Herausforderung der Konventionellen Weisheit - Astronomen Entdecken die Doppelte Natur von Galaxiengruppen und -Clustern

Die Forschung unter der Leitung der Universität Tartu zeigt tiefere Unterschiede zwischen Galaxiengruppen und -haufen auf, als bisher verstanden wurde, und identifiziert zwei einzigartige Klassen mit ihren eigenen Entstehungs- und Entwicklungsprozessen. Diese Studie, die sich auf das kosmische Netz konzentriert, erweitert unser Wissen über die Dynamik von Galaxiensystemen und den Einfluss ihrer Umgebung.

Eine verbreitete Annahme unter Astronomen ist, dass sich Galaxiengruppen und -haufen hauptsächlich in der Anzahl der Galaxien unterscheiden, die sie enthalten - in Gruppen gibt es weniger Galaxien und in Haufen mehr. Unter der Leitung von Maret Einasto haben Astronomen am Tartu Observatorium der Universität Tartu beschlossen, dem nachzugehen und entdeckten noch mehr Unterschiede zwischen Gruppen und Haufen.

Die Struktur des Universums kann als gigantisches Netzwerk beschrieben werden, ein kosmisches Netz, mit Ketten (Filamenten) einzelner Galaxien und kleinen Gruppen von Galaxien, die reiche Galaxiengruppen und Haufen verbinden, die Tausende von Galaxien enthalten können. Zwischen Galaxiensystemen befinden sich riesige Leerräume mit fast keiner sichtbaren Materie (Galaxien und Gas). Galaxiengruppen und -haufen können wiederum noch größere Systeme bilden, die als Superhaufen bezeichnet werden.

In ihrer Studie nutzten die Tartu-Astronomen Daten über Galaxiengruppen, ihre hellsten Galaxien (sogenannte Hauptgalaxien) und ihre Umgebung. Ziel war es, diese Daten zu kombinieren, um zu sehen, ob sie neue Informationen über die mögliche Klassifizierung von Gruppen unterschiedlicher Größe liefern könnten.

Die Studie zeigte, dass Galaxiengruppen und -haufen in zwei Klassen mit recht unterschiedlichen Eigenschaften unterteilt werden können. Die physikalischen Prozesse, die die Entstehung und Entwicklung der Hauptgalaxien in Gruppen und Haufen beeinflussen, unterscheiden sich in reichen und armen Gruppen. In der Arbeit beschrieben die Forscher die Umgebung der Gruppen auf zwei verschiedene Arten. Erstens beschrieben sie das kosmische Netz im Hinblick auf das allgemeine Dichtefeld, wobei Superhaufen die größten Hochdichteregionen und Leerräume die Niedrigdichteregionen sind. Zweitens berechneten sie den Abstand von der nächsten Filamentachse für jede Galaxiengruppe. Dieser Abstand zeigt, ob die Gruppe in einem Filament ist, in der Nähe oder weit entfernt von Filamenten.

Jeder farbige Kreis stellt eine Galaxiengruppe oder einen Haufen dar. Die reichsten Galaxienhaufen sind in Rot markiert; dies sind die reichsten Galaxienhaufen in den Superhaufen von Herkules und Leo. Die seitlichen Bedienfelder zeigen die hellsten Galaxien dieser Haufen aus der Sloan Digital Database. Die gelben, grünen und blauen Kreise repräsentieren Galaxiengruppen von der hellsten bis zur schwächsten. Credit: Maret Einasto

Die Forscher teilten die Hauptgalaxien von Galaxiengruppen in Galaxien ohne aktive Sternbildung (diese Galaxien sind überwiegend rot) und solche, in denen derzeit Sternbildung stattfindet (junge Sterne geben diesen Galaxien ihre blaue Farbe). Sie fanden jedoch auch rote sternbildende Galaxien unter den Hauptgalaxien der Gruppen.

Beim Vergleich der Eigenschaften der Hauptgalaxien in Gruppen unterschiedlicher Helligkeit (oder Reichtum) stellte sich heraus, dass Gruppen in zwei Hauptklassen fallen - hochhelle Gruppen und Haufen, in denen fast alle Hauptgalaxien nicht sternbildende rote Galaxien sind, und niedrig helle arme Gruppen, die neben solchen ohne aktive Sternbildung auch blaue oder rote sternbildende Galaxien als Hauptgalaxien haben können.

Die Unterschiede zwischen Gruppen und Haufen beschränken sich nicht nur auf die Helligkeit - jede Stichprobe kann anhand einer Eigenschaft in zwei Teile geteilt werden. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass hochhelle Galaxiengruppen und -haufen alle in Filamenten in Hochdichteregionen liegen. Alle hellsten und reichsten Haufen befinden sich in Filamenten in Superhaufen. Im Gegensatz dazu sind niedrig helle Galaxiengruppen und einzelne Galaxien überall im kosmischen Netz zu finden, einschließlich in Niedrigdichteregionen - in Leerräumen, die sich in spärlichen Filamenten befinden, oder sogar weit entfernt von Filamenten. Interessanterweise ist in Superhaufen die Helligkeit armer Galaxiengruppen mit der gleichen Anzahl von Mitgliedern viel höher als außerhalb von Superhaufen.

Die Studie zeigte, dass die dynamischen Eigenschaften reicher Gruppen mit Hauptgalaxien, die nicht mehr sternbildend sind, ebenfalls von denen von Gruppen mit sternbildenden Hauptgalaxien abweichen. Bei den erstgenannten befinden sich die Hauptgalaxien meist im Zentrum der Gruppe oder des Haufens, während die sternbildenden Hauptgalaxien recht weit vom Gruppenzentrum entfernt sein können. Astronomen stellten fest, dass der Zusammenhang zwischen der Sternengeschwindigkeitsdispersion der Hauptgalaxien und der Gruppengeschwindigkeitsdispersion, der aus früheren Studien bekannt ist, im Falle von sehr reichen Haufen, insbesondere in Haufen mit nicht sternbildenden Hauptgalaxien, nicht zutrifft.

Describing the properties of the structure of the Universe and how they form and evolve is one of the fundamental tasks of cosmology. The results extend our understanding of the formation and evolution of galaxy groups and clusters and their main galaxies in the cosmic web. Rich galaxy clusters can only form in regions where the overall density of matter is sufficiently high and where there is plenty of gas necessary for star formation. In such regions, rich clusters can be joined by other (equally rich) groups and clusters. In low-density regions (the currently void areas), only rather poor groups can form, which are located quite far apart, and thus, there are few mergers.

The research results also suggest that the physical processes influencing the formation and evolution of the main galaxies in groups and clusters are different in rich and poor groups. The evolution of single galaxies and main galaxies in small groups is mainly influenced by processes in and around their dark matter haloes; the impact of other galaxies and more distant surroundings (galaxy group mergers, etc.) is important primarily in rich clusters. Our study also underlined the importance of galaxy superclusters as a unique environment for the formation and evolution of galaxies and galaxy systems.

In researching galaxies and galaxy groups, the next step of the working group will be using the new observational data, including data on very faint galaxies. Tartu Observatory participates in a number of such observation programs.

Reference: “Galaxy groups and clusters and their brightest galaxies within the cosmic web” by Maret Einasto, Jaan Einasto, Peeter Tenjes, Suvi Korhonen, Rain Kipper, Elmo Tempel, Lauri Juhan Liivamägi and Pekka Heinämäki, 22 January 2024, Astronomy & Astrophysics. DOI: 10.1051/0004-6361/202347504

Funding: Alfred P. Sloan Foundation, U.S. National Science Foundation, U.S. Department of Energy, National Aeronautics and Space Administration, the Japanese Monbukagakusho, Max Planck Society, Higher Education Funding Council for England, ICRAnet through a professorship for Jaan Einasto, Vilho, Yrjö and Kalle Väisälä Foundation, Estonian Research Council