Forschung

Neutrinos formen Galaxienhaufen

28.02.2019 - Erster Nachweis Neutrino-induzierter Verzerrungen bei baryonischen akustischen Oszillationen.

Der gesamte Weltraum ist von Neutrinos durchdrungen. Da diese Elementarteilchen nur eine minimale Wirkung mit Materie eingehen, spielen sie für die Struktur des Kosmos im heutigen Universum keine Rolle. In der Frühzeit des Universums war die Bedeutung der Neutrinos aber noch größer gewesen als heute: Ihre Energiedichte machte rund vierzig Prozent der Gesamtenergiedichte im Weltall aus. Von allen heute bekannten Elementarteilchen waren Neutrinos die ersten, die sich bei der Expansion des Kosmos von den anderen Teilchen entkoppelten. Dadurch ist der kosmische Neutrino-Hintergrund der älteste Strahlungshintergrund – wesentlich älter als etwa der Mikrowellen-Hintergrund, der mit der großräumigen Verteilung von Galaxien und Galaxienhaufen im Weltall zusammenhängt.

Ein internationales Wissenschaftlerteam hat nun die Verteilung von Galaxien analysiert, wie sie im Rahmen des Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS) kartiert wurde. Dazu nutzten die Forscher die finale Datenveröffentlichung, deren Zweck vor allem die exakte Vermessung baryonischer akustischer Oszillationen im All war. Diese Oszillationen entstanden in der Urzeit des Universums, lange vor der Entstehung von Galaxien, als sich bei der Expansion des Alls geringfügige lokale Verdichtungen der Materie herausgebildet hatten. Diese bestanden sowohl aus dunkler wie aus gewöhnlicher baryonischer Materie.

Im Gegensatz zur dunklen Materie unterlag die normale Materie aber einem Wechselspiel mit dem Strahlungsdruck energiereicher Photonen. In den dichteren Bereichen, in die weitere Materie aufgrund der höheren Gravitation einströmte, bildete sich auch ein höherer Strahlungsdruck heraus, der die damals hauptsächlich aus Protonen und Elektronen bestehende Materie wieder hinaustrieb – was zu den baryonischen akustischen Oszillationen führte. Diese sind zu rund fünf Prozent für die Galaxienverteilung verantwortlich.

Dieses Wechselspiel endete erst rund 380.000 Jahre nach dem Urknall, als die fortwährende Expansion des Alls seine Temperatur so weit hatte fallen lassen, dass die Protonen und Elektronen rekombinierten und von der elektromagnetischen Strahlung entkoppelten. Diese ist mittlerweile weiter abgekühlt und trägt als kosmischer Mikrowellen-Hintergrund die Strukturinformationen der damaligen Materieverteilung in sich. Die baryonischen akustischen Oszillationen führten zu einer typischen Galaxienverteilung: Diese zeigt sich im heutigen Universum dadurch, dass Galaxien und Galaxienhaufen bevorzugt in einem Abstand von 500.000 Millionen Lichtjahren auftreten – die durch die Expansion des Kosmos gestreckte charakteristische Wellenlänge der damaligen Oszillationen.

Da Neutrinos abgesehen von der Gravitation nur über die schwache Wechselwirkung mit anderer Materie in Verbindung treten und diese um viele Größenordnungen schwächer ist als andere, haben sich die Neutrinos wesentlich früher entkoppelt: Größenordnungsmäßig rund eine Sekunde nach dem Urknall war die durchschnittliche Energie der Neutrinos weit genug gesunken, dass ihre Wechselwirkungsrate deutlich abfiel.

Während sich die baryonischen akustischen Oszillationen über Jahrhunderttausende ausbilden konnten – mit einer Geschwindigkeit etwas langsamer als die Lichtgeschwindigkeit – , so flogen die Neutrinos schon Sekunden nach dem Urknall diesen Oszillationen praktisch mit Lichtgeschwindigkeit voran. Der sich ausbreitenden sphärischen Verdichtung der normalen Materie ging eine ebenfalls sphärische Neutrinofront voran. Aufgrund der großen Energiedichte der Neutrinos zu dieser Zeit verzerrten sie dann über ihre Schwerkraftwirkung die Form der baryonischen akustischen Oszillationen ein Stück weit.

In ihrer neuen Studie haben die Wissenschaftler die Verteilung von rund 1,2 Millionen Galaxien mit einer Entfernung bis zu sechs Milliarden Lichtjahren auf diesen Effekt hin untersucht. Die Neutrino-induzierte Phasenverschiebung der Oszillationen zeigte sich hierbei mit einer statistischen Signifikanz von über 95 Prozent.  Eine Schwierigkeit der Analyse bestand darin, dass die nichtlinearen Effekte der Galaxienbildung den Einfluss der Neutrinos „auswaschen“ können. Um dies auszuschließen, untersuchten die Forscher solche Neutrino-induzierten Verschiebungen, die nicht einfach durch nichtlineare gravitative Effekte zustande kommen. „Die Neutrinos bewirken eine Verschiebung der baryonischen akustischen Oszillationen um rund 15 bis 20 Prozent“, sagt Daniel Green von der University of California in San Diego, Koautor der Studie.

Mit dieser Analyse haben die Forscher zugleich eine Möglichkeit aufgezeigt, kosmologische Modelle mit einer teilchenphysikalischen Analyse zur Frühzeit des Kosmos zu verbinden. In Zukunft werden solche Untersuchungen mit wesentlich höherer Genauigkeit stattfinden können. Das Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI), das dieses Jahr in Betrieb geht, soll über dreißig Millionen Galaxien und Quasare über einen großen Raumwinkel abbilden. Daraus soll eine dreidimensionale Karte des Universums mit einer zeitlichen Tiefe von bis zu elf Milliarden Jahren werden. Die Wissenschaftler gehen davon aus, dass mit dieser Kartierung sowie durch die Kombination mit Daten des in wenigen Jahren startenden Weltraumteleskops Euclid noch deutlich aussagekräftigere Studien dieser Art möglich sein werden.

Dirk Eidemüller

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