Galaxienhaufen

Galaxienhaufen sind die größten gravitativ gebundenen Systeme im Universum und erstrecken sich über viele Millionen Lichtjahre. Sie beherbergen nicht nur hunderte bis tausende Galaxien unterschiedlichster Art, sondern auch ein sehr heißes und dünnes Plasma, welches Intra-Cluster Medium (ICM) genannt wird. Das ICM weist eine mittlere Temperatur von mehreren Millionen Grad Kelvin auf, wodurch es thermische Bremsstrahlung in Form von Licht im Röntgenspektrum (engl.: X-ray) abstrahlt. Weiters stellt das ICM den Großteil der baryonischen Masse eines Galaxienhaufens, was bis zu fünfmal mehr als die Masse aller Galaxien des Galaxienhaufens sein kann.

Seit den ersten Messungen mit Röntgensatelliten wissen wir, dass das ICM auch chemische Elemente höherer Periodenzahl (z.B. Fe, Mg, O, Si, Ni, ...) enthält, welche allerdings nur in den späten Entwicklungsphasen von Sternen erzeugt werden. Da Sterne jedoch größtenteils in den Galaxien des Galaxienhaufens verweilen, stellt sich die Frage nach den Mechanismen, mit denen mehrere 1030 kg Masse pro Jahr aus den Galaxien in das ICM transportiert werden können.


Optisches Bild einer Galaxienhaufens
Optisches Bild eines Galaxienhaufens

Verteilung des Elements Eisen (Fe) in einem simulierten Galaxienhaufen
Eisenverteilung und Temperatur in einem simulierten Galaxienhaufen

Eine Forschungsgruppe am Institut für Astro- und Teilchenphysik hier in Innsbruck entwirft Modelle und komplexe numerische Simulationen zur Entstehung und Entwicklung von Galaxienhaufen, wobei besonderes Augenmerk auf die Transport- und Anreicherungsmechanismen für das ICM gelegt wird. Die Resultate dieser Simulationen können direkt mir Röntgenbeobachtungen von Galaxienhaufen verglichen werden. Durch die Kombination von hochaufgelösten Simulationen und Beobachtungen in mehreren Wellenlängenbereichen konnte das Team zeigen, dass galaktische Winde und Ram-Pressure-Stripping die beiden maßgeblichen Transportprozesse für höhere Elemente in das ICM darstellen. Galaktische Winde werden durch Supernova Explosionen verursacht, welche das umliegende Gas beschleunigen und mit den höheren Elementen aus dem Stern vermischen. Der zweite Prozess, Ram-Pressure-Stripping, ist hingegen ein passiver Transportmechanismus. Durch die Bewegung der Galaxien durch das ICM wirkt ein Druck vom ICM auf das Gas in den Galaxien, welcher in der inneren Region eines Galaxienhaufens ausreicht, um das mit höheren Elementen angereicherte Gas aus den äußeren Bereichen der Galaxie abzustreifen.

Mit Hilfe numerischer Simulationen ist es möglich, die Stärke und zeitliche Variation der beiden Transportprozesse im Detail zu untersuchen. Das untere Bild zeigt ein Beispiel aus einer solchen Simulation eines Galaxienhaufens, wobei die Temperatur als rot-oranger Verlauf und die Verteilung des Elements Eisen (Fe) als blaues Iso-Surface dargestellt sind. Aus solchen Simulationen können Pseudobeobachtungen von Galaxienhaufen erstellt werden, welche sich dann direkt mit echten Beobachtungen vergleichen lassen. Dadurch gewinnt man einen tieferen Einblick in die Entwicklung von Galaxienhaufen und die verschiedenen Prozesse, die darin stattfinden.

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