Astronomen erforschen den Wurstcluster bei extrem niedrigen Radiowellenfrequenzen

Der Sausage-Cluster, auch bekannt unter der wissenschaftlichen Bezeichnung CIZA J2242.8+5301, begeistert die astronomische Fachwelt seit Jahren. Diese beeindruckende Galaxienansammlung besitzt eine Besonderheit, die ihr den Spitznamen „Wurstcluster“ eingebracht hat: die markante, wurstähnliche Form ihres nördlichen Radio-Relikts. Neueste Forschungen, durchgeführt mit den extrem niedrigen Radiowellenfrequenzen des Low Frequency Array (LOFAR), eröffnen jetzt völlig neue Perspektiven auf die physikalischen Prozesse in diesem gewaltigen Galaxienhaufen. Diese Untersuchungen tragen wesentlich dazu bei, unser Wissen über Galaxiencluster, ihre Entwicklung und die komplexen Vorgänge in ihrem Inneren zu vertiefen.

Galaxiencluster zählen zu den größten sichtbaren Strukturen des Universums, bestehend aus Hunderten bis Tausenden einzelner Galaxien, die durch die Gravitation zusammengehalten werden. Diese Ansammlungen wachsen im Kosmos vor allem durch Verschmelzungen mit kleineren Untergruppen, wobei gewaltige Energiemengen freigesetzt werden, zum Beispiel in Form von Schockwellen, die das Plasma innerhalb des Clusters aufheizen und energiereiche Teilchen beschleunigen. Die dabei entstehenden Radio-Relikte sind diffuse, meist langgestreckte Gebiete, die im Radiobereich leuchten – hervorgegangen aus Synchrotronstrahlung von schnellen Elektronen, die sich in mehr oder weniger starken Magnetfeldern bewegen. In CIZA J2242.8+5301 sind besonders zwei solcher Radio-Relikte herausragend: ein nördliches, das wegen seiner klaren, gewölbten Erscheinung an eine Wurst erinnert, und ein südliches mit eher unregelmäßiger Form.

Beide Relikte erstrecken sich über mehrere Millionen Lichtjahre. Bislang fokussierten Forscher sich meist auf höhere Radiowellenfrequenzen, doch Beobachtungen bei sehr niedrigen Frequenzen – hier konkret bei rund 45 Megahertz – bieten einzigartige Einblicke in das Verhalten der niederenergetischen kosmischen Strahlung und die zugrunde liegenden physikalischen Prozesse. Das Low Frequency Array, kurz LOFAR, ist optimal dafür gebaut, solche sehr langsamen Radiofrequenzen mit hoher Empfindlichkeit und Auflösung aufzunehmen. Ein Team europäischer Astronomen unter der Leitung von Giulia Lusetti von der Universität Hamburg hat diese Technologie genutzt, um den Sausage-Cluster detailliert zu untersuchen. Bei den Auswertungen offenbarten sich mehrere diffuse diffuse, relic-ähnliche Strukturen, die über die bisher bekannten nördlichen und südlichen Relikte hinausgehen.

Diese weisen teilweise eine Kopf-Schwanz-Morphologie auf, ein charakteristisches Muster, das auf Interaktionen innerhalb des Clusters und mit der erweiterten Emission hindeutet. Die Bildkarten des Spektralindex, die den Vergleich zwischen den 45-Megahertz- und 144-Megahertz-Messungen erlauben, zeigten einen klar erkennbaren Gradienten. Dieser Spektralindex, eine Kennzahl zum Beschreiben des Frequenzverhaltens der Strahlung, wird vom äußeren Rand eines Relikts bis zur Mitte des Clusters steiler. Konkret errechneten die Forscher für das nördliche Relikt einen integrierten Spektralindex von etwa −1,09, während das südliche eine deutlich steilere Kurve mit −1,34 aufweist. Diese Zahlen übersetzen sich in die Stärke der Schockwellen, sogenannte Machzahlen, die bei 4,8 für das nördliche und 2,6 für das südliche Relikt liegen.

Daraus schließen die Wissenschaftler auf unterschiedliche physikalische Bedingungen und Dynamiken bei den Entstehungsprozessen der beiden Radio-Relikte. Um die Struktur des nördlichen Relikts weiter zu verstehen, setzten die Astronomen ein Modell ein, das die Oberflächenhelligkeit simuliert. Die beste Übereinstimmung erhielt man, wenn man annahm, dass Projektionseffekte, Schwankungen im Magnetfeld und Verformungen des Schocks nur minimal sind. Dies deutet darauf hin, dass die beobachtete Morphologie sehr nahe an der realen räumlichen Struktur liegt, was wiederum Aufschluss über die Bewegungen und Vorgänge im Clusterinneren gibt. Die Erforschung bei solch niedrigen Frequenzen ist besonders wichtig, weil sie den Zugang zu den energiemäßig unteren kosmischen Elektronenpopulationen ermöglicht.

Diese tragen wesentlich zum Verständnis der umfassenden Mechanismen bei, mit denen Energie in Galaxienclustern umgewandelt und verteilt wird. Außerdem helfen sie, die Entwicklung von Magnetfeldern im intergalaktischen Medium besser zu begreifen. Galaxiencluster wie der Sausage-Cluster sind zentrale Objekte der modernen Kosmologie und Astrophysik. Sie geben uns Hinweise darauf, wie große Strukturen im Universum wachsen, wie Dunkle Materie und Dunkle Energie wirken und wie sich Galaxien in dichten Umgebungen entwickeln. Besonders Radio-Relikte stellen dabei ein Fenster zu turbulenten und oft schwer zu beobachtenden Prozessen dar.

Die erfolgreiche Beobachtung und Analyse von CIZA J2242.8+5301 bei so extrem niedrigen Radiowellenfrequenzen ist nicht nur ein technisches Meisterwerk, sondern auch ein Meilenstein in der Erforschung kosmischer Großstrukturen. Sie zeigt die Macht moderner Radioastronomie-Instrumente wie LOFAR auf und ebnet den Weg für weitere Studien ähnlicher Galaxienhaufen. Die Ergebnisse erweitern das Verständnis der komplexen Wechselwirkungen zwischen Galaxien, Plasma und Magnetfeldern in gewaltigen, aus mehreren Millionen bis Milliarden Lichtjahren bestehenden Systemen. Für die Zukunft versprechen weitere Beobachtungen in diesem Frequenzbereich wichtige Ergänzungen zu bisherigen Methoden.