Der Autor interpretiert persönlich: Wie wichtig ist die „Wolke“, die Chinas Himmelsauge sieht?

Im Oktober dieses Jahres entdeckte das Nationale Astronomische Observatorium der Chinesischen Akademie der Wissenschaften mit dem 500-Meter-Aperture Spherical Radio Telescope (FAST) „China Sky Eye“ die größte bekannte atomare Gasstruktur im Universum. Die Ergebnisse wurden am 19. Oktober 2022 um 23:00 Uhr Pekinger Zeit in der internationalen Fachzeitschrift Nature veröffentlicht [1]. In Medienberichten wurde betont, dass dies „ein Hinweis darauf sei, dass es im Universum möglicherweise noch mehr solcher großräumigen atomaren Gasstrukturen mit geringer Dichte gibt“, doch dies reicht bei weitem nicht aus, um die Bedeutung dieser Forschung zu erklären.

Zu diesem Zweck hat Science Popularization China den zweiten Autor des Artikels, Herrn Cheng Cheng, speziell eingeladen, eine exklusive und ausführliche Interpretation zu verfassen und bereitzustellen .

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Was haben Astronomen getan?

Einfach ausgedrückt bedeutet diese Leistung, dass unser Forschungsteam FAST verwendet hat, um eine Wolke zu sehen, eine sehr große Wolke. Bei der „Wolke“ handelt es sich um eine neutrale Wasserstoffgasstruktur mit einem Durchmesser von etwa zwei Millionen Lichtjahren, also mehr als zwanzigmal größer als unsere eigene Milchstraße.

Im Uhrzeigersinn von der oberen linken Ecke: NGC7320, NGC7319, NGC7318 (a und b), NGC7317. Bildquelle: esahubble.org

Groß, aber das ist nicht der Hauptgrund, warum diese Entdeckung so aufregend ist. Für die astronomische Gemeinschaft ist es noch interessanter , dass die Entdeckung dieser „Wolke“ uns Menschen dabei helfen wird, die Geschichte der Galaxienverschmelzung einer sehr wichtigen Galaxiengruppe besser zu verstehen .

Dieser Galaxienhaufen wird „Stephans Quintett“ genannt. Es wurde 1877 vom französischen Astronomen Édouard Stephan mit einem 80-Zentimeter-Teleskop entdeckt. Es handelt sich um einen kompakten Galaxienhaufen, der aus fünf hellen Galaxien und einigen nahegelegenen Zwerggalaxien besteht. Das „Quinty“ in seinem Namen bezieht sich auf die fünf hellen Galaxien, die ursprünglich beobachtet wurden. Spätere Beobachtungen ergaben jedoch, dass NGC7320 unter den fünf hellen Galaxien eine Vordergrundgalaxie ist und der Galaxienhaufen von Stephans Quintett tatsächlich hauptsächlich aus vier hellen Galaxien besteht: NGC7319, NGC7318b, NGC7318a und NGC7317.

Unter ihnen kollidiert NGC7318b mit dem bereits vorhandenen intergalaktischen Medium mit einer Geschwindigkeit von etwa 1000 km/s, die durch Kollisionen zwischen anderen Galaxien im Galaxienhaufen entsteht. Mit anderen Worten: In Stephans Quintett gibt es komplexe galaktische Wechselwirkungen und eine Reihe von Beobachtungsphänomenen, die dadurch verursacht werden, wie etwa großräumige Stoßwellen, Sternentstehung im intergalaktischen Medium, Sternentstehung an langen Gezeitenschweifen, Ausflüsse aus aktiven Galaxienkernen usw.

Da die Wechselwirkungen in Stephans Quintett sehr aktiv sind, ist es seit seiner Entdeckung die am meisten beobachtete Galaxiengruppe geworden. Es handelt sich um eine wichtige Probe für die Untersuchung von Prozessen wie Galaxienkollisionen, Galaxienverschmelzungen, dem intergalaktischen Medium und Gezeiten .

Bei der Untersuchung von Galaxienhaufen ist die Interaktionsgeschichte dieser Galaxien, also die Geschichte der Galaxienverschmelzungen, ein sehr wichtiges Thema. Da die Wechselwirkungen zwischen Stephans Quintett jedoch relativ komplex sind, stimmen die Ergebnisse der numerischen Simulationen verschiedener Forschungsgruppen nicht genau überein und keine von ihnen kann alle vorhandenen Beobachtungsergebnisse erklären.

Daher ist die Beobachtung der neutralen Wasserstoffverteilung in der Stephen-Quintett-Region mit Hilfe von FAST sehr wichtig. Neutraler Wasserstoff ist das leichteste Atom und die häufigste baryonische Materie. Es kann sein, dass es in den frühen Stadien der Galaxienverschmelzung bis an die Peripherie des Galaxienhaufens abgestreift wird. Das Verständnis der Verteilung von neutralem Wasserstoff im Galaxienhaufen, insbesondere der Beobachtungsdaten von neutralem Wasserstoff, der in den äußeren Regionen des Galaxienhaufens diffundiert, wird sehr hilfreich sein, um die bestehenden Modelle zur Fusionsgeschichte einzuschränken.

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FAST schloss die Beobachtung in nur 22,4 Stunden ab

Das Gebiet von Stephans Quintett wurde viermal mit Radioteleskopen beobachtet, und zwar mit dem Arecibo-Teleskop, dem Green Coast-Teleskop und dem Very Large Array. Diese Beobachtungen ergaben lediglich die Verteilung von Wasserstoffatomen in der Nähe mehrerer massereicher Galaxien in einem Bereich von etwa 70 Quadratbogenminuten im Zentrum des Galaxienhaufens. Die Beobachtungsdaten wurden hauptsächlich zur Untersuchung der neutralen Wasserstoffstrahlung im Galaxienhaufen verwendet und waren nicht empfindlich genug, um eine ausgedehntere neutrale Wasserstoffstrahlung festzustellen.

Unsere Forschungsgruppe beantragte und erhielt Beobachtungszeit bei FAST und führte neutrale Wasserstoffbeobachtungen in einem Bereich von etwa 700 Quadratbogenminuten in Richtung Stephans Quintett durch, was ausreicht, um die äußeren Regionen des Galaxienhaufens und einige Zwerggalaxien in der Nähe des Haufens abzudecken.

Das hochempfindliche Radioteleskop mit Einzelapertur von FAST eignet sich gut zum Nachweis dieses diffusen neutralen Wasserstoffgases. Der 19-Strahl-Empfänger von FAST deckt einen großen Bereich des Himmels ab und kann in einer Beobachtung Daten von 19 Standorten erfassen. Daher kann FAST neutrale Wasserstoffstrahlung in diesem Bereich des Himmels mit sehr hoher Beobachtungseffizienz und Empfindlichkeit erfassen, was es zu einem sehr geeigneten Teleskop für dieses Thema macht.

Im Herbst 2021 haben wir in nur 22,4 Stunden Radiobeobachtungen von 304 Standorten in diesem Himmelsbereich durchgeführt und diese riesige und dünne Wolke aus atomarem Wasserstoffgas erfolgreich entdeckt.

Die von FAST erfasste Verteilung des atomaren Gases im Himmelsbereich um den berühmten kompakten Galaxienhaufen „Stephen’s Quintet“ (dargestellt durch roten Halo; je dünner der Halo, desto geringer die Dichte der Gassäule). Der Hintergrund des Bildes ist ein Falschfarbenbild, das aus den optischen Banddaten U, G und R synthetisiert wurde, die mit dem Canada-France-Hawaii-Teleskop beobachtet wurden. In der Bildmitte befindet sich Stephans Quintett. Das eingefügte Bild ist ein kürzlich veröffentlichtes Farbinfrarotbild des Webb-Weltraumteleskops. Stephans Quintett ist eines der ersten fünf Ziele, die vom Webb-Weltraumteleskop beobachtet und der Öffentlichkeit erstmals gezeigt wurden, was seine Bedeutung unterstreicht (Bildnachweis: NASA, ESA, CSA, STScI).

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Hinter dem „großen Maßstab“

Diese Themen sind wichtiger

Die von uns beobachtete „Wolke“ ist sehr dünn, und solch dünner neutraler Wasserstoff wird wahrscheinlich durch die ultraviolette Hintergrundstrahlung des Universums ionisiert, sodass es schwierig ist, dass diese diffuse neutrale Wasserstoffstruktur über einen längeren Zeitraum existiert. Aus theoretischer Sicht verdienen die folgenden Fragen eine sorgfältige Diskussion: Wie das von uns beobachtete Gas entstanden ist, welche Verbindung es zu Stephans Quintett hat, wie sich diese Gase in Zukunft entwickeln werden und ob bei der Bildung von Galaxienhaufen häufig ähnliche atomare Gasstrukturen entstehen.

Aus der Beobachtungsperspektive können mithilfe der ultrahohen Empfindlichkeit und Beobachtungseffizienz von FAST die Anzahl der großflächigen neutralen Wasserstoffgassysteme, ihr Auftreten in der Nähe kompakter Galaxienhaufen und ihre mögliche Entstehung in der Nähe anderer Himmelssysteme weiter untersucht werden. Wir versuchen auch, einige nahegelegene Galaxien mit ähnlicher Empfindlichkeit zu beobachten, in der Hoffnung, weitere ähnliche Phänomene zu entdecken.

Nehmen Sie als Beispiel mehrere europäische Mitarbeiter unseres Artikels. Sie verfügen über umfangreiche Erfahrung in der numerischen Simulation von Stephans Quintett. Allerdings berücksichtigten ihre bisherigen numerischen Simulationen weder Atomgas noch Gasionisations- und Rekombinationsprozesse. Daher arbeitet das europäische Team derzeit intensiv daran, die Verschmelzungsgeschichte dieser Galaxien aus der Perspektive numerischer Simulationen in Kombination mit diesen neuen Beobachtungsdaten wiederherzustellen.

Gleichzeitig haben die vorhandenen Daten unseres Teams zu neutralem Wasserstoff auch neutrale Wasserstoffstrahlung von mehreren Zwerggalaxien in der Nähe dieses Galaxienhaufens festgestellt. Ende 2021 gelang es uns zudem, mit dem optischen 2,4-Meter-Teleskop Lijiang die spektrale Rotverschiebung einer Galaxie zu bestimmen, die etwa 800.000 Lichtjahre von einem Galaxienhaufen entfernt liegt. Diese Kombination aus früherer und aktueller Forschung ermöglicht es uns, in unserem in Nature veröffentlichten Artikel den Ursprung neutraler Wasserstoffstrukturen zu diskutieren.

Dieses Jahr haben wir uns um etwas Zeit für spektrale Beobachtungen am optischen 2,4-m-Teleskop von Lijiang beworben. Wir hoffen, die optischen und Radiobeobachtungsdaten von Zwerggalaxien kombinieren zu können, um die Sternentstehungsgeschichte von Satellitengalaxien in der Nähe von Galaxienhaufen einzugrenzen und die Rolle von Zwerggalaxien in der Entwicklung von Galaxienhaufen zu verstehen.

Alles in allem ist die Veröffentlichung Ihrer Ergebnisse in Nature nur der Anfang. „Diese Wolke“ kann uns in Zukunft dazu inspirieren, Themen wie die Entstehung von Himmelskörpern im Universum eingehender zu erforschen und darüber nachzudenken . Die hohe Empfindlichkeit von FAST bietet uns außerdem ein breiteres Fenster zur Erforschung der diffuseren neutralen Wasserstoffstrahlung im Universum. Freuen wir uns gemeinsam darauf.

Quellen:

[1] Xu, CK, Cheng, C., Appleton, PN et al. Eine 0,6 Mpc HI-Struktur, die mit Stephans Quintett verbunden ist. Nature 610, 461–466 (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-022-05206-x

Autor: Cheng Cheng, Associate Researcher am South American Astronomical Research Center der Chinesischen Akademie der Wissenschaften

Rezension｜Han Wenbiao, Forscher am Shanghai Astronomical Observatory, Chinesische Akademie der Wissenschaften

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