Wissenschaftler haben mit dem Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) direkt heißes Intracluster-Gas in einem Protocluster namens SPT2349-56 bei einer Rotverschiebung von 4,3 beobachtet, einer Zeit, als das Universum weniger als 1,5 Milliarden Jahre alt war. Diese in Nature veröffentlichte Entdeckung stellt bestehende theoretische Modelle über die Entstehung von Galaxienhaufen und die Erwärmung des Intracluster-Mediums (ICM) in Frage.

Die Beobachtung wurde durch den Nachweis des thermischen Sunyaev-Zeldovich (SZ)-Effekts ermöglicht, einem Phänomen, bei dem Photonen der kosmischen Mikrowellenhintergrundstrahlung (CMB) Energie gewinnen, wenn sie heiße Elektronen im ICM passieren. Dieser Effekt bietet eine direkte Möglichkeit, das heiße Gas zu untersuchen, das Galaxienhaufen durchdringt. SPT2349-56, das sich im frühen Universum befindet, beherbergt ein bedeutendes Reservoir an molekularem Gas und drei aktive galaktische Kerne (AGN) innerhalb einer relativ kleinen Region von etwa 100 Kiloparsec.

Die gemessene thermische Energie im Kern von SPT2349-56 beträgt etwa 10^61 Erg, was etwa dem Zehnfachen dessen entspricht, was allein durch die Schwerkraft zu erwarten wäre. Dies deutet darauf hin, dass sehr früh in der Entstehung des Clusters bedeutende Heizmechanismen am Werk waren. Laut der Forschungsarbeit widerspricht dieser Befund den aktuellen theoretischen Erwartungen, die einen Rückgang der Masse und Temperatur des ICM zu früheren Zeiten vorhersagen, da sich das Gas noch im Prozess der Ansammlung und Erwärmung befindet.

Galaxienhaufen sind die größten bekannten gravitativ gebundenen Strukturen im Universum. Sie enthalten Hunderte oder sogar Tausende von Galaxien, die in ein diffuses Plasma aus heißem Gas, dem ICM, eingebettet sind. Dieses ICM enthält den größten Teil der baryonischen Materie (gewöhnliche Materie aus Protonen und Neutronen) im Cluster und wird auf Temperaturen von Millionen Grad Kelvin erhitzt. Das Verständnis, wie sich das ICM bildet und entwickelt, ist entscheidend für das Verständnis der Gesamtentwicklung des Universums.

Kosmologische Simulationen werden seit langem verwendet, um die Entstehung von Galaxienhaufen zu modellieren. Diese Simulationen sagen voraus, dass das ICM zu früheren Zeiten weniger massereich und kühler sein sollte, da das Gas noch auf den Cluster akkretiert und durch Gravitationsprozesse und Rückkopplung von AGN erwärmt wird. Die neue Beobachtung von SPT2349-56 deutet jedoch darauf hin, dass eine erhebliche Erwärmung viel früher als bisher angenommen auftreten kann, möglicherweise aufgrund der intensiven Aktivität der AGN innerhalb des Protoclusters.

Die Implikationen dieser Entdeckung sind bedeutend für unser Verständnis der Galaxienhaufenentstehung. Sie deutet darauf hin, dass die Prozesse, die das ICM erwärmen, wie z. B. AGN-Rückkopplung, im frühen Universum effizienter oder häufiger sein könnten als bisher angenommen. Weitere Beobachtungen ähnlicher Protocluster bei hohen Rotverschiebungen sind erforderlich, um diese Ergebnisse zu bestätigen und die Mechanismen, die die frühe Erwärmung des ICM antreiben, besser zu verstehen. Diese Beobachtungen könnten die Verwendung anderer Teleskope und Instrumente beinhalten, um die Eigenschaften des Gases und der Galaxien innerhalb von SPT2349-56 detaillierter zu untersuchen.