Ins „kosmische Netz“ gegangen

  • 02. December 2015

Nachweis der fehlenden Baryonen von Galaxienhaufen Abell 2744.

Die sogenannte gewöhnliche Materie, aus der alles besteht, was wir kennen, macht nur etwa fünf Prozent unseres Universums aus. Und die Hälfte dieser fünf Prozent entzieht sich zudem jeder Beobachtung. Dank Simulations­rechungen ist bekannt, dass diese Hälfte der gewöhnlichen Materie in den verzweigten Filamenten vorhanden sein muss, die bei Temperaturen zwischen 100.000 und 10 Millionen Grad Celsius das „kosmische Netz“ bilden. Ein Forscherteam konnte dieses Phänomen nun direkt beobachten. Demnach befindet sich die Mehrheit der fehlenden gewöhnlichen Materie innerhalb dieser galaktischen Filamente, und zwar in Form eines sehr heißen Gases.

Abb.: Abb.: Resultate einer digitalen Simulation, die Verteilung von Materie mit Fasern und Knoten in grossem Massstab zeigt. Bild: V. Springel, MPIA & HITS)

Abb.: Abb.: Resultate einer digitalen Simulation, die Verteilung von Materie mit Fasern und Knoten in grossem Massstab zeigt. Bild: V. Springel, MPIA & HITS)

Galaxien entstehen dadurch, dass gewöhnliche Materie kollabiert und sich abkühlt. Um den genauen Vorgang dieses Entstehungsprozesses zu verstehen, war es wichtig zu entdecken, in welcher Form und wo genau sich die nicht aufspürbare gewöhnliche Materie – auch als „fehlende Baryonen“ bezeichnet – befindet. Die Astrophysiker nahmen dazu Abell 2744 genauer unter die Lupe. In dieser massiven Anhäufung von Galaxien besteht in der Mitte eine komplexe Verteilung von dunkler und sichtbarer Materie. Untersucht haben sie dieses Cluster mit dem XMM Weltraumobservatorium, dass dank seiner Empfind­lichkeit gegenüber Röntgenstrahlen die Eigenschaften von sehr heißem Gas aufspüren kann.

Groß angelegte Untersuchungen von Galaxien haben gezeigt, dass gewöhnliche Materie im Universum nicht homogen verteilt ist. Stattdessen ist die Materie unter dem Einfluss der Schwerkraft in faserartige Strukturen konzentriert und formt so ein Netzwerk aus Knoten und Verbindungen – das „kosmische Netz“. Die Regionen, die am stärksten den Gravitationskräften ausgesetzt sind, kollabieren und formieren sich zu Knoten, wie bei Abell 2744. Ähnlich wie bei einem neuronalen Netzwerk bilden diese Knoten durch Filamente Verbindungen miteinander. Innerhalb dieser Filamente konnten die Wissenschaftler nun die Anwesenheit von Gas nachweisen und somit die fehlenden Baryonen.

Die Astrophysiker richteten XMM auf die Gebiete aus, in denen sie die Präsenz von Filamenten und dadurch auch 10 Millionen Grad Celsius heiße Gas­strukturen vermuteten. Es gelang ihnen erstmals, die Temperaturen und Dichte dieser Objekte zu messen. Dabei kam heraus, dass ihre Messungen genau mit den Vorhersagen von Simulationsrechungen übereinstimmten. Dies lässt nun Vermutungen über die Form der fehlenden gewöhnlichen Materie zu.

Mit ihrer Forschung gelang den Wissenschaftlern eine Bestätigung der Modelle über die Formierung von Galaxien im Universum. „Wir müssen jetzt nachweisen, dass die Entdeckung der fehlenden Baryonen von Abell 2744 auf das restliche Universum anwendbar ist. Daher werden wir die Regionen mit den Filamenten im Detail analysieren, beispielsweise durch Messungen ihrer Temperaturverteilung und den verschiedenen Atomen, aus denen sie bestehen. Dadurch wollen wir verstehen, wie viele schwere Elemente es im Universum gibt“, erklärt Dominique Eckert, leitender Wissenschaftler der Studie.

Sollte es den Forschern tatsächlich gelingen, die Atome in den Filamenten zu messen, wären sie in der Lage, die Anzahl der schweren Atomkerne zu berechnen, die seit dem Beginn des Universums bei der Entwicklung von Sternen entstanden sind. Um diese Forschung voranzutreiben, entwickelt die Europäische Weltraumorganisation (ESA) momentan ein neues Weltraum­teleskop. Das Athena (Advanced Telescope for High-Energy Astrophysics) genannte Teleskop wird voraussichtlich ab Mitte der 2020er Jahre einsatzbereit sein.

U. Genf / PH

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