Erklärung der Entwicklung der kosmischen Struktur

Unter der Leitung eines jungen vietnamesischen Wissenschaftlers an der University of Michigan (USA) haben Untersuchungen Hinweise darauf gefunden, dass sich große Strukturen und Verbindungen zwischen Galaxien im Universum langsamer entwickeln als von Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie vorhergesagt.

Dr. Nguyen Nhat Minh – Foto: NVCC

Im Laufe der Zeit und mit der Entwicklung des Universums erwarten Wissenschaftler, dass große Strukturen im Universum – das Netz aus Materie, das Galaxien verbindet – mit einer bestimmten Geschwindigkeit wachsen, die von Albert Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie vorhergesagt wird. Regionen konzentrierter Materie wie Galaxien und Galaxienhaufen werden immer dichter, während Regionen des Weltraums immer leerer werden.

Erfahren Sie mehr über Schwerkraft und dunkle Energie

Forscher an der University of Michigan haben außerdem gezeigt, dass die Diskrepanz zwischen Theorie und Daten immer deutlicher wird, wenn die Dunkle Energie (eine Energieart, deren Natur unbekannt ist, die jedoch im Universum allgegenwärtig ist) die Ausdehnung des Universums beschleunigt. Der Hauptautor der Arbeit ist Nguyen Nhat Minh – ein junger vietnamesischer Kosmologe und ehemaliger Student der theoretischen Physik an der Ho Chi Minh City University of Science.Die Entdeckung wurde in Physical Review Letters veröffentlicht, einer Zeitschrift, die von Google Scholar in den Bereichen Mathematik und Physik am höchsten bewertet wird. Aufgrund der Bedeutung der Entdeckung wurde die Studie von der Redaktion der American Physical Society als bemerkenswerte Arbeit angesehen und in vielen internationalen Physikzeitschriften veröffentlicht. Galaxien sind im gesamten Universum wie ein riesiges Spinnennetz miteinander verbunden. Ihre Verteilung im Raum ist nicht zufällig, sondern neigt dazu, sich zu gruppieren. Tatsächlich begann das gesamte Materienetz des Universums als winzige Materieklumpen im frühen Universum, wuchs allmählich zu einzelnen Galaxien heran und bildete schließlich Galaxienhaufen und Filamente. Das Universum besteht nicht nur aus Materie. Es enthält wahrscheinlich auch eine mysteriöse Komponente namens dunkle Energie. Dunkle Energie beschleunigt die Expansion des gesamten Universums. Während dunkle Energie die Expansion des Universums beschleunigt, hat sie auf große Strukturen den gegenteiligen Effekt. Dr. Nhat Minh analysierte: „Wenn die Schwerkraft wie ein Verstärker wirkt, der Materiestörungen verstärkt und ihre Entwicklung zu großen Strukturen fördert, dann wirkt die dunkle Energie wie ein Dämpfer, der die Störungen abschwächt und die Entwicklung dieser Strukturen behindert.“ Deshalb sagte er: „Indem wir verstehen, wie sich Strukturen im Universum bilden und entwickeln, können wir mehr über die Natur der Schwerkraft und der dunklen Energie lernen.“

Materie im frühen Universum verband sich im Spätstadium allmählich zu großen kosmischen Strukturen - Illustration: NHAT MINH - MAI THANH

Wir waren überrascht vom hohen statistischen Wert der Beweise für diese anomale Wachstumsunterdrückung. Ehrlich gesagt habe ich das Gefühl, dass das Universum uns etwas sagen möchte. Nun liegt es an uns Kosmologen, diese Erkenntnisse zu erklären.

Ein Professor DRAGAN HUTERER

Die Bewegung von Galaxien weiter studieren

Dr. Nhat Minh und seine Kollegen, Professor Dragan Huterer und Dr. Yuewei Wen (beide von der University of Michigan), führten eine Studie über die zeitliche Entwicklung großer Strukturen im Laufe der Evolution des Universums durch und nutzten dabei mehrere Quellen von Daten aus der Weltraumforschung. Zunächst nutzten sie die kosmische Mikrowellenhintergrundstrahlung (oder CMB), die aus Photonen besteht, die kurz nach dem Urknall, der das Universum entstehen ließ, ausgesendet wurden, so Michigan News. Diese Photonen liefern eine Momentaufnahme des frühen Universums. Auf dem Weg der Photonen zu unseren Teleskopen kann ihre Bahn durch die Gravitationskraft großer Strukturen entlang ihrer Bahn gekrümmt werden. Durch die Untersuchung dieses Phänomens können Forscher Rückschlüsse auf die Struktur und Verteilung der Materie im Universum ziehen. Kosmologen haben sich das Phänomen zunutze gemacht, dass „Licht von weit entfernten Hintergrundgalaxien durch Gravitationswechselwirkungen mit Materie zwischen ihnen und Teleskopen verzerrt wird“. Sie haben diese Verzerrungen entschlüsselt und damit ermittelt, wie die Materie zwischen uns und weit entfernten Hintergrundgalaxien verteilt ist. „Wichtig ist, dass sich die kosmische Mikrowellenhintergrundstrahlung und die Hintergrundgalaxien in unterschiedlichen Entfernungen von unseren Teleskopen befinden. Daher liefert uns die schwache Gravitationslinsenwirkung der Galaxien Informationen über die Verteilung der Materie im Universum zu einem Zeitpunkt, der näher bei uns liegt, als die Informationen über die Verteilung der Materie, die wir aus der schwachen Gravitationslinsenwirkung der kosmischen Mikrowellenhintergrundstrahlung ableiten können“, erklärte Nhat Minh gegenüber Michigan News. Um die Entwicklung der Struktur auch in späteren Zeiten verfolgen zu können, untersuchen Kosmologen weiterhin die Bewegungen von Galaxien im nahen Universum. Da Galaxien dem Gravitationseinfluss kosmischer Strukturen unterliegen, liefern ihre Bewegungen Informationen, die in direktem Zusammenhang mit der Entwicklung dieser Strukturen stehen.

Neue Forschungsergebnisse erklären den „S8-Widerspruch“?

Die neue Entdeckung der Forscher hat das Potenzial, den sogenannten „S8-Widerspruch“ in der Kosmologie aufzulösen. S8 ist ein Parameter, der die Entwicklung der kosmischen Struktur beschreibt. Zu Meinungsverschiedenheiten kam es, als Wissenschaftler zwei unterschiedliche Methoden zur Bestimmung des S8-Wertes verwendeten und die mit den beiden Methoden erhaltenen Werte nicht übereinstimmten. Die erste Methode verwendet Photonen aus der kosmischen Mikrowellenhintergrundstrahlung, die einen höheren S8-Wert aufweist als der, der aus Messungen der schwachen Gravitationslinsenwirkung (die die beobachtete Form von Galaxien streckt und verbiegt) und der Galaxienhaufenbildung abgeleitet wird. Keine der oben genannten Methoden misst die Entwicklung der Struktur zum gegenwärtigen Zeitpunkt. Stattdessen untersuchen sie die Struktur zu früheren Zeiten und extrapolieren dann auf die Gegenwart, in der Annahme, dass das Standardmodell ein genaues Modell des Universums ist. Die aus der kosmischen Mikrowellenhintergrundstrahlung gewonnene Struktur weist eine größere Ähnlichkeit mit dem frühen Universum auf, während die aus Gravitationslinseneffekten und Galaxienhaufen gewonnene Struktur aus dem späteren Universum stammt, also näher an der Gegenwart. Laut Dr. Nhat Minh werden die Erkenntnisse der Forscher über die Unterdrückung des Wachstums von Materie und Struktur in der Spätphase des Universums dazu führen, dass die beiden S8-Werte aus den beiden oben genannten Messungen vollständig miteinander übereinstimmen.

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