Erklärung der Entwicklung der kosmischen Struktur

Unter der Leitung eines jungen vietnamesischen Wissenschaftlers an der University of Michigan (USA) hat eine Studie 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

Mit der Zeit und der Entwicklung des Universums erwarten Wissenschaftler, dass große Strukturen im Universum – das Netz aus Materie, das Galaxien verbindet – mit der von Albert Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie vorhergesagten Geschwindigkeit wachsen. Konzentrierte Materiebereiche, wie Galaxienhaufen, werden immer dichter, während leere Räume immer leerer werden.

Erfahren Sie mehr über Schwerkraft und dunkle Energie

Forscher der University of Michigan haben zudem gezeigt, dass die Diskrepanz zwischen Theorie und Daten immer deutlicher wird, wenn die Dunkle Energie (eine im Universum weit verbreitete Energieart unbekannter Natur) die Expansion des Universums beschleunigt. Hauptautor der Arbeit ist Nguyen Nhat Minh, ein junger vietnamesischer Kosmologe und ehemaliger Student der Fakultät für theoretische Physik der Universität für Naturwissenschaften in Ho-Chi-Minh-Stadt. Die Entdeckung wurde in Physical Review Letters veröffentlicht, einer Fachzeitschrift, die von Google Scholar in den Kategorien Mathematik und Physik auf Platz 1 geführt wird. Aufgrund ihrer Bedeutung wurde die Forschung von der Redaktion der American Physical Society als herausragende Arbeit bewertet 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 konzentriert sich tendenziell. Tatsächlich begann das gesamte Materienetz des Universums im frühen Universum mit winzigen Materieklumpen, 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. Wenn Dunkle Energie die Expansion des Universums beschleunigt, hat sie den gegenteiligen Effekt auf große Strukturen. Dr. Nhat Minh analysierte: „Wenn die Schwerkraft wie ein Verstärker wirkt, der die materiellen Störungen verstärkt und so das Wachstum großer Strukturen fördert, dann wirkt Dunkle Energie wie ein Dämpfer, der die Störungen abschwächt und das Wachstum dieser Strukturen behindert.“ Daher, so Nhat Minh, „können wir, indem wir verstehen, wie sich Strukturen im Universum gebildet und entwickelt haben, mehr über die Natur der Schwerkraft und der Dunklen Energie erfahren.“

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

Wir waren überrascht von der hohen statistischen Aussagekraft dieser Hinweise auf eine anomale Wachstumshemmung. Ehrlich gesagt fühlt es sich an, als wolle uns das Universum etwas sagen. Nun liegt es an uns Kosmologen, diese Ergebnisse zu erklären.

Professor Dragan Huterer

Die Bewegung von Galaxien weiter untersuchen

Dr. Nhat Minh und seine Kollegen, Professor Dragan Huterer und Dr. Yuewei Wen (beide von der University of Michigan), untersuchten die zeitbasierte Entwicklung großer Strukturen im Laufe der Evolution des Universums und nutzten dabei mehrere Quellen von Daten aus der Weltraumforschung. Laut Michigan News nutzten sie zunächst die kosmische Mikrowellenhintergrundstrahlung (CMB), die aus Photonen besteht, die kurz nach dem Urknall, der das Universum entstehen ließ, ausgesandt wurden. Diese Photonen liefern eine Momentaufnahme des frühen Universums. Wenn Photonen unsere Teleskope erreichen, können ihre Bahnen durch die Anziehungskraft großer Strukturen entlang ihrer Bahn gekrümmt werden. Durch die Untersuchung dieses Phänomens können Forscher auf die Struktur und Materieverteilung im Universum schließen. Kosmologen haben sich das Phänomen zunutze gemacht, dass „Licht von weit entfernten Hintergrundgalaxien durch Gravitationswechselwirkungen mit Materie zwischen ihnen und den Teleskopen verzerrt wird“, und entschlüsselten die Verzerrungen, um zu bestimmen, 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. Der schwache Gravitationslinseneffekt von Galaxien liefert uns daher Informationen über die Materieverteilung im Universum zu einem Zeitpunkt in unserer Nähe als der schwache Gravitationslinseneffekt der kosmischen Mikrowellenhintergrundstrahlung“, erklärte Nhat Minh gegenüber den Michigan News. Um die Strukturentwicklung auch zu späteren Zeitpunkten verfolgen zu können, untersuchen Kosmologen weiterhin die Bewegung von Galaxien im nahen Universum. Geraten Galaxien in den Gravitationseinfluss kosmischer Strukturen, liefern ihre Bewegungen Informationen, die direkt mit der Entwicklung dieser Strukturen zusammenhängen.

Neue Forschungsergebnisse erklären den „S8-Widerspruch“?

Die neue Entdeckung der Forscher könnte die sogenannte „S8-Kontroverse“ in der Kosmologie lösen. S8 ist ein Parameter, der das Strukturwachstum im Universum beschreibt. Die Meinungsverschiedenheit entstand, als Wissenschaftler zwei verschiedene Methoden zur Bestimmung des S8-Werts anwandten und die mit den beiden Methoden erhaltenen Werte nicht übereinstimmten. Die erste Methode, die Photonen aus der kosmischen Mikrowellenhintergrundstrahlung verwendete, zeigte einen höheren S8-Wert als den Wert, der aus Messungen der schwachen Gravitationslinsen (die die beobachtete Form von Galaxien streckt und verzerrt) und der galaktischen Ansammlung abgeleitet wurde. Keine der beiden Methoden misst das Strukturwachstum in der Gegenwart. Stattdessen untersuchen sie die Struktur zu früheren Zeiten und extrapolieren dann auf die Gegenwart, wobei sie annehmen, dass das Standardmodell das richtige Modell des Universums ist. Die aus der kosmischen Mikrowellenhintergrundstrahlung abgeleitete Struktur liegt nahe am frühen Universum, während die aus Gravitationslinsen und Galaxienansammlungen abgeleitete Struktur im späteren Universum liegt, 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 Messungen vollständig miteinander übereinstimmen.

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