Riesige Filamente durchziehen das Universum und verbinden Galaxienhaufen wie Autobahnen zwischen Städten. Ihre Form und Struktur enthalten wichtige Informationen über den Inhalt und die Geschichte des Universums. Ihre komplexe Form macht sie jedoch äußerst schwer messbar. Forscher haben nun eine neue Methode zur Messung der Masse dieser Filamente vorgestellt, die dazu beitragen könnte, die Geheimnisse der dunklen Materie und der dunklen Energie zu entschlüsseln.
Unser Universum ähnelt in seiner größten Ausdehnung einem Netz. Man spricht treffend vom kosmischen Netz, denn es ist die größte in der Natur vorkommende Struktur. Innerhalb des kosmischen Netzes befinden sich kleine, kompakte Galaxienhaufen, die sogenannten Galaxienhaufen. Zwischen diesen Haufen befinden sich Hohlräume – riesige Räume, die praktisch nichts enthalten. Fäden verbinden die Haufen.
Jedes Filament bildet den Kern eines Superhaufens und kann sich über mehrere zehn Millionen Lichtjahre erstrecken und bis zu Hunderttausende von Galaxien enthalten.
Die detaillierte Form des kosmischen Netzes und seine komplexen Strukturen haben eine lange Geschichte. Es entstand vor mehr als 13 Milliarden Jahren, zu Beginn des Universums, als Sterne und Galaxien erstmals den Weltraum erleuchteten. Die heutige Struktur des kosmischen Netzes erzählt uns von dieser Entwicklung und ist eng mit den Eigenschaften von gewöhnlicher Materie, dunkler Materie und dunkler Energie verknüpft. Jede Veränderung einer dieser Komponenten erzeugt ein neues Muster im kosmischen Netz.
Filamente aus dunkler Materie. ESA/Springel et al., Virgo-Konsortium
Jahrzehntelang haben Astronomen einfache statistische Daten über das kosmische Netz, wie etwa die durchschnittliche Entfernung zwischen Galaxien, verwendet, um Einblicke in diese grundlegenden kosmologischen Komponenten zu gewinnen. Da wir die Natur der dunklen Materie und der dunklen Energie jedoch noch immer nicht vollständig verstehen, möchten Kosmologen unbedingt mehr über die Details des kosmischen Netzes erfahren.
Die Filamente stellen einen Schlüssel zum Verständnis der Natur von Dunkler Materie und Dunkler Energie dar. Im Gegensatz zu Galaxienhaufen sind die Filamente noch nicht vollständig kollabiert. Sie enthalten jedoch immer noch viel mehr Materie als leeren Raum. Daher könnte eine Veränderung der Menge an Dunkler Materie und Dunkler Energie die durchschnittliche Länge, Breite und Dichte der Filamente verändern.
Das Filament zu wiegen ist derzeit jedoch sehr schwierig. Denn der Großteil seiner Masse besteht aus dunkler Materie, die für unsere Beobachtungen unsichtbar ist. Wir können lediglich sichtbare Galaxien kartieren und daraus die wahre Masse und Struktur des Filaments bestimmen.
Kürzlich schlugen Forscher in einem zur Veröffentlichung im Astrophysical Journal angenommenen Artikel eine Methode vor, um genau dies zu erreichen. Sie kalibrierten ihre Methoden anhand kosmologischer Modelle, die die Entwicklung von Dunkler Materie, Sternen und Galaxien verfolgen. Dabei entdeckten sie eine nützliche Beziehung zwischen einer Größe namens „Galaxien-Rotverschiebungsdispersion“ und der Masse der Dunklen Materie.
Im expandierenden Universum entfernen sich Galaxien im Durchschnitt von uns. Aufgrund ihrer lokalen Gravitationsumgebung können Galaxien jedoch zusätzliche Bewegungen erfahren. Betrachtet man beispielsweise ein Filament, so bewegen sich einige Galaxien möglicherweise leicht in unsere Richtung, während sich andere leicht von uns entfernen. Galaxien, die sich auf uns zubewegen, weisen eine leichte Blauverschiebung ihrer Wellenlänge auf, während Galaxien, die sich von uns entfernen, eine leichte Rotverschiebung erfahren.
Die Forscher entnahmen Abschnitte jedes Filaments und erstellten eine Karte der Verteilung dieser Rotverschiebungen, um eine Vorstellung von der Verteilung der Galaxiengeschwindigkeiten zu erhalten. Anschließend setzten sie diese Verteilung der Galaxiengeschwindigkeiten mit der Masse der Dunklen Materie in diesem Abschnitt des Filaments in Beziehung. Sie fanden eine enge Beziehung zwischen diesen beiden Größen, die es ihnen ermöglichte, die Masse der verborgenen Dunklen Materie im Filament allein anhand der beobachteten Eigenschaften der Galaxien zu rekonstruieren.
Dies ist jedoch nur der erste Schritt. Die Forscher werden den Zusammenhang zwischen Galaxiengeschwindigkeiten und der Masse der Dunklen Materie weiter untersuchen, um eine effiziente und zuverlässige Methode zur Abschätzung der Masse zu entwickeln. Mithilfe von Simulationen können sie anschließend beobachten, wie sich diese Größen unter verschiedenen kosmologischen Szenarien verändern. Im letzten Schritt wird diese Methode auf reale Galaxiendurchmusterungen angewendet, um herauszufinden, was uns die Filamente über die verborgenen Winkel des Universums verraten können.
Anfang 2024 entdeckten Astronomen zum ersten Mal dunkle Materie, die an massiven Filamenten hängt, die sich durch das gesamte Universum erstrecken und ein „kosmisches Netz“ bilden, das Galaxien umhüllt wie ein Spinnennetz den Morgentau.
Forscher der Yonsei-Universität in Seoul, Südkorea, nutzten das Subaru-Teleskop – ein 8,2 Meter großes optisch-infrarotes Teleskop in der Nähe des Gipfels des Maunakea auf Hawaii – und die Wirkung der Schwerkraft auf das Licht, um indirekt dunkle Materie zu beobachten, die in den Filamenten des kosmischen Netzes im Coma-Haufen eingebettet ist. Die Ergebnisse des Teams wurden im Januar 2024 in der Fachzeitschrift Nature Astronomy veröffentlicht.
Dies ist der allererste Nachweis dunkler Materie im kosmischen Netz und könnte dazu beitragen zu bestätigen, wie diese Struktur – deren Fäden sich über Dutzende Millionen Lichtjahre erstrecken – die Entwicklung des Universums beeinflusst hat.
Der Coma-Galaxienhaufen, auch bekannt als Abell 1656, ist eine Ansammlung von über tausend Galaxien, die sich etwa 321 Millionen Lichtjahre entfernt im Sternbild Haar der Berenike befinden. Aufgrund seiner enormen Größe und relativen Nähe ist der Coma-Galaxienhaufen ein idealer Ort für Wissenschaftler, die in den Strängen des kosmischen Netzes nach dunkler Materie suchen.
Das Diagramm zeigt, wie Licht von einer Hintergrundquelle durch ihre Masse abgelenkt wird, wodurch ein Gravitationslinseneffekt entsteht. NASA, ESA und L. Calzada
Das kosmische Netz ist ein Netzwerk aus Materiefilamenten, das Galaxien mit Gas versorgt und so ihr Wachstum fördert. Dieses Netz trägt auch dazu bei, Galaxien miteinander zu verbinden, wodurch Galaxienhaufen entstehen.
Die Hauptstränge des kosmischen Netzes sind die Wände von Galaxienhaufen. Die dem Coma-Haufen entsprechende Wand wird als „Große Mauer“ bezeichnet. Tatsächlich war die Große Mauer die erste im Universum entdeckte supergroße Struktur.
Man geht davon aus, dass sich Galaxienhaufen an den Schnittpunkten dieser Filamente sammeln. Diese Filamente enden jedoch vermutlich zwischen Galaxien und bilden so genannte „intraskopische Filamente“. Man geht davon aus, dass sich Dunkle Materie entlang dieser Filamente des kosmischen Netzes bewegt und an diesen intraskopischen Filamenten hängt.
Obwohl das kosmische Netz, die größte Struktur im Universum, seit Jahrzehnten bekannt ist, konnten Astronomen das schwache Leuchten seiner Gasfilamente bisher nur beobachten, wenn diese von hellen Regionen in den Zentren von Galaxien beleuchtet wurden, die von supermassereichen Schwarzen Löchern angetrieben werden. Diese aktiven Schwarzen Löcher werden als Quasare bezeichnet.
Im Jahr 2023 fing der Keck Cosmic Web Imager, ebenfalls auf dem Gipfel des Mauna Kea, erstmals direktes Licht ein, das von den feinen Filamenten des kosmischen Netzes ausgeht, die sich kreuzen und durch die dunkelsten Weiten des Weltraums ziehen. Diese Filamente befinden sich an isolierten Stellen zwischen Galaxien, in den größten und verborgensten Teilen des kosmischen Netzes.
Die Position der dunklen Materie um diese Stränge des kosmischen Netzes herum zu „sehen“, ist jedoch eine ganz andere Geschichte.
Ein Computermodell von Galaxien, die von Gasfilamenten umgeben sind, die das kosmische Netz bilden. Yannick Bache
Dies liegt daran, dass dunkle Materie zwar etwa 85 % der gesamten Materie im Universum ausmacht, aber unsichtbar ist, da sie nicht auf die gleiche Weise mit Licht interagiert wie gewöhnliche Materie, aus der Sterne und Staub bestehen.
Die Dominanz der Dunklen Materie gegenüber der gewöhnlichen Materie bedeutet auch, dass sie die Fäden des kosmischen Netzes dominiert und das unsichtbare Gerüst bildet, entlang dessen die Struktur des Universums entsteht.
Obwohl dunkle Materie nicht mit Licht interagiert, interagiert sie mit der Schwerkraft, und diese Interaktion beeinflusst die Bewegung alltäglicher Materie und des Lichts, das wir sehen können.
Ein Forscherteam nutzte dieses Konzept, um dunkle Materie in den Filamenten des kosmischen Netzes zu entdecken, die sich durch den Coma-Haufen ziehen.
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Albert Einsteins Gravitationstheorie von 1915, die sogenannte Allgemeine Relativitätstheorie, geht davon aus, dass Objekte mit Masse eine Krümmung der Raumzeit verursachen. Die Theorie wiederum erklärt, dass das, was wir als Schwerkraft wahrnehmen, aus dieser Krümmung entsteht. Wenn Licht von einer Hintergrundquelle diese Krümmung durchdringt, verändert sich außerdem seine Flugbahn.
Dies kann dazu führen, dass Hintergrundquellen am Himmel verschoben oder verstärkt erscheinen oder in einigen extremen Fällen sogar an mehreren Stellen im selben Bild erscheinen. Dies wird als Gravitationslinseneffekt bezeichnet.
Gravitationslinsen nutzen die Schwerkraft im Wesentlichen als Vergrößerungsglas. Zunächst platzieren Sie ein großes Gravitationsfeld (z. B. dunkle Materie), das Sie untersuchen möchten, zwischen sich und eine Lichtquelle (z. B. einen Stern oder eine Galaxie). Anschließend beobachten Sie, wie sich das Licht von dieser Quelle auf Sie zubewegt. Das Licht wird im Gravitationsfeld gebrochen und wirbelt um dieses herum. Aus diesem Verhalten können Sie Informationen über das Objekt im Zentrum ableiten, beispielsweise seine Masse.
Und wenn es tatsächlich so aussieht, als ob sich zwischen Ihnen und der Lichtquelle nichts befindet, dieses Licht aber von etwas gebrochen wird, dann haben Sie es mit einer Art dunkler Materie zu tun.
Genau das entdeckten Wissenschaftler bei der Untersuchung des Coma-Galaxienhaufens – eines 321 Millionen Lichtjahre entfernten Superhaufens von Galaxien. Astronomen hatten vorhergesagt, dass dort mehrere Stränge des kosmischen Netzes zusammenlaufen und sich daher reichlich Filamente dunkler Materie finden würden. Als die Wissenschaftler ein Teleskop in diese Richtung richteten, sahen sie genau die Gravitationslinsensignale, die sie zu entdecken gehofft hatten. Sie waren zwar schwach, aber dennoch vorhanden.
Diese Entdeckung ist nicht nur deshalb so aufregend, weil sie die Existenz des kosmischen Netzes in seiner ursprünglichen Form bestätigt, sondern das Team hofft auch, dass sie uns einen tieferen Einblick in die Entwicklung des Universums im Laufe der Zeit geben wird. Vielleicht werden wir eines Tages die Unermesslichkeit unseres Universums wirklich verstehen.
Mithilfe des Lichts von Galaxien und Sternen hinter dem Coma-Haufen und dank der hohen Empfindlichkeit, der hohen Auflösung und des weiten Sichtfelds der Hyper Suprime-Cam (HSC) des Subaru-Teleskops konnte das Team zum ersten Mal einen schwachen Linseneffekt auf die Dunkle-Materie-Komponente der Filamente innerhalb des Clusters feststellen.
Dieser erstmalige Nachweis dunkler Materie an den Enden des kosmischen Netzes trägt dazu bei, die Existenz großräumiger Strukturen, die sich über das gesamte Universum erstrecken, weiter zu bestätigen.
Ein australisches Forscherteam hat erstmals Stoßwellen im kosmischen Netz entdeckt. Diese Stoßwellen könnten uns helfen, die Rolle von Magnetfeldern zu verstehen. Die Forscher hoffen, dass die Untersuchung des energetischen Leuchtens dieser Stoßwellen dazu beitragen wird, Fragen zur Entwicklung des Universums zu beantworten.
Magnetfelder im Kosmos waren für die Menschheit lange Zeit ein Rätsel. Die Entdeckung von Schockwellen in dünneren Regionen des kosmischen Netzes könnte Forschern jedoch helfen, besser zu verstehen, wie diese Felder die Gesamtform des beobachtbaren Universums beeinflussen. Sie könnte uns auch helfen zu verstehen, wie das kosmische Netz wächst.
In einer 2023 in Science Advances veröffentlichten Studie demonstriert das australische Internationale Zentrum für Radioastronomieforschung (ICRAR) die erste Entdeckung von Stoßwellen zwischen Galaxienhaufen. Diese Wellen sind beschleunigte Teilchen, die sich durch kosmische Galaxienhaufen bewegen und die allgegenwärtige Natur magnetischer Felder belegen.
„Wenn Materie im Universum zusammenkommt, entsteht eine Schockwelle, die Teilchen beschleunigt und intergalaktische Magnetfelder verstärkt“, erklärte Tessa Wernstrom von der University of Western Australia in einer Pressemitteilung. „Magnetfelder durchdringen das Universum – von Planeten und Sternen bis hin zu den Weiten zwischen den Galaxien. Viele Aspekte des kosmischen Magnetismus sind jedoch noch immer unzureichend verstanden, insbesondere auf den im kosmischen Netz beobachteten Skalen.“
Stellen Sie sich das kosmische Netz als das beobachtbare Universum im großen Maßstab vor – ein verflochtenes Netzwerk aus Filamenten und Clustern voller Gas, Galaxien und dunkler Materie, das sich durch Millionen von Lichtjahren große kosmische Hohlräume schlängelt. Das ICRAR-Team wollte die Rolle von Magnetfeldern in solchen Größenordnungen verstehen – eine Aufgabe, die sich seit langem als schwierig herausgestellt hat.
Diese Magnetfelder, die das kosmische Netz durchdringen, werden, wie Wernstrom in The Conversation schreibt, durch die Bewegung energiereicher Teilchen erzeugt. Sie erklärt außerdem, dass die Theorie hinter diesem Projekt besagt, dass „wenn die Schwerkraft am Faden zieht, Stoßwellen entstehen, die das Magnetfeld verstärken und ein für Radioteleskope sichtbares Leuchten erzeugen“. Diese Stoßwellen wurden zum ersten Mal nachgewiesen.
Um diese schwer fassbaren Signale zu erkennen, nutzte das Team ein Verfahren namens „Stacking“. Dabei werden mehrere Beobachtungen übereinandergelegt, um Hintergrundrauschen zu entfernen und das schwache Signal so weit zu verstärken, dass es erkannt werden kann. Diese Methode enthüllte die Signaturen der Stoßwellen, nach denen das Team gesucht hatte und die bisher nur bei Kollisionen von Galaxienhaufen beobachtet wurden.
„Diese Schockwellen senden Radiostrahlung aus, die das kosmische Netz im Radiospektrum zum ‚Glühen‘ bringen sollte“, sagt Wernstrom, „aber dies konnte nie zuverlässig nachgewiesen werden, weil die Signale so schwach sind.“
Doch die Superposition allein reichte nicht aus. Der Schlüssel lag in der Kombination dieser Methode mit Beobachtungen der Polarisation dieser Felder. Laut Wernstroms Arbeit „zwingen großflächige Stoßwellen magnetische Felder zur Ordnung“ und sorgen für eine starke Polarisation, das heißt, sie bewegen sich in die gleiche Richtung.
Wernstrom kombinierte die Konzepte von Stapelung und Polarisation und schrieb, das Team habe „einen Überschuss an hochpolarisiertem Licht zwischen den Galaxienhaufen festgestellt, der viel größer ist, als man von Galaxien allein erwarten würde. Wir können dies als Licht von Stoßwellen in den verbindenden Filamenten interpretieren.“
Eine neue Studie liefert neue Erkenntnisse zur Rolle von Magnetfeldern in den Strängen des kosmischen Netzes. Ein tieferes Verständnis der Stärke und Bedeutung von Magnetfeldern wird Forschern helfen, das Wachstum des Universums besser zu verstehen.
„Die Entdeckung und Untersuchung dieses Leuchtens könnte nicht nur unsere Theorien über die Entstehung der großräumigen Struktur des Universums bestätigen“, schreibt Wernstrom, „sondern auch dazu beitragen, Fragen zu kosmischen Magnetfeldern und ihrer Bedeutung zu beantworten.“
Siehe auch... Vollständige Liste der HTML/Javascript-Ereignishandler mit Beispielen Liste der erforderlichen Dokumente für eine Website in der Russischen Föderation |
