Seit vielen Jahren können Wissenschaftler kein Stück Materie im Universum finden. Kürzlich veröffentlichte Materialien zeigen, wo sie sich versteckt.
Astronomen haben endlich die letzten fehlenden Teile des Universums gefunden. Sie haben sich seit Mitte der neunziger Jahre versteckt, und irgendwann beschlossen die Forscher, eine Bestandsaufnahme aller "normalen" Materie im Weltraum vorzunehmen, einschließlich Sterne, Planeten, Gas - also alles, was aus Atompartikeln besteht. (Dies ist keine "dunkle Materie", was ein eigenständiges Rätsel ist.) Wissenschaftler hatten eine ziemlich klare Vorstellung davon, wie viel diese Materie sein sollte, basierend auf den Schlussfolgerungen theoretischer Studien über ihren Ursprung zur Zeit des Urknalls. Studien des kosmischen Mikrowellenhintergrunds (die Lichtreste des Urknalls) bestätigten später diese ersten Schätzungen.
Sie stellten alles zusammen, was sie sehen konnten: Sterne, Gaswolken und dergleichen. Das heißt, alle sogenannten Baryonen. Sie machten nur 10% dessen aus, was hätte sein sollen. Und als Wissenschaftler zu dem Schluss kamen, dass gewöhnliche Materie nur 15% aller Materie im Universum ausmacht (der Rest ist dunkle Materie), hatten sie zu diesem Zeitpunkt nur 1,5% aller Materie im Universum inventarisiert.
Nach einer Reihe von Studien haben Astronomen kürzlich die letzten Stücke gewöhnlicher Materie im Universum gefunden. (Sie sind immer noch ratlos und wissen nicht, woraus dunkle Materie besteht.) Und obwohl die Suche sehr lange dauerte, fanden Wissenschaftler sie genau dort, wo sie sie erwartet hatten: in den riesigen Locken heißer Gase, die die Hohlräume zwischen den Galaxien besetzen. Genauer gesagt werden sie als warm-heiße intergalaktische Umgebung (WHIM) bezeichnet.
Die ersten Hinweise darauf, dass zwischen Galaxien weite Regionen mit im Wesentlichen unsichtbarem Gas existieren könnten, stammten aus Computersimulationen im Jahr 1998. "Wir wollten sehen, was mit all diesem Gas im Universum passiert", sagte der Kosmologe Jeremiah Ostriker von der Princeton University, der mit seinem Kollegen Renyue Cen ein solches Modell baute. Diese Wissenschaftler haben die Bewegung von Gas im Universum unter dem Einfluss von Schwerkraft, Licht, Supernova-Explosionen und allen Kräften, die Materie durch den Raum bewegen, modelliert. "Wir haben festgestellt, dass sich Gas in nachweisbaren Filamenten ansammelt", sagte Ostricker.
Aber sie konnten diese Fäden nicht finden - dann.
"In den ersten Tagen der kosmologischen Modellierung wurde klar, dass ein erheblicher Teil der baryonischen Materie in heißer diffuser Form außerhalb von Galaxien vorliegt", sagte ein Astrophysiker an der Universität von Liverpool. John Moores Ian McCarthy. Astronomen dachten, diese heißen Baryonen würden einem kosmischen Überbau aus unsichtbarer dunkler Materie entsprechen, der die riesigen Hohlräume zwischen Galaxien ausfüllt. Die Anziehungskraft der Dunklen Materie sollte Gas anziehen und auf eine Temperatur von mehreren Millionen Grad erwärmen. Leider ist es äußerst schwierig, heißes und verdünntes Gas zu finden.
Um die verborgenen Fäden zu entdecken, begannen zwei Wissenschaftlerteams unabhängig voneinander, nach präzisen Verzerrungen der Reliktstrahlung (Nachleuchten des Urknalls) zu suchen. Da Licht aus dem frühen Universum durch den Weltraum strömt, kann es durch die Regionen beeinflusst werden, durch die es geht. Insbesondere sollten Elektronen in einem heißen ionisierten Gas (das ein warm-heißes intergalaktisches Medium bildet) mit Protonen aus der Reliktstrahlung interagieren und dies so, dass die Protonen zusätzliche Energie erhalten. Folglich sollte das Spektrum des CMB verzerrt sein.
Werbevideo:
Leider zeigten selbst die besten CMB-Karten (vom Planck-Satelliten erhalten) keine derartigen Verzerrungen. Entweder gab es kein Gas oder der Aufprall war zu schwach und nicht wahrnehmbar.
Wissenschaftler beider Teams waren jedoch entschlossen, dies sichtbar zu machen. Sie wussten aus Computermodellen des Universums, in denen immer mehr Details auftauchten, dass sich Gas zwischen massiven Galaxien wie ein Spinnennetz auf einer Fensterbank erstrecken sollte. Der Planck-Satellit konnte das Gas zwischen Galaxienpaaren nirgends sehen. Deshalb haben die Forscher einen Weg gefunden, ein schwaches Signal millionenfach zu verstärken.
Zunächst scannten sie Kataloge bekannter Galaxien, um die richtigen Paare zu finden, dh Galaxien, die massiv genug und so weit voneinander entfernt sind, dass zwischen ihnen ein ziemlich dichtes Gasnetz entstehen könnte. Die Astrophysiker kehrten dann zu den Satellitendaten zurück, lokalisierten jedes Galaxienpaar und schnitzten diese Region im Wesentlichen mit einer digitalen Schere aus dem Weltraum. Mit mehr als einer Million Ausschnitten in der Hand (so viel hatte das Team der Doktorandin Anna de Graaff von der Universität Edinburgh) begannen sie, sie zu drehen, zu vergrößern und zu verkleinern, so dass alle Galaxienpaare an derselben Position sichtbar waren. Danach überlagerten sie eine Million galaktische Paare Gegenseitig.(Ein Forscherteam unter der Leitung von Hideki Tanimura vom Institut für Weltraumastrophysik in Orsay hat 260.000 Galaxienpaare zusammengesetzt.) Und dann wurden plötzlich die einzelnen Filamente sichtbar, die gespenstische Filamente aus heißem, verdünntem Gas darstellen.
Diese Methode hat ihre Nachteile. Laut dem Astronomen Michael Shull von der University of Colorado Boulder erfordert die Interpretation der Ergebnisse bestimmte Annahmen über die Temperatur und Verteilung von heißem Gas im Weltraum. Und bei überlappenden Signalen „gibt es immer Bedenken hinsichtlich der‚ schwachen Signale ', die sich aus der Kombination einer großen Datenmenge ergeben. "Wie es manchmal bei soziologischen Erhebungen der Fall ist, können fehlerhafte Ergebnisse erzielt werden, wenn Ausreißer oder Stichprobenfehler in der Aufschlüsselung auftreten, die die Statistiken verzerren."
Zum Teil aufgrund dieser Überlegungen weigerte sich die astronomische Gemeinschaft, dieses Problem als erledigt zu betrachten. Zur Messung heißer Gase wurde eine unabhängige Methode benötigt. Diesen Sommer erschien er.
Leuchtfeuereffekt
Während die ersten beiden Forschergruppen sich gegenseitig Signale überlagerten, begann das dritte Team anders zu handeln. Diese Wissenschaftler begannen, einen entfernten Quasar zu beobachten, wie sie ein helles Objekt nennen, das Milliarden von Lichtjahren entfernt ist, um Gas in dem vermeintlich leeren intergalaktischen Raum zu entdecken, durch den sein Licht hindurchgeht. Es war, als würde man einen Strahl eines entfernten Leuchtfeuers untersuchen, um den Nebel zu analysieren, der sich um ihn herum angesammelt hatte.
Wenn Astronomen solche Beobachtungen machen, suchen sie normalerweise nach Licht, das von atomarem Wasserstoff absorbiert wird, da dieses Element das größte im Universum ist. Leider wurde diese Option in diesem Fall ausgeschlossen. Das warm-heiße intergalaktische Medium ist so weißglühend, dass es Wasserstoff ionisiert und ihm sein einziges Elektron entzieht. Das Ergebnis ist ein Plasma aus freien Protonen und Elektronen, die überhaupt kein Licht absorbieren.
Daher beschlossen die Wissenschaftler, nach einem anderen Element zu suchen - Sauerstoff. Sauerstoff in einem warm-heißen intergalaktischen Medium ist viel weniger als Wasserstoff, aber atomarer Sauerstoff hat acht Elektronen, während Wasserstoff eines hat. Aufgrund der Hitze fliegen die meisten Elektronen weg, aber nicht alle. Dieses Forschungsteam unter der Leitung von Fabrizio Nicastro vom Nationalen Institut für Astrophysik in Rom verfolgte das von Sauerstoff absorbierte Licht, das sechs seiner acht Elektronen verloren hat. Sie entdeckten zwei Regionen mit heißem intergalaktischem Gas. "Sauerstoff gibt einen Hinweis, der auf das Vorhandensein eines viel größeren Volumens an Wasserstoff und Helium hinweist", sagte Schull, der im Team von Nikastro ist. Die Wissenschaftler verglichen dann die Menge an Gas, die sie zwischen der Erde und dem Quasar gefunden hatten, mit dem Universum als Ganzes. Das Ergebnis zeigte, dass sie die fehlenden 30% fanden.
Diese Zahlen stimmen auch ziemlich gut mit den Schlussfolgerungen der CMB-Studie überein. "Unsere Teams haben verschiedene Teile des gleichen Puzzles betrachtet und sind zu dem gleichen Ergebnis gekommen, was uns angesichts der unterschiedlichen Forschungsmethoden Vertrauen gibt", sagte der Astronom Mike Boylan-Kolchin von der University of Texas in Austin.
Der nächste Schritt, sagte Shull, sollte darin bestehen, mehr Quasare mit einer neuen Generation von Röntgen- und Ultraviolett-Teleskopen mit höherer Empfindlichkeit zu beobachten. „Der Quasar, den wir gesehen haben, war der beste und hellste Leuchtturm, den wir finden konnten. Andere werden weniger hell sein und die Beobachtungen werden länger dauern “, sagte er. Aber für heute ist die Schlussfolgerung klar. "Wir schließen daraus, dass die fehlende baryonische Materie gefunden wurde", schrieben die Wissenschaftler.
Katya Moskvich (KATIA MOSKVITCH)
