(Bildnachweis: ESA/ Springel et al., Virgo-Konsortium)
Riesige Filamente durchziehen das Universum und verbinden Galaxienhaufen wie Superhighways zwischen Städten. Ihre Form und Struktur verschlüsseln wichtige Informationen über den Inhalt und die Geschichte des Universums. Aufgrund ihrer komplexen Form sind sie jedoch nur schwer zu messen.
Jetzt haben Forscher eine neue Methode zur Messung der Masse dieser Filamente vorgestellt, mit der sich Geheimnisse über dunkle Materie und dunkle Energie lüften lassen.
Auf den allergrößten Skalen ähnelt unser Universum einem Spinnennetz. Es ist das größte Muster, das in der Natur zu finden ist und wird daher auch als kosmisches Netz bezeichnet. Innerhalb des kosmischen Netzes gibt es kleine, kompakte Klumpen von Galaxien, die als Galaxienhaufen bekannt sind. Zwischen diesen Galaxienhaufen gibt es Leerräume – große Flächen von fast nichts. Und die Verbindung zwischen den Haufen sind die Filamente.
Jedes Filament bildet das Rückgrat eines Superhaufens und kann sich bis zu zehn Millionen Lichtjahre weit erstrecken und bis zu Hunderttausende von Galaxien enthalten.
Jedes Filament bildet das Rückgrat eines Superhaufens und kann sich bis zu zehn Millionen Lichtjahre ausdehnen und bis zu Hunderttausende von Galaxien enthalten.
Die detaillierte Form des kosmischen Netzes und die verschlungenen Strukturen, die es enthält, haben eine lange Geschichte. Das kosmische Netz entstand vor mehr als 13 Milliarden Jahren in den frühesten Tagen des Universums, als Sterne und Galaxien die kosmische Szene zum ersten Mal erhellten. Die heutige Struktur des kosmischen Netzes gibt uns Aufschluss über diese Entwicklung und ist eng mit den Eigenschaften der normalen Materie, der dunklen Materie und der dunklen Energie verknüpft. Ändert man eine dieser Komponenten, erhält man ein neues Muster im kosmischen Netz.
Seit Jahrzehnten nutzen die Astronomen einfache Statistiken über das kosmische Netz, wie den durchschnittlichen Abstand zwischen Galaxien, um Informationen über diese grundlegenden kosmologischen Bestandteile zu gewinnen. Da wir jedoch die Natur der dunklen Materie und der dunklen Energie noch immer nicht vollständig verstehen, sind Kosmologen auf der Suche nach weiteren Informationen, die sie aus den Details des kosmischen Netzes gewinnen können.
Filamente bieten einen faszinierenden Weg, um die Natur der dunklen Materie und der dunklen Energie zu untersuchen. Anders als die Galaxienhaufen sind die Filamente noch nicht vollständig kollabiert. Aber sie enthalten immer noch viel mehr Material als die Leerräume. Wenn man also die Mengen an dunkler Materie und dunkler Energie variiert, können sich die durchschnittliche Länge, Breite und Dichte der Filamente ändern.
Aber ein Filament zu wiegen ist leichter gesagt als getan. Das liegt daran, dass der größte Teil der Masse eines Filaments in Form von dunkler Materie besteht, die für unsere Beobachtungen unsichtbar ist. Wir können nur die sichtbaren Galaxien abbilden und daraus die wahre Masse und Struktur des Filaments ableiten.
In einer kürzlich im Astrophysical Journal veröffentlichten Arbeit haben Forscher eine Methode vorgeschlagen, mit der genau das möglich ist. Sie kalibrierten ihre Methoden in kosmologischen Simulationen, die die Entwicklung der dunklen Materie, der Sterne und der Galaxien nachzeichneten. Die Forscher fanden eine nützliche Beziehung zwischen einer Größe namens „Rotverschiebungsdispersion der Galaxien“ und der zugrunde liegenden Masse der dunklen Materie.
Im Durchschnitt entfernen sich die Galaxien in einem expandierenden Universum von uns. Allerdings können die Galaxien aufgrund ihrer lokalen Gravitationsumgebung eine zusätzliche Bewegung erfahren. Wenn wir also beispielsweise einen Faden betrachten, können sich einige der Galaxien leicht in unsere Richtung bewegen, während andere sich leicht von uns weg bewegen. Die Galaxien, die sich auf uns zubewegen, haben eine leichte Tendenz zum blauen Ende des elektromagnetischen Spektrums, während die Galaxien, die sich von uns wegbewegen, leicht rotverschoben sind.
Die Forscher nahmen Scheiben von jedem Filament und kartierten die Verteilung dieser Rotverschiebungen, um ein Gefühl für die Streuung der Geschwindigkeiten der Galaxien zu bekommen. Dann verknüpften sie diese Streuung der Galaxiengeschwindigkeiten mit der zugrunde liegenden Masse der dunklen Materie in diesem Abschnitt des Filaments. Sie fanden eine enge Beziehung zwischen diesen beiden Größen, die es ihnen ermöglichte, die Masse der verborgenen dunklen Materie im Inneren des Filaments zu rekonstruieren, indem sie nur die beobachtbaren Eigenschaften der Galaxien verwendeten.
Dies ist jedoch nur der erste Schritt. Die Forscher werden die Beziehung zwischen den Geschwindigkeiten der Galaxien und der Masse der dunklen Materie weiter untersuchen, um eine fähige und zuverlässige Methode zur Schätzung der Masse zu entwickeln. Anschließend werden sie mithilfe von Simulationen untersuchen, wie sich diese Größen in verschiedenen kosmologischen Szenarien verändern. Der letzte Schritt wird darin bestehen, diese Technik auf echte Galaxiendurchmusterungen anzuwenden, um zu sehen, was die Filamente uns über die verborgenen Ecken des Universums verraten.
