Die beiden Materiearten

Die Struktur der Materie, vor allem im ganz grossen Massstab über Milliarden von Lichtjahren, ist eines der jüngsten kosmologischen Forschungsgebiete. Wir wissen aus vorherigen Blogthemen (https://cosmoblog.space/dunkle-materie-teil1-entdeckung-und-eigenschaften/ und folgende) , dass es zwei Arten von Materie gibt: einmal die uns wohlbekannte aus Atomen und Molekülen aufgebaute, die wir sehen und fühlen können und aus der wir auch selbst bestehen und zum anderen die rätselhafte Dunkle Materie, die fünf mal so häufig ist wie die “baryonisch”genannte Normalmaterie. Letztere ist mit einem Anteil von 4,9% am Inhalt des Universums so gering, dass sie -ganz im Gegensatz zu unserem Empfinden – kaum eine Rolle spielt. Oder besser gesagt, spielen würde, ohne die Existenz von Dunkler Materie.

Spinnennetzartige Makrostruktur Dunkler Materie

Es hat sich  ja  gezeigt, dass die Verteilung von beiden Materiearten (der sichtbaren und der dunklen) nicht nur eng miteinander zusammenhängt, sondern alles andere als zufällig ist: Ohne die Dunkle Materie gäbe es keinerlei geordnete Struktur im Universum. Die ersten Hinweise, dass es sehr wohl eine 2- bzw- 3-dimensionale Struktur Dunkler Materie im Universum gibt, haben wir bereits bei der Behandlung Dunkler Materie mit dem Grossprojekt “Dark Energy Survey” durch den Arbeitskreis Vinu Vikram et al. besprochen (https://cosmoblog.space/dunkle-materie-teil-2-nachweis/). In der berühmten Abbildung zum Thema wurde erstmals die spinnennetzartige Struktur der Dunklen Materie im Kosmos sichtbar. Auf Grund der Wichtigkeit dieser Entdeckung sei die Abbildung hier nochmals wiedergegeben:

                                                                                                                           Kartierung Dunkler Materie mit Lokalisation von Galaxienclustern.

                                                                                                               Credit: Vinu Vikram et al., DES Science Verification Data, Dark Energy Survey, 2015

Ansammlung von Galaxien/Galaxienhaufen entlang der Filamente aus Dunkler Materie

Da Galaxien und Galaxienhaufen heute die größte Zusammenballung von baryonischer Materie darstellen, müssen wir hier ihre Ursprünge suchen. Mit obiger Abbildung haben wir bereits eine quasi fotografische Bestätigung der Makrostruktur des Kosmos. Die grauen Kreise repräsentieren nämlich Galaxienhaufen, die größeren Kreise entsprechend größere Haufen.Die Farben codieren die Dichte Dunkler Materie: Rot – hohe Dichte, Blau – geringe Dichte.

Man sieht, dass die größten Galaxienhaufen in den roten Arealen liegen, umgeben von  riesigen Halos Dunkler Materie, von Durchmessern bis zu Millionen Lichtjahren. In den blauen Arealen befinden sich zum Teil kosmische voids (riesige Leerräume). Diese werden das nächste Thema dieses Blogs sein.

Quantenfluktuationen als „Ur-Ursache“ jeglicher Strukturbildung

Wie bereits mehrfach besprochen, sind Quantenfluktuationen sozusagen die »Ur-Ursache« aller Dichte- und damit Temperatur- unterschiede im jüngsten Universum – und somit Voraussetzung für Struktur. Möglichkeiten von Quantenfluktuationen haben wir auch im letzten blogpost zu Dunkler Energie kennengelernt (https://cosmoblog.space/dunkle-energie-teil-5-energieerhaltungssatz-gilt-uneingeschraenkt/).Normalerweise vernichten sich die bei der Quantenfluktuation entstehenden Paare aus Materie und Antimaterie im Bruchteil von Nanosekunden wieder unter Aussendung von Gammastrahlen. Diese Paarbildung und Vernichtung findet ununterbrochen im ganzen Universum statt – auch im Vakuum (Stichwort: Heisenberg’sche Unschärferelation). Es gab nun Situationen, in denen die ultraschnellen Paarvernichtungen nicht stattfinden konnten, weil sie von einem noch schnelleren Vorgang überlagert wurden. Der erste und wichtigste ist die schon mehrfach erwähnte kosmische Inflation (die wir später noch ausführlicher behandeln), bei der das Universum innerhalb von zirka 10^30 Sekunden um den Faktor 10^26 von der Größe eines Protons zur Größe einer Grapefruit expandierte.  Die Quantenfluktuationen, die an jedem Punkt des Universums existieren und die auch während der superkurzen Inflationsphase weitergingen, wurden hierbei  von  winzigsten sub-submikroskopischen Dichteunterschieden über Jahrmilliarden zu makroskopischer Dimension vergrössert und perpetuiert.

Filamente Dunkler Materie als Ankerregionen für Baryonische Materie

Die anfänglichen, minimalsten Verdichtungen waren nichtsdestoweniger die Saatstrukturen jeglicher späterer makroskopischer, baryonischer Materieansammlung wie Galaxien und Galaxienhaufen (Cluster), die sich im Laufe der folgenden Jahrmilliarden entwickelten. Aber bis dahin war es noch ein weiter Weg, auf dem sich ganz neue Strukturen ausbildeten, ohne die es keine Galaxienentwicklung gegeben hätte. Das sehen wir uns im folgenden genauer an. Im weiteren Verlauf der Entwicklung des Universums dienten die Verdichtungen, wie wir heute wissen, als Ankerregionen für Dunkle Materie, die ihrerseits wiederum bevorzugt Baryonische Materie anzog. Die Verdünnungen hingegen entwickelten sich im Laufe der Äonen zu materiearmen Regionen bis hin zu – fast leeren – sogenannten voids, die uns später noch separat beschäftigen werden. Damit ist bereits eine grobe Struktur des Kosmos angedeutet, die im Verlauf von Milliarden Jahren durch weitere Materieanziehung beziehungsweise Verdünnung zum heutigen Bild des Universums führte. Es zeichnet sich immer deutlicher ab, dass dies nach einem ganz besonderen Mechanismus  ablief. Dazu mehr im nächsten blogpost.

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

Beitragsbild: Cosmic web (das kosmische Netzt), Credit: The Millenium Simulation Project

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