Fäden im kosmischen Netz

Die mittels Quasarpaar ermittelte Feinstruktur des kosmischen Netzwerks vor 11,5 Milliarden Jahren entspricht sehr gut dieser Simulation. Sie zeigt einen 24 Millionen Lichtjahre großen Ausschnitt. (Grafik: J. Onorbe / MPIA)

Die Materie im Kosmos bildet ein gewaltiges Netzwerk miteinander verknüpfter Filamente. Welche Struktur dieses riesige kosmische Netzwerk hat, haben nun Astronomen erstmals im Detail aufgeklärt. Mit Hilfe weit entfernter Quasarpaare gelang es ihnen, die Feinstruktur des Netzwerks fast bis auf galaktische Größe genau zu rekonstruieren. Das Spannende daran: Ihre Karte zeigt dieses Netz aus kosmischen Gasen zu einer Zeit nur rund zwei Milliarden Jahre nach dem Urknall. Dies hilft, die frühe Entwicklung unseres Universums zu entschlüsseln.

Auf den ersten Blick gehören sie zu den öden, eher leeren Gebieten im Universum: die großen Weiten des intergalaktischen Raums. Hier, zwischen den Galaxien, finden sich in jedem Kubikmeter Weltraum nur ein paar Atome. Doch insgesamt betrachtet hat es dieses extrem dünne Gas in sich, denn es bildet riesige, kaum sichtbare Gasfilamente, die den gesamten Kosmos durchziehen. In diesem Netzwerk liegen nicht nur fast alle Galaxien eingebettet, in ihm ist auch der Großteil aller Materie im All enthalten. Die hunderte Millionen Lichtjahre langen Filamente bestehen vor allem aus Dunkler Materie und großen Mengen von urtümlichem Wasserstoffgas, das noch aus der Zeit direkt nach dem Urknall stammt. Das Netz aus Gasfäden ist daher die prägende Großstruktur unseres Universums – und gibt wichtige Hinweise darauf, wie die Materie in der Frühzeit des Kosmos verteilt war. Astronomen versuchen daher, die Struktur und Verteilung dieses Netzes so genau wie möglich zu kartieren.

"Nadel im Heuhaufen"

Doch das ist schwierig: Weil die Gasfilamente so verdünnt sind, senden sie selbst kein Licht aus, sie sind weitgehend unsichtbar. Aufspüren lassen sie sich nur indirekt: Durch die winzige Lichtmenge, die das Gas schluckt, wenn das Licht von hinter den Fäden liegenden Lichtquellen hindurchfällt. Astronomen haben bisher meist ferne Galaxien oder Quasare für diese Art von Kartierung genutzt, für Details der Struktur reichten diese Lichtquellen jedoch nicht aus. Eine andere Lösung haben nun Alberto Rorai vom Max-Planck-Institut für Astronomie (MPIA) und seine Kollegen gefunden. Um das kosmische Netzwerk auf deutlich kleineren Größenskalen als bisher zu untersuchen, nutzten die Astronomen extrem seltene, zufällige Anordnungen von Quasaren aus: Quasarpaare, die von der Erde aus dicht am Himmel nebeneinander stehen. Vergleicht man die spektrale Zusammensetzung und Lichtabsorption beider Quasare, dann können die Unterschiede verraten, wie dicht das intergalaktische Medium ist, das beide Strahlen durchleuchtet haben. Dadurch lassen sich selbst kleinräumige Unterschiede in der kosmischen Gasverteilung aufspüren.

Allerdings: "Solche Quasarpaare zu finden ist wie die Suche nach der berühmten Nadel im Heuhaufen", sagt Koautor Joseph Hennawi vom MPIA. Zuvor sei gerade einmal eine Handvoll so enger Quasarpaare bekannt gewesen. "Um mehr davon zu finden, durchforsteten wir Aufnahmen von Milliarden kosmischer Objekte, die Millionenfach lichtschwächer sind als alles, was man mit bloßem Auge sehen kann." Die Forscher werten dafür die Daten des Keck-Teleskops auf Hawaii, des Very Large Telescope der Europäischen Südsternwate in Chile und des Magellan Teleskops auf den Kanaren aus. Und sie wurden fündig: Immerhin 25 geeignete Quasarpaare entdeckten die Astronomen. Damit war die Arbeit allerdings noch nicht getan: "Eine der größten Herausforderungen bestand darin, statistische Werkzeuge zu entwickeln, um die winzigen Unterschiede im Licht der Quasarpaare quantitativ zu beschreiben", berichtet Rorai. Erst spezielle Algorithmen und Hochleistungsrechner ermöglichten die Auswertungen. Auf einem einzigen Laptop hätten diese komplexen Rechnungen fast hunderttausend Jahre Rechenzeit beansprucht. Mithilfe moderner Supercomputer konnten die Forscher sie binnen weniger Wochen durchführen.

Detailblick auf die Netzstruktur

Das Ergebnis: Erstmals gelang es den Astronomen, einen Teil des kosmischen Netzwerks so genau wie nie zuvor zu kartieren. Obwohl die kartierten Regionen mehr als elf Milliarden Lichtjahre von uns entfernt sind, werden noch Strukturunterschiede auf Größenskalen von nur einigen hunderttausend Lichtjahren sichtbar – vergleichbar der Größe einzelner Galaxien. Das Interessante daran: Die neue 3D-Karte zeigt nicht nur die Feinstruktur des kosmischen Netzwerks genauer als bisher, sie blickt auch zurück in die Vergangenheit. Denn die Gasfilamente in dieser Karte repräsentieren den Zustand des kosmischen Netzwerks rund zwei Milliarden Jahre nach dem Urknall. Die hier sichtbaren Materieverteilungen und Strukturen können daher auch Aufschluss darüber geben, wie sich unser Universum zu dem entwickelte, das es heute ist. "Ich habe mich sehr gefreut, dass die neuen Messungen zu den gängigen Vorstellungen dafür passen, wie kosmische Strukturen entstehen" sagt Jose Oñorbe vom MPIA. Dies zeigte sich, als die Astronomen ihre Karte mit Computersimulationen der kosmischen Entwicklung verglichen.

"Ein Grund, warum die Strukturen auf diesen Größenskalen so interessant sind, liegt darin, dass sie Informationen über die Gastemperatur im kosmischen Netzwerk wenige Milliarden Jahre nach dem Urknall enthalten", erklärt Hennawi. Nach heutigem Wissen vollzog sich im Universum damals ein grundlegender Wandel, während der sich die Temperatur der Materie drastisch änderte. Im Laufe dieser sogenannten Phase der Reionisierung wurde die Ultraviolettstrahlung der Sterne und Quasare intensiv genug, um das neutrale intergalaktische Gas zu ionisieren. Dies schuf die Voraussetzungen für die weitere Entwicklung des Kosmos. Doch wann und wie diese Reionisierung stattfand, ist eine der wichtigsten offenen Fragen der Kosmologie. Die neue Kartierung des kosmischen Netzwerks könnte dazu künftig interessante Hinweise liefern.

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