Forschung

Rotierendes Universum

17.06.2021 - Ströme aus Galaxien drehen sich auf Skalen von Hunderten von Millionen Lichtjahren.

Durch die Kartierung der Bewegungen von Galaxien in riesigen Filamenten, die das kosmische Netz verbinden, entdeckten Astro­nomen am Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam in Zusammenarbeit mit Wissen­schaftlerinnen und Wissen­schaftlern in China und Estland, dass sich diese langen Ströme aus Galaxien auf Skalen von Hunderten von Millionen Licht­jahren drehen. Eine Rotation in dieser Größenordnung wurde bisher noch nie beobachtet. Die Ergebnisse deuten an, dass Drehimpulse auf noch nie dage­wesenen Skalen erzeugt werden können.

Kosmische Filamente bilden riesige Brücken aus Galaxien und dunkler Materie, die Galaxien­haufen miteinander verbinden. Sie leiten Galaxien zu und in große Galaxien­haufen, die sich an ihren Enden befinden. „Indem wir die Bewegung von Galaxien in diesen riesigen kosmischen Autobahnen mit Hilfe des Sloan Digital Sky Survey – einer Himmels­durchmus­terung zur Vermessung von Hundert­tausenden von Galaxien – untersuchten, fanden wir eine bemerkens­werte Eigen­schaft dieser Filamente: Sie drehen sich“, sagt Astronom Peng Wang. „Obwohl es sich um dünne Zylinder – ähnlich der Form eines Bleistifts – handelt, die Hunderte von Millionen Lichtjahren lang sind, aber nur wenige Millionen Lichtjahre im Durchmesser, drehen sich diese fantas­tischen Materie­ströme“, ergänzt Noam Libeskind, Initiator des Projekts am AIP. „Auf diesen Skalen wirken die Galaxien in ihnen wie Staub­körnchen. Sie bewegen sich auf helix- oder korkenzieher­artigen Bahnen, rotieren um die Achse des Filaments, während sie sich in ihm in Längs­richtung bewegen. Eine solche Drehung wurde noch nie zuvor auf solch enormen Skalen beobachtet und impliziert, dass es einen noch unbe­kannten dafür verant­wortlichen physi­kalischen Mechanismus gibt.“

Wie der für die Rotation verant­wortliche Drehimpuls entsteht, ist eines der ungelösten Schlüssel­probleme der Kosmologie. Im Standard­modell der Struktur­bildung im Universum wachsen kleine Überdichten, die im frühen Universum vorhanden sind, durch gravitative Insta­bilität, da Materie von unter- zu überdichten Regionen fließt. In der Theorie ist eine solche Strömung drehungs- oder wirbelfrei: Da es keine ursprüng­liche Rotation im frühen Universum gibt, muss diese bei der Bildung von Strukturen erzeugt werden. Das kosmische Netz im All­gemeinen und Filamente im Besonderen sind eng mit der Entstehung und Entwicklung von Galaxien verbunden. Sie haben zudem einen starken Einfluss auf den Spin, die Eigenrotation, von Galaxien und regulieren oft die Richtung, in der Galaxien und ihre Halos aus dunkler Materie rotieren. Es ist jedoch nicht bekannt, ob nach dem derz­eitigen Modell der Struktur­bildung die Filamente selbst, als nicht kolla­bierte quasi-lineare Objekte, sich drehen.

„Angeregt durch die Vermutung des Theoretikers Mark Neyrinck, dass Filamente sich drehen könnten, unter­suchten wir die beobachtete Galaxien­verteilung im Hinblick auf Filament­rotation“, sagt Noam Libeskind. „Es ist fantastisch, die Bestätigung dafür zu sehen, dass inter­galaktische Filamente sowohl im realen Universum als auch in Computer­simulationen rotieren.“ Mit Hilfe einer ausgeklügelten Kartierungs­methode segmentierten sie die beobachtete Galaxien­verteilung in ihre zugrunde liegende Filament­struktur und betrachteten jedes Filament näherungs­weise als einen lang­gestreckten Zylinder. Die Galaxien darin unterteilten sie in zwei Bereiche entlang der Achse des Filaments und ermittelten sorg­fältig die mittlere Rotverschiebungs­differenz zwischen den beiden Regionen.

Die mittlere Rot­verschiebungs­differenz gibt Aufschluss über die Geschwindig­keits­differenz zwischen den Galaxien auf der sich von uns weg rotierenden und der in unsere Richtung rotierenden Seite der Röhre des Filaments. Somit ist die Bestimmung der Rotation des Filaments möglich. Die Ergeb­nisse implizieren, dass Filamente im Universum je nach Beobachtungs­winkel und der Masse der sich an ihren Endpunkten befindlichen Galaxien­haufen ein deutliches Signal zeigen, das auf eine Rotations­bewegung schließen lässt.

AIP / JOL

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