Woraus besteht das Universum?

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 sogenannte „kosmische Netz“ bilden. Ein Forscherteam, das von einem Wissenschaftler der Universität Genf (UNIGE) geführt wird, konnte dieses Phänomen nun direkt beobachten. Demnach befindet sich die Mehrheit der fehlenden gewöhnlichen Materie innerhalb dieser galaktischen Filmende, und zwar in Form eines sehr heissen Gases. Ihre Ergebnisse haben die Astrophysiker nun im Fachmagazin Nature veröffentlicht.

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 der UNIGE und der Eidgenössisch Technischen Hochschule Lausanne (EPFL) 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.

Ein heisses Gas im Herzen der Filamente

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. Dieses Netzwerk ist unter dem Namen „kosmisches Netz“ bekannt. 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.

Wird die Menge der gewöhnlichen Materie im Universum bald bekannt sein?

Mit ihrer Forschung gelang den Wissenschaftlern eine massgebliche 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. Bei diesem Projekt sind die Schweiz und Wissenschaftler der UNIGE besonders eingebunden. Das Athena (Advanced Telescope for High-Energy Astrophysics) genannte Teleskop wird voraussichtlich ab Mitte der 2020er Jahre einsatzbereit sein.

Full bibliographic information


The baryon content of the Cosmic Web
Dominique Eckert1,2, Mathilde Jauzac3,4, HuanYuan Shan5, Jean-Paul Kneib5,6, Thomas Erben7, Holger Israel3, Eric Jullo6, Matthias Klein7, Richard Massey3, Johan Richard8, Ce ́line Tchernin1
1Department of Astronomy, University of Geneva, Ch. d’Ecogia 16, 1290 Versoix, Switzerland 2INAF - IASF Milano, Via E. Bassini 15, 20133 Milan, Italy
3Institute for Computational Cosmology, Department of Physics, Durham University, South Road, Durham DH1 3LE, UK
4Astrophysics and Cosmology Research Unit, School of Mathematical Sciences, University of KwaZulu-Natal, Durban 4041, South Africa
5Laboratoire dAstrophysique, Ecole Polytechnique Fe ́de ́rale de Lausanne (EPFL), Observatoire de Sauverny, CH-1290 Versoix, Switzerland
6Aix Marseille Universite ́, CNRS, LAM (Laboratoire d’Astrophysique de Marseille) UMR 7326, 13388, Marseille, France
7Argelander-Institut fr Astronomie, Auf dem Hu ̈gel 71, D-53121, Bonn, Germany
8CRAL, Observatoire de Lyon, Universite ́ Lyon 1, 9 Avenue Ch. Andre ́, F-69561 Saint Genis Laval Cedex, France

Nature, 2. December 2015
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