Die größten rotierenden Objekte im Universum: Hunderte Millionen Lichtjahre lange galaktische Filamente

Wir wissen seit einiger Zeit von der großräumigen Struktur des Universums. Galaxien befinden sich in Filamenten mit einer Länge von Hunderten von Millionen Lichtjahren auf einem Rückgrat aus dunkler Materie. Und wo sich diese Filamente treffen, gibt es Galaxienhaufen. Dazwischen befinden sich massive Hohlräume, in denen Galaxien spärlich sind. Jetzt haben ein Team von Astronomen in Deutschland und ihren Kollegen in China und Estland eine faszinierende Entdeckung gemacht.

Diese massiven Filamente rotieren, und eine solche Rotation in einem so massiven Ausmaß wurde noch nie zuvor gesehen.

Offensichtlich gibt es keine Möglichkeit, ein tatsächliches Bild der großräumigen Struktur des Universums zu machen. Aber es gibt einige fast berühmte Bilder, die aus der Millennium-Simulationsprogramm . Die Millennium-Simulation war eine Supercomputersimulation eines kubischen Teils des Universums von über 2 Milliarden Lichtjahren auf jeder Seite. Das Bild enthält etwa 20 Millionen einzelne Galaxien, die in Filamenten und Klumpen organisiert sind, und es war unser erster echter Blick auf die LSS des Universums.

Es ist bemerkenswert, sich dieses Bild jetzt anzuschauen und sich vorzustellen, wie sich diese Filamente drehen.

Bild der großräumigen Struktur des Universums, das Filamente und Hohlräume innerhalb der kosmischen Struktur zeigt. Kredit: Millennium Simulation Project

Das Astronomenteam hinter dieser Entdeckung arbeitete mit Daten aus dem Sloan Digital Sky Survey (SDSS.) Das SDSS erstellte eine sehr detaillierte 3D-Karte des Universums, daher waren SDSS-Daten für die Entdeckung des Teams von entscheidender Bedeutung.

„Indem wir die Bewegung von Galaxien in diesen riesigen kosmischen Superhighways mit der Sloan Digital Sky-Durchmusterung kartiert haben – eine Vermessung von Hunderttausenden von Galaxien – fanden wir eine bemerkenswerte Eigenschaft dieser Filamente: Sie drehen sich.“ sagt Peng Wang, Erstautor der jetzt veröffentlichten Studie und Astronom am AIP (Institut für Astrophysik Potsdam).

Jede der Galaxien in den Filamenten ist im großen Maßstab nicht mehr als ein Staubkorn, und sie rotieren nicht nur, sondern bewegen sich entlang der Ranken wie in Pipelines.

„Sie bewegen sich auf Spiralen oder korkenzieherartigen Bahnen und kreisen um die Mitte des Filaments, während sie sich daran entlang bewegen.“

Noam Libeskind, Co-Autor der Studie, AIP.

„Obwohl es sich um dünne Zylinder handelt – ähnlich wie Bleistifte – Hunderte Millionen Lichtjahre lang, aber nur wenige Millionen Lichtjahre im Durchmesser, drehen sich diese fantastischen Materieranken“, ergänzt Noam Libeskind, Initiator des Projekts am AIP. „Auf diesen Skalen sind die Galaxien in ihnen selbst nur Staubteilchen. Sie bewegen sich auf Spiralen oder korkenzieherähnlichen Bahnen und kreisen um die Mitte des Filaments, während sie sich daran entlang bewegen. Solch eine Drehung wurde noch nie zuvor in solch enormen Ausmaßen gesehen, und die Implikation ist, dass ein noch unbekannter physikalischer Mechanismus dafür verantwortlich sein muss, diese Objekte zu verdrehen.“

Die Tatsache, dass sich diese Filamente drehen, ist schwer vorstellbar und faszinierend, wenn Sie Erfolg haben. Aber bei der Entdeckung geht es um mehr als unsere eigene Faszination. Dies sind die größten Objekte, die wir je gesehen haben, und das bedeutet, dass Drehimpulse in großem Maßstab stattfinden können. Eines der Geheimnisse der Kosmologie besteht darin, wie dieser Drehimpuls in einem so massiven Maßstab erzeugt wird, da es im frühen Universum keine ursprüngliche Rotation gab.

Die Entdeckung beruht auf Beobachtungen einzelner Galaxien in den Filamenten und ihrer Dopplerverschiebung. In dieser Studie ist die Rotverschiebung ein Stellvertreter für die Rotation, rotverschobene Galaxien gehen zurück und blauverschobene Galaxien nähern sich.

Diese Abbildung aus dem Papier zeigt die Rotationsgeschwindigkeit des Filaments als Funktion des Abstands zwischen Galaxien und dem Filament-Rücken. Der Abstand von Galaxien vom Filament Spine im Rückzugsbereich wird rot dargestellt und mit positiven Werten versehen, während der Abstand von Galaxien im Annäherungsbereich blau markiert und mit negativen Werten belegt wird. Fehlerbalken stellen die Standardabweichung vom Mittelwert dar. Bildquelle: Wang et al. 2021.

Im aktuellen Arbeitsmodell der Strukturbildung des Universums wachsen Überdichten durch gravitative Instabilität. Material aus unterdichten Regionen fließt in Regionen mit hoher Dichte. Aber dieser Materialfluss hat keine Drehung oder Krümmung. Deshalb sagen Kosmologen, dass es im frühen Universum keine Rotation gegeben hat. Und hier wird diese Entdeckung interessanter.

Die in diesen Filamenten von Galaxien sichtbare Rotation muss bei der Bildung der Strukturen erzeugt werden. Und diese Filamente und der Rest des kosmischen Netzes sind mit der Entstehung und Entwicklung der Galaxien selbst verbunden. Sie haben auch einen starken Einfluss auf den Spin einzelner Galaxien und können regulieren, wie sich eine Galaxie und ihr Halo aus Dunkler Materie drehen. In all dem steckt ein Unbekannter: Wissenschaftler wissen noch nicht, wie unser derzeitiges Verständnis vorhersagen kann, dass sich die Filamente selbst drehen.

„Eine solche Drehung wurde noch nie zuvor in solch enormen Ausmaßen beobachtet, und die Implikation ist, dass es einen noch unbekannten physikalischen Mechanismus geben muss, der für das Anziehen dieser Objekte verantwortlich ist.“

Noam Libeskind, Co-Autor der Studie, AIP.

Vor dieser Studie haben andere Wissenschaftler theoretisiert, dass sich diese Filamente drehen. Zum Beispiel, Dr. Mark Neyrinck , ein Fellow am Institut für Theoretische Physik der Universität des Baskenlandes, Spanien, ist dafür bekannt, Theorien zu diesem Thema aufzustellen. Er ist auch dafür bekannt, die „Origami“-Beschreibung der kosmischen Strukturbildung zu entwickeln. In einem Artikel von 2016 in The Paper sagte er: „...wenn sich Galaxien drehen (und sie tun), müssen auch Filamente aus ihnen herausragen. Darüber hinaus sollten Galaxien, die durch ein Filament verbunden sind, hauptsächlich zusammen rotieren, wie Objekte, die an den Enden eines Stabes befestigt sind. Tatsächlich stimmt dies mit astronomischen Beobachtungen überein; nahe Galaxien neigen dazu, sich in die gleiche Richtung zu drehen.“

Die Arbeit von Dr. Neyrinck war ein wichtiger Ausgangspunkt für das Team hinter diesem Papier.

„Angespornt durch den Vorschlag des Theoretikers Dr. Mark Neyrinck, dass sich Filamente drehen können, haben wir die beobachtete Galaxienverteilung untersucht und nach der Filamentrotation gesucht“, sagt Co-Autor Noam Libeskind. „Es ist fantastisch, diese Bestätigung zu sehen, dass intergalaktische Filamente sowohl im realen Universum als auch in der Computersimulation rotieren.“

Das Team verwendete eine ausgeklügelte Kartierungsmethode, die die beobachtete Galaxienverteilung in Segmente unterteilte. Dann wurde jedes der Filamente durch einen Zylinder angenähert. Die Galaxien im Filament wurden dann in zwei Regionen auf beiden Seiten der Wirbelsäule des Filaments unterteilt. Dann maßen sie sorgfältig die mittlere Rotverschiebungsdifferenz zwischen den beiden Regionen. „Die mittlere Rotverschiebungsdifferenz ist ein Proxy für die Geschwindigkeitsdifferenz (die Dopplerverschiebung) zwischen Galaxien auf der sich zurückziehenden und sich nähernden Seite der Filamentröhre“, schreiben die Autoren. So haben sie die Drehung der Filamente gemessen.

In ihrem Papier schreibt das Team, dass das, was sie gefunden haben, nicht zufällig sein kann. „Was hier gemessen und dargestellt wird, ist die Rotverschiebungsdifferenz zwischen zwei Regionen auf beiden Seiten einer hypothetischen Spinachse, die mit dem Filamentrücken zusammenfällt. Die vollständige Verteilung dieser Menge ist ungeachtet des Blickwinkels, der mit der Sichtlinie gebildet wird, mit dem Zufall nicht vereinbar…“

Die Forscher warnen jedoch, ihre Ergebnisse implizieren nicht, dass sich jedes Filament im Universum dreht. Das wäre ein Übermaß. „Diese Arbeit sagt nicht voraus, dass sich jedes einzelne Filament im Universum dreht“, schreiben sie, „sondern dass es Unterproben gibt – die eng mit der Masse des Betrachtungswinkel-Endpunkts verbunden sind –, die ein klares Signal zeigen, das mit der Drehung übereinstimmt. Dies ist die wichtigste Erkenntnis dieser Arbeit.“

„Zusammengenommen“, schreibt das Team in ihrem Fazit, „die aktuelle Studie und Xiaet al. (2021) zeigen, dass Drehimpulse in noch nie dagewesenen Größenordnungen erzeugt werden können, was die Tür zu einem neuen Verständnis des kosmischen Spins öffnet.“

Hauptautor dieser Arbeit ist Peng Wang, Astronom am Institut für Astrophysik Potsdam (AIP). Der Titel des Artikels lautet „Möglicher Beobachtungsnachweis für den kosmischen Filamentspin“. Es ist in Nature Astronomy veröffentlicht.

Mehr:

• Pressemitteilung: Entdeckung der größten Rotation im Universum
• Veröffentlichte Forschung: Mögliche Beobachtungsbeweise für kosmischen Filamentspin
• Universum heute: Schleimpilz wächst genauso wie die großräumige Struktur des Universums