Wissenschaftler haben direkt heißes Intracluster-Gas im Protocluster SPT2349-56 bei einer Rotverschiebung von 4,3 beobachtet. Diese Entdeckung stellt bestehende theoretische Modelle der Galaxienhaufenentstehung in Frage. Mithilfe des Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) entdeckte das Forschungsteam den thermischen Sunyaev-Zeldovich-Effekt (SZ-Effekt), ein Phänomen, bei dem Photonen der kosmischen Mikrowellenhintergrundstrahlung an heißen Elektronen im Intracluster-Medium (ICM) gestreut werden. Diese im Fachjournal Nature veröffentlichte Beobachtung deutet auf das Vorhandensein einer beträchtlichen Menge an heißem Gas hin, etwa 10^61 erg an thermischer Energie, im Kern von SPT2349-56.

Die Entdeckung liefert entscheidende Einblicke in die frühen Stadien der Galaxienhaufenentstehung. Galaxienhaufen, die größten gravitativ gebundenen Strukturen im Universum, enthalten riesige Mengen an heißem Gas, das als ICM bekannt ist und einen erheblichen Teil der baryonischen Masse des Haufens ausmacht. Kosmologische Simulationen haben nahegelegt, dass die Masse und Temperatur des ICM zu früheren Zeiten abnehmen sollten, da sich das Gas noch im Prozess der Ansammlung und Erwärmung befindet. Die Beobachtung von heißem ICM in einer so frühen Epoche (z=4,3) deutet jedoch darauf hin, dass bereits deutlich früher als bisher angenommen signifikante Heizmechanismen wirksam waren.

"Diese Messung impliziert eine thermische Energie, die etwa 10-mal höher ist, als die Schwerkraft allein erzeugen sollte", so die Forscher in ihrer Nature-Veröffentlichung, und betonten damit den unerwarteten Energiegehalt des ICM in SPT2349-56. Der Protocluster, der etwa 12 Milliarden Lichtjahre entfernt liegt, beherbergt auch ein großes Reservoir an molekularem Gas und drei radiolauten aktiven galaktischen Kernen (AGN) innerhalb einer relativ kleinen Region von etwa 100 Kiloparsec. Diese AGN tragen möglicherweise durch starke Ausflüsse und Strahlung zur Erwärmung des ICM bei.

Der Sunyaev-Zeldovich-Effekt, der Schlüssel zu dieser Entdeckung, ist ein leistungsstarkes Werkzeug zur Detektion von heißem Gas in Galaxienhaufen. Er entsteht durch die inverse Compton-Streuung von Photonen der kosmischen Mikrowellenhintergrundstrahlung (CMB) an den heißen Elektronen im ICM. Diese Streuung verursacht eine leichte Verzerrung im CMB-Spektrum, die von empfindlichen Radioteleskopen wie ALMA detektiert werden kann. Die Stärke des SZ-Effekts steht in direktem Zusammenhang mit dem thermischen Druck des ICM und liefert ein Maß für seine Temperatur und Dichte.

Die Implikationen dieser Entdeckung erstrecken sich auf unser Verständnis der Prozesse, die die Entstehung und Entwicklung von Galaxienhaufen bestimmen. Das frühe Vorhandensein von heißem ICM deutet darauf hin, dass Rückkopplungsmechanismen, wie z. B. solche von AGN, eine bedeutendere Rolle bei der Erwärmung des Gases spielen könnten als bisher angenommen. Diese Rückkopplungsprozesse können die Sternentstehung innerhalb des Haufens regulieren und die Gesamtverteilung der Materie im Universum beeinflussen.

Zukünftige Forschung wird sich auf die Untersuchung anderer Protocluster mit hoher Rotverschiebung konzentrieren, um festzustellen, ob die frühe Erwärmung des ICM ein häufiges Phänomen oder einzigartig für SPT2349-56 ist. Weitere Beobachtungen mit ALMA und anderen Teleskopen werden dazu beitragen, die Eigenschaften des ICM in diesen Systemen zu charakterisieren und die Quellen der Erwärmung zu identifizieren. Diese Studien werden wertvolle Einschränkungen für kosmologische Simulationen liefern und dazu beitragen, unser Verständnis des komplexen Zusammenspiels zwischen Gravitation, Gasdynamik und Rückkopplungsprozessen im frühen Universum zu verfeinern.