Um herauszufinden, wie Galaxien wachsen, zoomen wir an den Nachthimmel heran und fangen kosmische Explosionen ein

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Wissenschaftler sehen Flora, Fauna und Phänomene, die der Rest von uns selten sieht. In dieser Serie haben wir sie eingeladen, ihre einzigartigen Fotos zu teilen.

In ganz Australien setzen Astronomen modernste Technologien ein, um den Nachthimmel zu erfassen, in der Hoffnung, damit einige unserer größten Fragen über das Universum zu beantworten.

Während wir und unsere Kollegen tiefer in den Kosmos eindringen, um nach kosmischen Explosionen zu suchen, helfen unsere Beobachtungen, Licht in lang bestehende Geheimnisse zu bringen – und machen den Weg frei für völlig neue Wege der Forschung.

Kosmische Eruptionen füllen den Himmel

Swinburne’s Deeper, Wider, Faster (DWF) Programm – an dem eine von uns (Sara Webb) während ihrer Doktorarbeit gearbeitet hat – wurde entwickelt, um nach den schnellsten und geheimnisvollsten Explosionen im Universum zu jagen.

Aber um zu verstehen, was kosmische Explosionen verursacht, müssen wir diese Ereignisse mit mehreren Augen betrachten, durch verschiedene Teleskope auf der ganzen Welt. Heute nehmen wir Sie mit auf eine Reise mit Daten von einem dieser Teleskope, dem Blanco 4m, am Cerro Tololo Inter-American Observatory in Chile.

Das Blanco 4m-Teleskop in Chile. An diesem Teleskop ist eine Kamera für dunkle Energie angebracht. Rebecca Allen

Zunächst werden alle über 60 Einzelbilder aus dem Gesichtsfeld dieses Teleskops zu einem Mosaik zusammengesetzt. Darin sehen wir die tausenden von hellen Quellen.

Dies ist ein Beispiel für die Daten der Dunkle-Energie-Kamera, die mit dem DWF-Programm aufgenommen wurden. Dieses Bild ist von einem riesigen Ausschnitt des Himmels. Sara Webb

Diese Bilder werden über den Pazifik übertragen, um auf dem OzStar-Supercomputer von Swinburne verarbeitet zu werden – dieser ist leistungsfähiger als 10.000 persönliche Laptops und kann Tausende von verschiedenen Aufgaben auf einmal erledigen.

Sobald die Bilder hochgeladen sind, werden sie in kleinere Stücke zerlegt. Erst dann werden Details sichtbar.

Im Bild sind einige der Galaxien zu sehen, die in kleineren Ausschnitten der Daten zu sehen sind, die vom Blanco 4m an das DWF-Programm gesendet wurden. Sara Webb

Aber die Galaxien oben, so spektakulär sie auch sind, sind noch nicht das, wonach wir suchen. Wir wollen neue Quellen einfangen, die von sterbenden Sternen und kosmischen Explosionen herrühren. Diese können wir identifizieren, indem wir unsere Computer nach Licht an Orten suchen lassen, an denen es zuvor nicht entdeckt wurde.

Eine Quelle kann viele verschiedene Dinge sein, darunter ein aufflackernder Stern, ein sterbender Stern oder ein Asteroid. Um das herauszufinden, müssen wir fortlaufend Informationen über seine Helligkeit und die verschiedenen Wellenlängen des Lichts, das er aussendet, wie Radio-, Röntgen- und Gammastrahlen, sammeln.

Links ist ein altes Bild eines Himmelsabschnitts zu sehen und rechts ein aktualisiertes Bild mit einer neuen Quelle, die gerade aufgetreten ist. Bei dieser handelt es sich wahrscheinlich um einen Flare-Stern oder einen Asteroiden. Sara Webb

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Sobald wir eine Quelle entdeckt haben, beobachten wir die Veränderungen in ihrer Helligkeit über die nächsten Stunden und Tage. Wenn wir denken, dass es sich um eine seltene kosmische Explosion handeln könnte, lösen wir andere Teleskope aus, um zusätzliche Daten zu sammeln.

Ein Blick in die ferne Vergangenheit

Galaxien sind riesige Ansammlungen von Sternen, Gas, Staub und dunkler Materie. Sie variieren in Form, Größe und Farbe, aber die beiden Haupttypen, die wir heute im Universum sehen, sind blaue Spiralen und rote Ellipsen. Aber wie bilden sie sich? Und warum gibt es verschiedene Typen?

Astronomen wissen, dass die Formen und Farben einer Galaxie mit ihrer Entwicklung zusammenhängen, aber sie versuchen immer noch herauszufinden, welche Formen und Farben genau mit bestimmten Wachstumswegen verbunden sind.

Wir glauben, dass Galaxien in Größe und Masse durch zwei Hauptkanäle wachsen. Sie produzieren Sterne, wenn ihre riesigen Wasserstoffwolken unter der Schwerkraft kollabieren. Wenn mehr Gas in Sterne umgewandelt wird, wachsen sie in ihrer Größe.

Dank weltraumgestützter Technologie wie dem Hubble-Weltraumteleskop und leistungsstarken Teleskopen am Boden können Astronomen nun in die Vergangenheit blicken, um das Wachstum von Galaxien im Laufe der Geschichte des Universums zu untersuchen.

Das ist möglich, denn je weiter eine Galaxie entfernt ist, desto länger ist ihr Licht unterwegs, um uns zu erreichen. Da die Lichtgeschwindigkeit konstant ist, können wir bestimmen, wann das Licht ausgestrahlt wurde – vorausgesetzt, wir kennen die Entfernung der Galaxie von der Erde (ihre Rotverschiebung genannt).

Eine Auswahl von weit entfernten Galaxien, die ich in meiner Studie über das Wachstum von Galaxien im Laufe der Zeit entdeckt habe. Diese sehen ganz anders aus als nahe Galaxien. Rebecca Allen

Ich habe dieses Wachstum im Rahmen meiner Doktorarbeit gemessen, indem ich Bilder von Galaxien mit unterschiedlichen Rotverschiebungen aus der Zeit gemacht habe, als das Universum erst eine Milliarde Jahre alt war, und ihre Größen verglichen habe.

Wenn Galaxien verschmelzen

Wenn wir uns heute im Universum umsehen, sehen wir meist Galaxien, die sich zusammenballen. Astronomen glauben, dass die Beschaffenheit der Umgebung einer Galaxie oder ihre Umwelt ihre Wachstumswege beeinflussen kann, ähnlich wie Menschen in großen Städten auf mehr Ressourcen zugreifen können als solche in ländlichen Gebieten.

Wenn viele Galaxien in einer Gruppe zusammen sind, können sie miteinander interagieren. Und diese Interaktion kann Ausbrüche von Sternbildung innerhalb einer bestimmten Galaxie stimulieren.

Allerdings kann dieser Wachstumsschub nur von kurzer Dauer sein, da Gas und Sterne durch die gravitative Wechselwirkung zwischen mehreren Galaxien abgetragen werden können, was die zukünftige Sternentstehung und das Wachstum in einer einzelnen Galaxie begrenzt.

Dieses Bild wurde mit dem Hubble-Weltraumteleskop aufgenommen. Es zeigt eine Gruppe von Spiralgalaxien, die die Astronomen aufgrund der hohen Auflösung des Bildes deutlich erkennen können. Rebecca Allen

Aber selbst wenn eine Galaxie keine Sterne bilden kann, kann sie dennoch wachsen, indem sie mit kleineren Galaxien verschmilzt oder diese verschlingt. Zum Beispiel wird die Milchstraße eines Tages die kleineren Magellanschen Wolken, die Zwerggalaxien sind, verschlingen. Sie wird auch eines Tages mit der etwas größeren Andromeda-Galaxie verschmelzen, um eine Riesengalaxie zu bilden.
Doch obwohl viele Studien durchgeführt wurden, um die Entwicklung der Galaxien zu entschlüsseln, können wir immer noch nicht sagen, dass alle unsere Fragen beantwortet sind.

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Es hat Milliarden von Jahren gedauert, bis sich die Galaxienhaufen, die wir heute beobachten, gebildet haben. Aber wenn Astronomen die neuesten Technologien nutzen und weiter in die Ferne blicken können als je zuvor, werden wir hoffentlich Hinweise darauf erhalten, wie die Umgebung einer Galaxie ihr Wachstum beeinflussen kann.

Auf dem Bild sind zwei Gruppen entfernter Galaxien zu sehen, die bereits existierten, als das Universum noch ein Viertel seines heutigen Alters hatte. Diese Galaxiengruppen werden irgendwann zusammenkommen und eine Struktur bilden, die dem Virgo-Haufen ähnelt. Ich habe sie beide untersucht, um mehr darüber zu erfahren, wie die Galaxien in ihnen wachsen. Rebecca Allen

Die Krümmung der Raumzeit enthüllt Geheimnisse

Mit jahrzehntelangen Beobachtungen und Millionen von Galaxien, die in Durchmusterungen erfasst wurden, haben Experten viele Theorien darüber, wie Galaxien entstehen und wie sich das Universum entwickelt. Dieses Gebiet wird Kosmologie genannt.

Dank Albert Einstein wissen wir, dass die Gravitationskraft von massiven Objekten im Raum dazu führt, dass sich der Raum krümmt. Dies wurde durch ein Phänomen beobachtet, das als Lensing bekannt ist, bei dem große Mengen an Materie in einem Bereich innerhalb von Objekten wie Schwarzen Löchern, Galaxien oder Galaxienhaufen konzentriert werden.

Ihre Schwerkraft verzerrt die Raumzeit und wirkt wie eine riesige Linse, die verzerrte Bilder von weiter entfernten Objekten hinter ihnen sichtbar macht. Mit Hilfe des Lensing haben Astronomen Wege entwickelt, um entfernte Galaxien zu finden und zu studieren, die sonst dem Blick verborgen bleiben würden.

Ein Satz von Galaxien-Linsen. Die Schwerkraft der massiven Vordergrundgalaxie verzerrt die Raumzeit und wirkt wie eine Linse, die ein verzerrtes Bild einer entfernten Hintergrundgalaxie enthüllt. Rebecca Allen

Diese Beobachtungen treiben unser Verständnis der Galaxienentwicklung weiter voran. Sie stellen unsere Theorien darüber, wann und wie Galaxien entstehen und wachsen, in Frage.

Eine Entdeckung aus dem Jahr 2018, die von einer Gruppe von Forschern, darunter auch ich, gemacht wurde, enthüllte eine Reihe massereicher und bereits entwickelter Galaxien aus einer Zeit, als das Universum nur etwa ein Sechstel seines heutigen Alters hatte. Sie hätten sich extrem schnell bilden und wachsen müssen, um in unsere aktuellen Modelle des Galaxienwachstums zu passen.

In einer bevorstehenden Untersuchung werden Swinburne-Professor Karl Glazebrook und mein Team einige der ersten Astronomen sein, die Zugang zum James Webb Space Telescope der Nasa erhalten, um diese frühen Galaxien zu untersuchen.

Eine der massiven ruhenden Galaxien, die unser Team untersuchen wird. Obwohl sie extrem groß ist, lassen ihre älteren Sterne und ihre Entfernung sie als winziges rotes Nugget zwischen den viel helleren und näheren Galaxien erscheinen. Rebecca Allen, Autorin bereitgestellt

Verwendete Bilder mit freundlicher Genehmigung von Pexels/Pixabay

Dieser Artikel wurde von The Conversation unter einer Creative-Commons-Lizenz neu veröffentlicht. Lesen Sie den Originalartikel.