Die kosmischen Leerräume (voids), Teil 2

Die kosmischen Leerräume (voids), Teil 2

 

Die Leere des Kosmos als formende Kraft des Universums

Alle bisherigen Untersuchungen und Simulationen haben ergeben, dass die voids keine Dunkle Materie enthalten. Das macht sie zu zukünftigen Laboratorien für die ganz großen, ungelösten Fragen der Kosmologie, denn sie müssen erfüllt sein von dunkler Energie, die an jedem Punkt des Raums existiert und wirkt. Wie wir wissen  (cosmoblog.space/dunkle-energie-teil-2-eigenschaften-und-wirkung)  ist diese eine intrinsische Eigenschaft der Raumzeit. Voids enthalten Dunkle Energie und sonst – nichts. Dies ist das ideale Umfeld, um letztere ohne störende Einflüsse untersuchen zu können. Zahlreiche Arbeitsgruppen haben sich bereits auf dieses Thema gestürzt. Wir werden sehen: die Leere des Kosmos formt ihn!

Voids haben unabhängig von ihrer Größe alle sehr ähnliche Eigenschaften und stellen im Gegensatz zu den komplexen materiellen Strukturen im Kosmos recht einfache Gebilde dar – primär dominiert von dunkler Energie. Dunkle Energie wird als Ursache der -beschleunigten- Expansion des Universums angesehen (cosmoblog.space/dunkle-energie-teil-3).

Da die voids kaum Materie enthalten und somit keine Gravitation der Expansion entgegenwirken kann, dehnen sich die voids schneller aus als galaxienhaltige Regionen. Darüber hinaus ziehen die die voids begrenzenden Filamente und Wände, die hohe Ansammlungen an Galaxien und Galaxiencluster beinhalten die wenigen anfangs in den voids verstreuten Galaxien an und aus den voids heraus. Die beschleunigte Expansion der voids tut ein Übriges, diese Galaxien nach aussen zu pushen. Voids leisten also einen erheblichen Beitrag zur Formung der Spinnennetz-Struktur des Universums.

Wieviele voids gibt es eigentlich und wie gross sind sie?

Die Zahl bekannter voids wächst ständig, ebenso wie ihre bestimmten Größen.Während in den 1970er und 1980er Jahren gerade einmal einige Dutzend voids bekannt waren, wurden 2004 im von 1995 bis 2003 durchgeführten »Two-degree-Field Galaxy Redshift Survey« unter Anwendung eines speziellen Algorithmus 289 voids gefunden (Michael Vogeley und Fiona Hoyle). Die gleichen Autoren analysierten 2012 daraufhin auch den Sloan Digital Sky Survey (SDSS) anhand von 700.000 Galaxien und fanden 1.054 voids. Später wurde diese Zahl unter Verwendung eines neuen Algorithmus von Sutter et al. auf zweitausend voids erhöht. Diese Zahl noch weiter zu erhöhen ist essentiell, um mit den erhobenen Daten eine verlässliche Statistik zu generieren. Das Ziel im nächsten Jahrzehnt heißt eine Million voids unter Verwendung der nächsten Teleskop- Generation, die zur Zeit in Planung beziehungsweise bereits Um- setzung ist.

Die Ausdehnung vieler voids ist schier ungeheuer. Der erste bestätigte Leerraum (Boötes void; Robert Kirshner 1981) hat einen Durchmesser von zirka dreihundert Millionen Lichtjahren. Viele danach gefundene voids liegen in der gleichen Größenordnung. Eine kolossale (und nicht unumstrittene Ausnahme) soll jedoch nicht unerwähnt bleiben. Bei der Vermessung der kosmischen Hintergrundstrahlung (CMB) durch die Satelliten WMAP und Planck, wo minimalste Temperaturabweichungen im Mikrokelvin-Bereich farbkodiert wurden – minimal wärmer mit Gelb bis Rot und minimal kälter mit Dunkelblau –, wurde ein kalter Fleck (engl. cold spot) entdeckt, der alle Dimensionen sprengt. Er findet sich am unteren Rand der elliptischen Darstellung (vgl. Beitragsbild), etwa bei fünf Uhr (s. Kreis in der Abbildung).

Der rätselhafte „cold spot“ im kosmischen Mikrowellen Hintergrund (CMB)

Optisch ist er unauffällig. Seine Ausdehnung jedoch beträgt unfassbare 1,4 Milliarden Lichtjahre! Photonen, die mit 300.000 km/ sec fliegen, benötigen 1,4 Milliarden Jahre, um diesen Leerraum zu durchqueren. Da versagt jede menschliche Vorstellung. Eine solch gigantische Struktur – die bisher größte im Universum entdeckte – kollidiert mit der bisher festgefügten Lehrmeinung, dass auf großen Skalen das Universum in allen Richtungen gleich (uniform) aussieht. Eine weitere, bisher unerklärte Anomalie ist auf obiger Darstellung des kosmischen Mikrowellen-Hintergrundes zu sehen: die sogenannte Hemisphären-Asymmetrie. Darunter versteht man eine Asymmetrie in der durchschnittlichen Temperatur der nördlichen und südlichen Hemisphären – getrennt durch obige weiße Kurve. Die Durchschnittstemperatur im südlichen Teil ist (geringfügig) höher. Wir werden uns mit den Einzelheiten des kosmischen Mikrowellen Hintergrunds in einem eigenen blog beschäftigen.

Ein kosmischer Supervoid?

Zahllose Erklärungen wurden versucht. Inzwischen kristallisiert sich heraus, dass es sich bei dem cold spot wohl um einen kosmischen Supervoid handeln muss (Istvan Szapudi, University of Hawaii). Nach gängiger Theorie ist ein solcher Supervoid grundsätzlich in der Lage, einen kalten Abdruck auf der Mikrowellenstrahlung zu hinterlassen.

Das Problem ist nur, dass der cold spot siebzig Mikrokelvin kühler ist als der Durchschnitt der Hintergrundstrahlung, was zur Erklärung nicht ausreicht. Auch hier gibt es erklärende Szenarien, auf die ich nicht weiter eingehe, da keine davon bewiesen ist. Die Daten von Szapudi, in die ein großer Himmelsausschnitt mit Tausenden von Galaxien eingeflossen ist, der den gesamten cold spot umfasst, sind die bisher solidesten, die nach dem Autor eindeutig auf einen Supervoid verweisen. Dieser liegt in der südlichen Konstellation des Eridanus, zirka drei Milliarden Lichtjahre von uns entfernt. Dieser Supervoid beeinflusst den kosmischen Mikrowellen-Hintergrund (CMB). Es besteht allerdings weitgehende Einigkeit, dass er nicht mit diesem zusammen entstanden ist, sondern wesentlich später, möglicherweise erst zirka elf Milliarden Jahre nach dem Urknall.

Es zeigt sich wieder einmal, dass jede epochale Antwort – wie sie die WMAP- und Planck Ergebnisse darstellen – neue Fragen aufwirft. Das wird immer so sein und garantiert den Fortbestand der Wissenschaft.

 

 

Headerbild: Spinnenetzstruktur des Universums; Würfel mit Kantenlänge 1 Milliarde Lichtjahre; Bolshoi Simulation. Credit: NASA, ESA and E. Hallman, University of Colorado; Boulder

Beitragsbild: Darstellung des kosmischen Mikrowellen Hintergrunds, „cosmic microwave background“ (CMB) nach Daten des Planck-Satelliten: Temperaturkarte mit kaltem Fleck (eingekreist) und Hemisphären-Asymmetrie (weisse Linie). Credit: ESA and the Planck collaboration, 2013

Verantwortlich: Peter H. Jacobi (Autor von „Cosmoblog. Kosmologie: Über die Grundlagen zur Spitzenforschung von heute und morgen“; K.Fischer Verlag, September 2017)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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