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Clusters of galaxies as seen by the eROSITA All-Sky Survey with red dots indicating redshift 1 objects and blue dots indicating redshift 3 objects.(Image credit: MPE, J. Sanders for the eROSITA consortium)

Eine neue Analyse der Entwicklung von Galaxienhaufen in der 13,8 Milliarden Jahre alten Geschichte des Kosmos könnte dazu beitragen, eine seit langem bestehende Spannung im Zusammenhang mit der „Klumpigkeit“ des Materiegehalts unseres Universums zu lösen. In der Folge könnte sie den Wissenschaftlern auch helfen, eine Reihe anderer kosmischer Rätsel zu lösen.

Die ersten Daten der eROSITA-Durchmusterung kosmischer Röntgenquellen, die im Februar 2022 4,5 vollständige Himmelsdurchmusterungen abschloss, enthielten Präzisionsmessungen sowohl der Gesamtmateriemenge im Universum als auch des Grads der Glätte oder „Homogenität“ der Materie.

Diese Erkenntnisse könnten dazu beitragen, eine Diskrepanz zwischen den theoretischen Vorhersagen des Standardmodells der Kosmologie und den Beobachtungen eines kosmischen Fossils, das kurz nach dem Urknall entstanden ist und als kosmischer Mikrowellenhintergrund (CMB) bezeichnet wird, zu lösen. Die beiden sind sich derzeit nicht einig, wie klumpig die Materie des Universums ist.

Diese Diskrepanz ist als S8-Spannung bekannt geworden, wobei S8 der Parameter ist, den Wissenschaftler verwenden, um die Amplitude der Materieschwankungen auf einer Skala von etwa 26 Millionen Lichtjahren zu quantifizieren. Mit anderen Worten: die „Klumpigkeit“ des Kosmos in einem riesigen Maßstab.

Die S8-Spannung ist zwar kein so großes Problem für die Kosmologie wie die „Hubble-Spannung“, die eine Diskrepanz beschreibt, die Wissenschaftler bei der Berechnung der Expansionsrate des Universums feststellen, aber sie stellt dennoch einen aufziehenden Sturm dar. Es wurde sogar vorgeschlagen, dass wir möglicherweise eine völlig neue Physik finden müssen, um das Rätsel zu lösen. Die neuen eROSITA-Daten geben jedoch Anlass zur Hoffnung, dass die S8-Spannung ohne solch drastische Maßnahmen gelöst werden kann.

„eROSITA hat nun die Messung der Haufenentwicklung als ein Werkzeug für die Präzisionskosmologie etabliert“, sagte Esra Bulbul, die leitende Wissenschaftlerin des eROSITA-Teams für Haufen und Kosmologie, in einer Erklärung. „Die kosmologischen Parameter, die wir von Galaxienhaufen messen, stimmen mit den modernsten CMB-Daten überein und zeigen, dass das gleiche kosmologische Modell von kurz nach dem Urknall bis heute gilt.“

Lösung einer sich anbahnenden kosmischen Krise mit eROSITA

Das Standardmodell der Kosmologie oder das „Lambda Cold Dark Matter (ΛCDM)-Modell“ geht davon aus, dass das Universum unmittelbar nach dem Urknall ein heißes und dichtes Meer aus Photonen oder Lichtteilchen und freien Elektronen und Protonen war.

Es wird angenommen, dass diese Elektronen die Photonen zu diesem Zeitpunkt endlos gestreut haben, was bedeutet, dass das Universum im Wesentlichen undurchsichtig war. Das war bis etwa 400.000 Jahre später, als sich das Universum so weit ausgedehnt und abgekühlt hatte, dass Elektronen und Protonen nahe genug zusammenkommen konnten, um sich zu verbinden und die ersten Wasserstoffatome zu bilden.

Während dieser Ära der Reionisation konnten Photonen plötzlich reisen, und das Universum wurde für Licht transparent. Dieses „erste Licht“ füllt nun das Universum fast vollkommen gleichmäßig aus und ist als CMB oder „Oberfläche der letzten Streuung“ bekannt. Und da dieses Licht schon vor den ersten Sternen und Galaxien vorhanden war, ist der CMB ein hervorragendes Instrument, um die Entwicklung des Kosmos zu verfolgen.

Im Laufe der kosmischen Zeit verklumpten die ersten Atome zu den ersten Gaswolken, dann zu den ersten Sternen, die sich zu Galaxien zusammenfanden, die sich wiederum zu den ersten Galaxienhaufen zusammenschlossen, was schließlich zu einigen der größten Strukturen im bekannten Universum führte.

Beobachtungen dieser Cluster durch eROSITA , das Hauptinstrument an Bord der russisch-deutschen Spectrum-Roentgen-Gamma (SRG)-Sonde, zeigen, dass sichtbare Materie und dunkle Materie 29 % der gesamten Energiedichte des Universums ausmachen, was mit Messungen des CMB übereinstimmt.

Zwei Versionen von eROSITA All-Sky Survey Catalogue (eRASS1) Daten (rechts) der Röntgenhimmel über der Erde (rechts) Röntgenquellen. (Bildnachweis: MPE, J. Sanders für das eROSITA-Konsortium)

Bei der Beobachtung von Galaxienhaufen konnte eROSITA auch die Klumpigkeit der Materie mit Hilfe des S8-Parameters messen. Während frühere CMB-Experimente einen höheren Wert für S8 nahegelegt haben, als das Standardmodell vorhersagt, stimmen die eROSITA-Beobachtungen dieses kosmischen Fossils eher mit diesen theoretischen Vorhersagen überein.

„eROSITA sagt uns, dass sich das Universum während der gesamten kosmischen Geschichte wie erwartet verhalten hat“, sagte Vittorio Ghirardini, Forschungsleiter und Postdoktorand am Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik, in der Erklärung. „Es gibt keine Spannungen mit dem CMB – vielleicht können sich die Kosmologen jetzt ein wenig entspannen.“

Kosmische Geisterjagd

eROSITAs Beobachtungen der Galaxienhaufen haben den Wissenschaftlern auch geholfen, mehr über winzige Teilchen, so genannte Neutrinos, zu erfahren, die so wenig Masse und Ladung haben, dass sie im Grunde unter dem Radar reisen. Tatsächlich durchqueren jede Sekunde 100 Billionen von ihnen unbemerkt unseren Körper. Das macht Neutrinos nicht nur notorisch schwer nachweisbar, sondern hat ihnen auch den Spitznamen „Geisterteilchen“ eingebracht.

Die winzige Masse dieser Teilchen ermöglicht es ihnen auch, mit annähernd Lichtgeschwindigkeit durch den Kosmos zu rasen, weshalb sie von Astronomen als „heiß“ bezeichnet werden. Die Temperatur ist im Wesentlichen ein Maß dafür, wie schnell sich die Teilchen bewegen. Das bedeutet, dass Neutrinos die Verteilung der Materie im Universum glätten können, und diese Wirkung lässt sich messen, indem man die Entwicklung der größten uns bekannten kosmischen Strukturen untersucht.

Die Kombination der eROSITA-Messungen von Galaxienhaufen mit den Beobachtungen des CMB lieferte die bisher präzisesten Messungen der gesamten Neutrinomasse, die mit einer kosmologischen Sonde erzielt wurden.

„Es mag paradox klingen, aber wir haben durch die Häufigkeit der größten Halos dunkler Materie im Universum enge Grenzen für die Masse der leichtesten bekannten Teilchen gesetzt“, so Ghirardini. „Wir stehen sogar kurz vor einem Durchbruch bei der Messung der Gesamtmasse von Neutrinos, wenn wir sie mit bodengestützten Neutrinoexperimenten kombinieren.“

eROSITAs Einblicke in das Universum enden hier nicht; die Daten des Instruments sollten auch in der Lage sein, die Wachstumsrate der größten Strukturen im Universum aufzudecken, etwas, das von Einsteins Gravitationstheorie von 1915 vorhergesagt wurde: Die Allgemeine Relativitätstheorie.

Eine erste Analyse von 12.247 optisch identifizierten Galaxienhaufen, die von eROSITA beobachtet wurden, scheint zu zeigen, dass diese Wachstumsrate in späteren kosmologischen Zeiten etwas langsamer ist, als die allgemeine Relativitätstheorie vorhersagt.

„Wir könnten am Rande einer neuen Entdeckung stehen“, sagte Emmanuel Artis, ein Postdoktorand am Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik, in der Erklärung. „Wenn sich die Entdeckung bestätigt, wird eROSITA den Weg für neue spannende Theorien jenseits der allgemeinen Relativitätstheorie ebnen.“