Die Schönheit des verborgenen Universums: eROSITA liefert beeindruckende erste Bilder des Röntgenhimmels
Die ersten Beobachtungswochen mit dem Röntgenteleskop eROSITA demonstrieren eine blendende Leistung und versprechen einen Durchbruch in unserem Verständnis des energiereichen Universums.
Dieses Bild zeigt unsere Nachbargalaxie, die Große Magellansche Wolke (LMC), beobachtet in mehreren Einzelaufnahmen mit allen sieben eROSITA-Teleskopmodulen am 18. und 19. Oktober 2019. Die diffuse Emission stammt von dem heißen Gas mit Temperaturen von einigen Millionen Grad zwischen den Sternen der Galaxie. Die kompakten, nebulösen Strukturen im Bild sind hauptsächlich Supernova-Überreste, d.h. Sternatmosphären, die am Lebensende eines massereichen Sterns in einer riesigen Explosion ausgestoßen wurden. Die prominenteste, SN1987A, befindet sich in Bildmitte als sehr helle Quelle. Eine Vielzahl weiterer Quellen in LMC selbst sind unter anderem akkretierende Röntgendoppelsterne oder Sternhaufen mit sehr massereichen jungen Sternen (bis zu 100 Sonnenmassen und mehr). Daneben sind auch viele Punktquellen zu sehen, entweder Vordergrundsterne aus unserer Heimatgalaxie oder weit entfernte aktive galaktische Kerne.
"Die ersten Bilder, die unser Teleskop geliefert hat, zeigen die wahre Schönheit des verborgenen Universums", freut sich Projektleiter Peter Predehl. "Um unsere wissenschaftlichen Ziele zu erreichen, brauchen wir eine hohe Empfindlichkeit, um auch weit entfernte Galaxienhaufen im Universum zu entdecken und räumlich aufzulösen. Diese ersten Bilder zeigen, dass wir das schaffen – aber wir können noch viel weiter gehen.“ Zusätzlich zum scharfen Röntgenblick jedes des sieben eROSITA-Spiegel, ist jedes Teleskop mit einer CCD-Kamera auf dem neuesten Stand der Technik ausgestattet, die eine hervorragende Kombination aus spektraler und zeitlicher Auflösung bieten. „Das Potenzial für neue Entdeckungen ist immens," fügt Predehl an. „Jetzt können wir die Früchte von mehr als zehn Jahren Arbeit ernten.“
Die ersten eROSITA-Bilder wurden aus einer Reihe von Aufnahmen aller sieben Teleskopmodule erstellt, mit einer kombinierten Integrationszeit von etwa einem Tag sowohl für die Große Magellansche Wolke (LMC), unsere Nachbargalaxie, als auch für das System A3391/3395 mit zwei interagierenden Galaxienhaufen in einem Abstand von etwa 800 Millionen Lichtjahren.
In unserer Nachbargalaxie, der LMC, zeigt eROSITA nicht nur die Verteilung des diffusen, heißen Gases sondern auch viele bemerkenswerte Details, wie die Überreste von Supernova-Explosionen mit und ohne pulsierendem Neutronenstern im Zentrum, wie zum Beispiel SN1987A. Die Beobachtungen mit eROSITA bestätigen, dass diese Quelle langsam schwächer wird, während sich die Schockwelle der Sternexplosion, die 1987 beobachtet wurde, immer weiter im interstellaren Medium ausdehnt. Neben vielen anderen heißen Objekten in der Großen Magellanschen Wolke selbst, zeigt das eROSITA-Bild auch einige Vordergrundsterne aus unserer eigenen Milchstraße, sowie weit entfernte aktive Galaxienkerne (AGNs), die durch die diffuse Emission des heißen Gases in unserer Nachbargalaxie hindurchscheinen.
"Röntgenstrahlen erlauben uns einen einzigartigen Blick auf das Universum, das im sichtbaren Licht verborgen bleibt", erklärt Kirpal Nandra, Direktor für Hochenergieastrophysik am MPE. "Betrachtet man einen scheinbar normalen Stern, so sehen wir im Röntgenlicht möglicherweise einen umkreisenden Weißen Zwerg oder Neutronenstern, der gerade dabei ist, seinen Begleiter zu verschlingen. Sichtbares Licht zeigt die Struktur einer Galaxie mit ihren Sternen, die Röntgenstrahlen wiederum werden von supermassereichen schwarzen Löchern dominiert, die in deren Zentren wachsen. Und wo wir mit optischen Teleskopen einen Haufen von Galaxien sehen, zeigen uns Röntgenstrahlen die riesigen Gasreservoire, die den Raum dazwischen ausfüllen und der Struktur der Dunklen Materie des Universums folgen. Mit der jetzt demonstrierten Leistung können wir sicher sein, dass eROSITA zu einem Durchbruch in unserem Verständnis der Entwicklung des energiereichen Universums führen wird."
Diese beiden eROSITA-Bilder zeigen die beiden interagierenden Galaxienhaufen A3391, oben im Bild, und A3395, unten mit zwei Komponenten, die eROSITAs hervorragende Sicht auf das ferne Universum demonstrieren. Sie wurden in einer Reihe von Aufnahmen mit allen sieben eROSITA-Teleskopmodulen am 17. und 18. Oktober 2019 beobachtet. Die einzelnen Bilder wurden verschiedenen Analysetechniken unterzogen und dann unterschiedlich eingefärbt, um die verschiedenen Strukturen hervorzuheben. Im linken Bild beziehen sich die Farben Rot, Grün und Blau auf die drei verschiedenen Energiebänder von eROSITA. Man sieht die beiden Haufen deutlich als neblige Strukturen, bei denen das extrem heiße Gas (mehrere zehn Millionen Grad) im Raum zwischen den Galaxien hell im Röntgenlicht leuchtet. Das rechte Bild hebt die "Brücke" oder das „Filament“ zwischen den beiden Haufen hervor und bestätigt den Verdacht, dass diese beiden riesigen Strukturen tatsächlich dynamisch interagieren. Die eROSITA-Beobachtungen zeigen auch Hunderte von punktförmigen Quellen, die entweder entfernte supermassereiche Schwarze Löcher oder heiße Sterne in der Milchstraße markieren.
Das eROSITA-Bild der beiden interagierenden Galaxienhaufen A3391 und A3395 zeigt die dynamischen Prozesse, die zur Entstehung gigantischer Strukturen im Universum führen. Die beiden Haufen, die in den eROSITA-Bildern als große, elliptische Nebel erscheinen, erstrecken sich über Zig Millionen Lichtjahre und enthalten jeweils Tausende von Galaxien. Galaxienhaufen sind eines der wissenschaftlichen Hauptziele für eROSITA; die Astronomen gehen davon aus, dass sie bei ihrer 4-jährigen Himmelsdurchmusterung im weichen und harten Röntgenbereich rund 100.000 Galaxienhaufen sowie mehrere Millionen aktive schwarze Löcher in den Zentren der Galaxien finden werden. „Wenn wir die Entwicklung der Galaxienhaufen über kosmische Zeitskalen hinweg verfolgen, können wir die kosmischen Parameter präzise messen und so die Dunkle Materie und Dunkle Energie besser verstehen, die das Universum dominieren“, sagt Astrophysikerin Esra Bulbul, die die Arbeit an Galaxienhaufen und in Bezug auf Kosmologie am MPE leitet.
"Ein Traum ist für uns wahr geworden. Wir wissen jetzt, dass eROSITA sein Versprechen halten wird und eine Karte des gesamten Röntgenhimmels erstellen kann, so tief und detailliert wie nie zuvor", bestätigt eROSITA-Projektwissenschaftler Andrea Merloni. "Damit schaffen wir ein enorm wertvolles Vermächtnis. Neben so schönen Bildern, wie wir sie heute zeigen, werden die Astronomen auf Jahre hinaus unsere Kataloge nutzen, um Millionen von exotischen Himmelsobjekten wie Schwarzen Löchern, Galaxienhaufen, Neutronensternen, Supernovae und aktiven Sternen zu analysieren."
Gestartet am 13. Juli 2019 im Rahmen der russisch-deutschen Raumfahrtmission Spektrum-Roentgen-Gamma (SRG), zu der auch das russische ART-XC-Teleskop gehört, absolvierte eROSITA bis 21. Oktober seine 1,5 Millionen Kilometer lange Reise zum zweiten Lagrange-Punkt (L2) des Erd-Sonne-Systems und trat nun – 100 Tage nach dem Start – in die geplante Umlaufbahn um L2 ein. Die Inbetriebnahme des Teleskops wurde am 13. Oktober offiziell abgeschlossen. Doch auch wenn die wissenschaftliche Leistung des Systems hervorragend ist, verlief diese erste Phase nicht ohne Probleme.
"Die Inbetriebnahme dauerte länger als erwartet, nachdem wir einige Anomalien in der elektronischen Steuerung der Kameras festgestellt hatten", erklärt Peter Predehl. "Aber diese Probleme zu lösen, ist genau der Grund, warum wir eine solche Phase haben. Nach einer sorgfältigen Analyse stellten wir fest, dass die Probleme nicht kritisch sind. Wir arbeiten weiter daran, aber in der Zwischenzeit kann das Programm normal fortgeführt werden." Das Teleskop ist nun in die so genannte Phase der Kalibrierung und Leistungsüberwachung (CalPV) eingetreten, in der astronomische Beobachtungen durchgeführt werden, um das Instrument besser zu verstehen und sein gesamtes Potenzial zur Erfüllung der wissenschaftlichen Anforderungen zu überprüfen. Am Ende der CalPV-Phase, nach einer abschließenden Prüfung durch das Betriebsteam, beginnen SRG und eROSITA mit ihrer Hauptaufgabe, der vollständigen Himmelsdurchmusterung über vier Jahre hinweg.
Entwicklung und Bau des Röntgenteleskops eROSITA wurde vom Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik geleitet mit Beiträgen des Instituts für Astronomie und Astrophysik der Universität Tübingen, des Leibniz-Instituts für Astrophysik Potsdam (AIP), des Universitätsobservatoriums Hamburg und der Dr. Karl Remeis Sternwarte Bamberg mit Unterstützung des deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt DLR. Die pnCCDs für die Kameras wurden vom MPG Halbleiterlabor geliefert. Die Ludwig-Maximilians-Universität München und das Argelander-Institut für Astronomie der Universität Bonn waren zudem an der Vorbereitung der Wissenschaft mit eROSITA beteiligt. Das russische Partner-Institut ist das Space Research Institute IKI, Moskau; technisch verantwortlich für die gesamte Mission ist die Firma NPOL, Lavochkin Association, in Khimky bei Moskau, wobei SRG ein gemeinsames Projekt der russischen und deutschen Raumfahrtagenturen, Roskosmos und DLR, ist.
