relativ schwache Magnetfelder sind blau, starke sind weiß dargestellt. Diese Felder passen sehr gut zu Galaxien und Galaxienhaufen.

Zu Beginn der Simulation kreist eine erdachte Kamera um das virtuelle IllustrisTNG-Universum. Sie zeigt eine junge Region, die 30 Millionen Lichtjahre groß und ziemlich fadenförmig ist. Durch die Schwerkraft entstehen viele Galaxien. Sie verschmelzen, während sich das Universum ausdehnt und entwickelt. Am Ende passt das simulierte IllustrisTNG-Universum statistisch gesehen gut zu dem Universum, das wir heute beobachten. Doch es gibt einige interessante Unterschiede. Dazu gehört z. B. eine Abweichung bei der Energie von Radiowellen, die von schnellen geladenen Teilchen ausgehen.

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CMB-Dipol: Durchs Universum rasen

Die Karte zeigt, mit welcher Geschwindigkeit sich die Erde und ihre Umgebung im Vergleich zum kosmischen Mikrowellenhintergrund bewegen. Die Bewegungsrichtung verläuft von rot nach blau.

Bildcredit: DMR, COBE, NASA, Vier-Jahres-Himmelskarte

Unsere Erde steht nicht still. Sie bewegt sich um die Sonne. Die Sonne umrundet das Zentrum der Galaxis. Die Galaxis kreist um die Galaxien der Lokalen Gruppe. Die Lokale Gruppe stürzt zum Virgo-Galaxienhaufen. Doch diese Geschwindigkeiten sind viel kleiner als jene, mit der sich all diese Objekte zusammen relativ zur kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung (CMBR) bewegen.

Diese Karte zeigt den ganzen Himmel. Sie wurde mit dem Satelliten COBE erstellt. Darauf erscheint die Strahlung in der Bewegungsrichtung der Erde blauverschoben und somit heißer. Dagegen ist Strahlung von der gegenüberliegenden Himmelsrichtung rotverschoben und kühler.

Die Karte lässt darauf vermuten, dass sich die Lokale Gruppe relativ zu dieser Ursprungsstrahlung mit etwa 600 Kilometern pro Sekunde bewegt. Diese hohe Geschwindigkeit war unerwartet. Ihre Größe ist immer noch ein Rätsel. Warum rasen wir so schnell? Was ist da draußen?

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Baryonische akustische Schwingungen von SDSS-III

Diese künstlerische Darstellung zeigt ringförmige Verdichtungen in der Verteilung von Galaxien im fernen Universum. Damals war das Universum halb so alt wie heute.

Illustrationscredit: Zosia Rostomian (LBNL), SDSS-III, BOSS

Wie groß erscheinen Dinge, wenn sie weit entfernt sind? Wenn man durch das Universum späht, sagt uns die Antwort auch etwas über seine gemittelte Gravitationsgeschichte und seine Zusammensetzung.

Die Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS) der Sloan Digital Sky Survey-III (SDSS-III) vermaß leichte wiederkehrende Steigerungen der Galaxiendichte. Sie sind bis zu sechs Milliarden Lichtjahre entfernt. Die Rotverschiebung beträgt 0,7. Damals war das Universum etwa halb so alt wie jetzt.

Die Dichteschwankungen werden als Baryonische akustische Oszillation (BAO) bezeichnet. Man vermutet, dass sie im frühen Universum in einer bekannten Größenordnung entstanden sind. Die BOSS-Messungen dieser Größenordnung legen einen großen Anteil an Dunkler Energie im Universum nahe. Sie bestätigen somit frühere Hinweise auf diese ungewöhnliche Zusammensetzung.

Diese Illustration zeigt verstärkte BAOs im fernen Universum.

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Flug durch Hubbles Ultra Deep Field

Videocredit: NASA, ESA, F. Summers, Z. Levay, L. Frattare, B. Mobasher, A. Koekemoer und das HUDF-Team (STScI)

Wie sieht es aus, wenn man durch das ferne Universum fliegt? Ein Team Weltraumforschender wollte das herausfinden. Dazu schätzten sie die relativen Entfernungen von mehr als 5000 Galaxien in einem der am weitesten entfernten Galaxienfelder, die je fotografiert wurden: dem Hubble Ultra Deep Field (HUDF).

Licht braucht extrem lange, um das Universum zu durchqueren. Daher sind die meisten Galaxien im Video noch im Prozess der Entstehung. Das Universum hatte damals nur einen Bruchteil seines aktuellen Alters erreicht. Viele Galaxien sind daher ungewöhnlich geformt, wenn man sie mit aktuellen Galaxien vergleicht. Hier existieren noch keine voll entwickelten Spiralgalaxien wie unsere Milchstraße oder die Andromedagalaxie.

Gegen Ende des Videos fliegen wir an den fernsten Galaxien im HUDF vorbei. Deren gemessene Rotverschiebung beträgt mehr als 8. Diese frühe Galaxienklasse mit geringer Leuchtkraft enthielt wahrscheinlich sehr energiereiche Sterne. Ihr Licht verwandelte einen Großteil der verbleibenden gewöhnlichen Materie im Universum von kaltem Gas in heißes, ionisiertes Plasma.

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Rotverschiebungs-Wertetabelle unseres Universums

Die umfangreiche Grafik listet Werte der Rotverschiebung. Beschreibung im Text.

Bildcredit: Sergey V. Pilipenko (LPI, MIPT)

Wie weit ist „Rotverschiebung z=6“ entfernt? Zwar sind Menschen mit Entfernung und Zeit vertraut. Doch was man bei astronomischen Objekten misst, ist eigentlich die Rotverschiebung. Das ist eine Farbabweichung, die davon abhängt, wie sich die Energiedichte in unserem Universum entwickelt hat.

In den letzten Jahren führten kosmologische Messungen zu einer Einigung darüber, welche Energieformen unser Universum durchdringen. Daher konnte man eine einfache Tabelle erstellen, in der die beobachtete kosmologische Rotverschiebung z mit dem Standardkonzept von Zeit und Entfernung in Relation gesetzt wurde. Das gilt auch für die hochgerechnete Zeit, die vergangen ist, seit das Universum entstand.

So eine Tabelle ist oben dargestellt. Die Rotverschiebung z kann man in der ersten und in der letzten Spalte ablesen. Das entsprechende Alter des Universums in Milliarden Jahren steht in der mittleren Spalte. Die Bedeutung der übrigen Spalten ist in einer technischen Abhandlung beschrieben.

Sterne in unserer Galaxis haben eine kosmologische Rotverschiebung z=0. Doch die fernsten Supernovae ereignen sich anscheinend außerhalb einer Rotverschiebung z=1. Damit explodierten sie laut dem Diagramm, als das Universum etwa die Hälfte des heutigen Alters erreicht hatte. Die fernsten Gammablitze, die man bisher beobachtet hat, ereignen sich außerhalb einer Rotverschiebung z=6. Damals war das Universum weniger als eine Milliarde Jahre alt. Das sind weniger als 10 Prozent seines jetzigen Alters.

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