Latest / Fakten zum Einschlafen – Das Universum / Warum sind Galaxien nicht zufällig im Universum verstreut? - Das Gerüst aus Dunkler Materie | Fakten zum Einschlafen - Das Universum

Transcript

Warum sind Galaxien nicht zufällig im Universum verstreut? - Das Gerüst aus Dunkler Materie | Fakten zum Einschlafen - Das Universum · Fakten zum Einschlafen – Das Universum

0:05
Willkommen bei Fakten zum Einschlafen. Das Universum.
0:11
Bei flüchtiger Betrachtung erscheint der Nachthimmel
0:15
wie eine zufällige Ansammlung von Lichtpunkten.
0:18
Doch seit den 1990er Jahren wissen Astronomen,
0:22
dass diese scheinbare Willkür einer gewaltigen
0:25
Architektur folgt. Galaxien sind nicht gleichmäßig
0:29
verteilt, sondern bilden ein riesiges... kosmisches
0:33
Netz aus Filamenten, Wänden und Knoten, das riesige,
0:37
nahezu leere Hohlräume umschließt. Diese Episode
0:41
zeichnet nach, wie sich diese Struktur aus winzigen
0:45
Quantenfluktuationen in den ersten Sekundenbruchteilen
0:48
nach dem Urknall entwickelte und wie die Schwerkraft
0:51
über Milliarden von Jahren aus diesen Keimen
0:54
die heutige Form des Kosmos schmiedete. Dabei
0:59
betrachten wir nicht nur die Geschichte dieser
1:01
Entdeckung, sondern auch die affinierten Methoden,
1:04
mit denen Forscher das unsichtbare Gerüst aus
1:07
dunkler Materie kartieren. Von der Analyse des
1:10
kosmischen Mikrowellenhintergrunds über den Gravitationslinseneffekt
1:15
bis hin zu modernen Durchmusterungen, wie dem
1:18
Sloan Digital Sky Survey verfolgen wir, wie das
1:23
Bild des Universums immer klarer wurde. Wir beleuchten
1:27
zudem unseren eigenen Platz in dieser gewaltigen
1:29
Struktur. als Teil des Narniakea -Superhaufens,
1:32
der vom großen Attraktor angezogen wird. Ich
1:35
wollte verstehen, warum der Nachthimmel nicht
1:37
so chaotisch ist, wie er aussieht, und wie genau
1:40
die Atome in unserem Körper mit den frühesten
1:42
Momenten des Kosmos verbunden sind. Es fasziniert
1:46
mich, dass wir nicht nur Beobachter dieser Struktur
1:48
sind, sondern selbst Knotenpunkte in diesem unermesslichen
1:52
Netz aus Materie und Schwerkraft. Der Nachthimmel
1:59
wirkt verstreut. Bis man begreift, dass jeder
2:03
Lichtpunkt, den man sieht, ein Knoten in einer
2:06
einzigen Struktur ist. Eine Struktur größer als
2:11
jede Vorstellungskraft. Geformt von Kräften,
2:15
die begannen, bevor Atome existierten. Und die
2:19
jetzt ganz wörtlich unsere Knochen zusammenhalten.
2:24
Schauen Sie in einer klaren Nacht nach oben.
2:27
und der Himmelschein verstreut. Sterne erscheinen
2:31
hier und da, manche heller, manche schwächer.
2:36
Aber der Gesamteindruck ist der des Zufalls.
2:40
Der Eindruck von Licht, das ohne Muster über
2:44
die Dunkelheit verteilt ist. Dies war die Sicht,
2:48
die die Menschen während des größten Teils unserer
2:51
Geschichte hatten. Und das ist verständlich.
2:55
Unsere Augen wurden nicht gebaut, um Strukturen
2:59
auf der Skala des Kosmos zu sehen. Wir sehen,
3:03
was unmittelbar ist, was nahe ist, was in den
3:08
Armen eines einzigen Blicks passt. Die Vorstellung,
3:13
dass dieses verstreute Licht zu etwas Größerem
3:16
organisiert sein könnte, zu etwas mit Architektur
3:19
und Form, kommt nicht von selbst. Sie musste
3:23
entdeckt werden. Jahrhundertelang kartierten
3:27
Astronomen die Positionen von Sternen. Später
3:31
kartierten sie die Orte von Galaxien. Sie behandelten
3:35
jeden als einzelnen Lichtpunkt in einem ansonsten
3:38
leeren Raum. Selbst nachdem Edwin Hubble in den
3:42
1920er Jahren bewiesen hatte, dass viele der
3:46
blassen Nebel tatsächlich ganze Galaxien jenseits
3:49
unserer eigenen Milchstraße waren, hielt sich
3:52
eine Annahme. Die Annahme, dass diese Galaxien
3:56
mehr oder weniger gleichmäßig durch die Leere
3:58
verteilt seien. Einige hier, einige dort. Getrennt
4:04
durch unermessliche Entfernungen, aber ohne größeres
4:08
Muster oder eine Absicht in ihrer Anordnung.
4:11
Das Universum, so schien es, war eine gleichförmige
4:15
Suppe aus Materie. Eine Suppe, die sich mit der
4:20
Ausdehnung verdünnte, aber im Grunde in jeder
4:23
Richtung gleich war. Dieses Bild begann sich
4:27
in den 1980er Jahren zu verändern. Und es veränderte
4:31
sich plötzlich. Der Wandel kam nicht von einer
4:35
einzelnen Beobachtung, sondern vom Zusammenwirken
4:38
zweier Technologien. Leistungsstarke digitale
4:42
Detektoren, die Licht weitaus effizienter aufzeichnen
4:46
konnten als Fotoplatten. Und Computer, die in
4:50
der Lage waren, enorme Datenmengen zu verarbeiten.
4:54
Zum ersten Mal konnten Astrolomen systematisch
4:57
nicht nur die Positionen von Galaxien am Himmel
5:00
kartieren, sondern auch ihre Entfernungen im
5:03
dreidimensionalen Raum. 1986 veröffentlichte
5:08
ein Team am Harvard -Smithsonian Center for Astrophysics
5:12
unter der Leitung von Margaret Geller, John Huchra
5:15
und Valérie de la Parente Eine Karte von rund
5:18
11 .000 Galaxien. Was sie fanden, warf jahrzehntelange
5:23
Annahmen über den Haufen. Die Galaxien waren
5:27
nicht zufällig verstreut. Sie waren zu enormen
5:31
Strukturen organisiert. Zu Flächen und Filamenten
5:35
aus Materie, die sich um riesige leere Regionen
5:39
legten, wie die Membranen von Seifenblasen oder
5:42
die Wände eines Schwamms. Zwischen diesen Filamenten
5:46
lagen Voids. Gewaltige Hohlräume von hunderten
5:51
Millionen Lichtjahren Durchmesser, die fast nichts
5:53
enthielten. Das Universum, so stellte sich heraus,
5:59
hatte auf den größten Skalen eine Struktur. Eine
6:03
Struktur, die niemand vorhergesagt hatte und
6:06
die keine bestehende Theorie vollständig erklärte.
6:10
Astronomen begannen, von einem kosmischen Netz
6:13
zu sprechen. Einem Netzwerk aus Filamenten, Knoten,
6:18
Wänden und Foyers, das sich über das gesamte
6:22
beobachtbare Universum erstreckte. Die verstreuten
6:27
Sterne unseres Nachthimmels waren überhaupt nicht
6:30
verstreut. Sie waren Teil von etwas unermesslich
6:34
Größerem. Etwas mit Form und Geschichte und Bedeutung.
6:39
Um zu verstehen, wie diese Struktur entstand,
6:42
müssen wir zum Anfang zurückgehen. Zu den frühesten
6:46
Momenten des Universums selbst. Der Urknall,
6:50
wie wir ihn derzeit verstehen, beschreibt ein
6:52
Universum, das vor ungefähr 13 ,8 Milliarden
6:55
Jahren in einem extrem heißen, extrem dichten
6:59
Zustand begann. In seinen ersten Sekundenbruchteilen
7:03
war das Universum ein Plasma aus Elementarteilchen.
7:08
Zu energiereich, als dass sich Atome bilden konnten.
7:13
Zu chaotisch, als dass Strukturen bestehen konnten.
7:18
Und doch gab es selbst in diesem Inferno Keime
7:21
der Ordnung. Diese Keime waren Quantenfluktuationen.
7:27
Winzige Schwankungen in der Dichte von Materie
7:29
und Energie, die auf natürliche Weise aus der
7:33
Quantennatur des Raumes selbst entstanden. Unter
7:36
gewöhnlichen Umständen wären solche Fluktuationen
7:40
unbedeutend. Sie erschienen und verschwenden
7:43
in Momenten, die zu kurz sind, um sie zu messen.
7:47
Aber im frühen Universum geschah etwas Außergewöhnliches.
7:51
Eine kurze, aber dramatische Periode exponentieller
7:56
Ausdehnung, die Kosmologen Inflation nennen,
7:59
diente das gesamte Gewebe des Raumes in unvorstellbar
8:03
kurzer Zeit um einen enormen Faktor. Während
8:07
dieser Ausdehnung wurden Quantenfluktuationen,
8:10
die supertumare Größe gehabt hatten, auf kosmische
8:13
Ausmaße aufgeblasen. Was eine winzige Welle in
8:17
der Dichte des ursprünglichen Plasmas gewesen
8:20
war, wurde zu einem leichten Überschuss an Materie.
8:25
Verteilt über Regionen von Milliarden Lichtjahren
8:28
Breite Diese Fluktuationen waren winzig. Die
8:33
dichtesten Regionen waren nur etwa in 100 .000
8:37
Stiel dichter als der Durchschnitt. Um das zu
8:40
veranschaulichen, stellen Sie sich einen vollkommen
8:43
platten See vor. Stellen Sie sich dann vor, dass
8:47
das Wasser an manchen Stellen einen Bruchteil
8:50
eines Millimeters tiefer ist als an anderen.
8:53
Sie würden diesen Unterschied beim Blick auf
8:55
die Oberfläche niemals bemerken. Aber wenn sie
9:00
lange genug warteten, wenn eine Kraft kontinuierlich
9:03
auf diese leichten Unterschiede einwirkte, würden
9:06
sie wachsen. Das tiefere Wasser würde mehr Wasser
9:11
ansammeln. Die flacheren Bereiche würden es verlieren.
9:15
Mit der Zeit würde der See Hügel und Täler entwickeln.
9:20
Muster und Strukturen, alle entstanden aus Abweichungen,
9:24
die zu klein waren, um am Anfang bemerkt zu werden.
9:28
Diese Kraft war im kosmischen Fall die Schwerkraft.
9:33
Von Anfang an begann die Schwerkraft, auf diese
9:36
leichten Dichtüberschüsse einzuwirken. Eine Region
9:40
mit etwas mehr Materie als der Durchschnitt zog
9:43
etwas stärker an ihrer Umgebung und zog zusätzliche
9:47
Materie nach innen. Eine Region mit etwas weniger
9:51
Materie als der Durchschnitt verlor Materie an
9:55
ihre dichteren Nachbarn. und wurde zunehmend
9:58
leerer. Dieser Prozess, bekannt als Gravitationsinstabilität,
10:04
ist unerbittlich und geduldig. Er benötigt keine
10:09
Energiezufuhr und keinen äußeren Antrieb. Er
10:12
ist schlicht die Folge davon, dass Masse Masse
10:16
anzieht. Kontinuierlich wirkend über Milliarden
10:20
von Jahren. In den ersten 380 .0 Jahren nach
10:25
dem Urknall war dieser Prozess weitgehend unsichtbar.
10:29
Das Universum war noch ein undurchsichtiges Plasma,
10:34
in dem Elektronen und Protonen sich frei bewegten
10:37
und Photonen in alle Richtungen streuten. Licht
10:41
konnte in dieser Umgebung nicht weit reisen.
10:45
Es wurde ständig absorbiert und wieder abgestrahlt,
10:49
gefangen in einem kosmischen Nebel. Aber während
10:54
das Universum expandierte, kühlte es auch ab.
10:58
Schließlich sank die Temperatur genug, damit
11:01
Elektronen und Protonen sich zu neutralen Wasserstoffatomen
11:05
verbinden konnten. Dieser Moment, den Kosmologen
11:10
Rekombination nennen, verwandelte das Universum.
11:14
Neutraler Wasserstoffstreut, Licht nicht effizient,
11:18
Photonen, konnten nun frei über unermessliche
11:22
Entfernungen reisen. Das Universum wurde durchsichtig.
11:28
Das Licht, das in diesem Moment freigesetzt wurde,
11:32
ist heute noch bei uns. Es ist seit 13 ,8 Milliarden
11:36
Jahren unterwegs. Gedehnt und abgekühlt durch
11:41
die Ausdehnung des Universums, bis es nun als
11:44
schwaches Mikrowellenblühen erscheint, das aus
11:46
allen Richtungen des Himmels kommt. Dies ist
11:50
der kosmische Mikrowellenhintergrund. Oft beschrieben
11:54
als das Babyfoto des Universums. Und wie ein
11:58
Babyfoto enthält er Informationen über die Bedingungen
12:02
jener frühen Zeit. Als Astronomen diese Strahlung
12:06
mit zunehmender Präzision maßen, zuerst mit dem
12:09
COBE -Satelliten in den 1990er Jahren, dann mit
12:13
WMAP in den 2000er Jahren und schließlich mit
12:16
Planck in den 2010er Jahren. Fanden sie etwas
12:20
Bemerkenswertes. Der kosmische Mikrowellenhintergrund
12:24
ist nicht vollkommen gleichförmig. Er enthält
12:27
winzige Temperaturschwankungen. Fluktuation von
12:32
etwa einem Teil in 100 .000, die exakt den Dichteschwankungen
12:36
entsprechen, die später zu Galaxien, Haufen und
12:40
den Filamenten des kosmischen Netzes heranwachsen
12:43
sollten. Dies ist eine der tiefgreifendsten Verbindungen
12:47
in der gesamten Wissenschaft. Die Karte des kosmischen
12:52
Mikrowellenhintergrunds, die das Universum im
12:55
Alter von 380 .0 Jahren zeigt, ist eine direkte
12:59
Vorschau auf die großräumige Struktur, die wir
13:02
heute sehen. Die heißen Flecken in dieser alten
13:06
Karte entsprechen Regionen von etwas höherer
13:08
Dichte, in denen sich Materie ansammeln würde.
13:12
Die kalten Flecken entsprechen Regionen von etwas
13:15
geringerer Dichte, die zu den Voids werden sollten.
13:19
Das Muster der Fluktuationen im Mikrowellenhintergrund
13:23
mit seiner charakteristischen Winkelskala passt
13:26
zum Muster der Filamente und Voids im modernen
13:30
Universum. Das kosmische Netz wurde nicht von
13:33
außen aufgeprägt. Es wuchs. organisch und unvermeidlich
13:39
aus Keimen, die in den ersten Augenblicken der
13:41
Zeit gepflanzt wurden. Nach der Rekombination
13:45
trat das Universum in das ein, was Astronomen
13:49
das dunkle Zeitalter nennen. Diese Periode, die
13:53
ungefähr 100 bis 200 Millionen Jahre dauerte,
13:56
war in mehr als einem Sinne wahrhaft dunkel.
14:00
Es gab noch keine Sterne, keine Galaxien. Keine
14:06
Lichtquellen. Das Universum bestand aus neutralem
14:11
Wasserstoffgas, das langsam abkühlte und sich
14:15
in den etwas dichteren Regionen langsam unter
14:18
seiner eigenen Schwerkraft zusammenzog. Dies
14:22
war eine stille Zeit. Eine Zeit geduldiger Ansammlung,
14:26
in der die Keime der Struktur in der Dunkelheit
14:29
keimten. Die Schwerkraft zog Gas in die überdichten
14:33
Regionen. Während diese Regionen sich zusammenzogen,
14:37
wurden sie noch dichter und verstärkten ihre
14:40
eigene Anziehungskraft in einer Rückkopplungsschleife,
14:43
die schließlich zum Kollaps führen sollte. Die
14:47
ersten Strukturen, die sich bildeten, waren klein.
14:52
Sie hatten Massen um das Millionenfache unserer
14:55
Sonne. In diesen ursprünglichen Wolken wurde
14:59
das Gas weiter zusammengedrückt. bis Temperaturen
15:02
und Drücke hoch genug stiegen, um Kernfusion
15:05
zu zünden. Die ersten Sterne wurden geboren.
15:09
Massereich und heiß und kurzlebig. Fast vollständig
15:15
aus Wasserstoff und Helium bestehend, mit praktisch
15:18
keinen schweren Elementen. Diese Sterne der Population
15:22
Phra, wie Astronomen sie nennen, waren anders
15:27
als alles im heutigen Universum. Sie verbrannten
15:31
ihren Brennstoff schnell, in Millionen statt
15:34
Milliarden von Jahren. Ihr Tod war spektakulär
15:38
und säte das umgebende Gas mit den ersten schweren
15:41
Elementen. Wichtiger für das kosmische Netz war
15:45
etwas anderes. Ihre intensive ultraviolette Strahlung
15:50
begann, den neutralen Wasserstoff um sie herum
15:53
zu ionisieren. Sie verwandelte das intergalaktische
15:57
Medium allmählich. von neutral zu ionisiert.
16:01
Dieser Prozess, Rionisierung genannt, dauerte
16:05
hunderte Millionen Jahre. Er war etwa eine Milliarde
16:09
Jahre nach dem Urknall weitgehend abgeschlossen.
16:12
Aber die Strukturbildung verlief nicht gleichmäßig
16:15
über alle Skalen. Stattdessen war sie hier harchisch.
16:19
Sie baute von unten nach oben auf. Kleine Materieklumpen
16:25
bildeten sich zuerst. Für es war, dass Erwistwobel...
16:30
Sie verschmolzen dann zu größeren Klumpen, die
16:34
wiederum zu noch größeren Strukturen verschmolzen.
16:38
Kleine Galaxien vereinigten sich zu größeren
16:41
Galaxien. Gruppen von Galaxien fielen zusammen
16:45
und bildeten Haufen. Haufen erhebten sich entlang
16:49
von Filamenten auf. Filamente verbanden sich
16:53
zu einem Netzwerk, das das beobachtbare Universum
16:56
überspannte. Dieser hierarchische Aufbau ist
17:00
ein grundlegendes Merkmal der kosmischen Strukturbildung.
17:03
Er erklärt, warum das kosmische Netz seinen besonderen
17:07
Charakter hat. Die Filamente sind keine glatten,
17:11
gleichförmigen Röhren aus Materie. Sie sind eher
17:16
Ketten kleinerer Strukturen. Galaxien und Gruppen
17:21
und Haufen, zusammengehalten durch die Schwerkraft
17:24
und durch die fortwährende Ansammlung von Material
17:27
aus den umgebenden Regionen. Die Voids wurden
17:31
unterdessen leerer, während ihre Materie in die
17:34
umgebenden Filamente und Wände abfloss. Sie sind
17:39
natürlich nicht vollkommen leer. Selbst die größten
17:42
Voids enthalten ein paar isolierte Galaxien.
17:47
Das intergalaktische Medium in ihnen ist weiterhin
17:50
vorhanden, wenn auch extrem diffus. Aber verglichen
17:55
mit den Filamenten sind die Voids Wüsten. Regionen,
18:00
in denen die Materiedichte vielleicht ein Zehntel
18:03
des kosmischen Durchschnitts beträgt. Der Boötes
18:07
Void entdeckt 1981 und einer der größten bekannten
18:13
Er streckt sich über etwa 330 Millionen Lichtjahre.
18:18
Er enthält nur eine Handvoll Galaxien, wo Tausende
18:22
zu erwarten wären. Stünde man in einem solchen
18:25
Feud, wenn man es könnte, wäre der Himmel zutiefst
18:28
dunkel. Galaxien wären nur als blasse, ferne
18:33
Flecken entlang des Horizonts sichtbar, wo die
18:36
nächsten Filamente sich wegründen. Die Knoten
18:40
des kosmischen Netzes. Die dichtesten Regionen
18:43
sind die Galaxienhaufen. Sie bilden sich an den
18:48
Kreuzungspunkten mehrerer Filamente, wo Materie
18:51
aus mehreren Richtungen gleichzeitig einströmt.
18:55
Ein Haufen wie der Coma -Haufen oder der Virgo
18:58
-Haufen enthält tausende von Galaxien, die durch
19:02
die Schwerkraft zusammengebunden sind. Sie kreisen
19:06
in einem Gravitationsstanz, der seit Milliarden
19:08
von Jahren andauert. um einen gemeinsamen Massenschwerpunkt.
19:12
Die Massen dieser Haufen sind enorm. Typischerweise
19:18
10 hoch 15 mal. Die Masse unserer Sonne. Der
19:23
größte Teil dieser Masse liegt in Form von dunkler
19:26
Materie vor und nicht als sichtbare Galaxien
19:29
oder Gas. Die Haufen sind die Städte des kosmischen
19:33
Netzes. Dichte Konzentrationen von Aktivität
19:37
und Struktur umgeben von der vorstädtischen Ausdehnung
19:40
der Gruppen und Filamente mit der ländlichen
19:43
Leere der Voids dahinter. Unser eigener Ort in
19:47
dieser Struktur ist erst in den letzten Jahren
19:50
klar geworden. Lange Zeit wussten Astronomen,
19:54
dass die Milchstraße Teil einer kleinen Gruppe
19:57
von Galaxien ist, der lokalen Gruppe genannt.
20:00
Sie wussten auch, dass diese Gruppe Teil eines
20:03
größeren Haufens ist, des Virgo -Haufens. Aber
20:08
das volle Ausmaß unserer kosmischen Nachbarschaft
20:11
wurde erst 2014 erkennbar. In diesem Jahr nutzte
20:17
ein Team von Astronomen eine neue Methode, um
20:20
die großräumigen Bewegungen von Galaxien in unserer
20:23
Umgebung zu kartieren. Sie maßen nicht nur die
20:26
Positionen, sondern auch die Geschwindigkeiten
20:28
tausender Galaxien. Dann rechneten sie die allgemeine
20:32
Ausdehnung des Universums heraus. So konnten
20:36
sie die Muster der Gravitationsanziehung nachzeichnen,
20:39
die Galaxien zu gemeinsamen Zentren zogen. Was
20:43
sie fanden war, dass unsere lokale Gruppe zusammen
20:46
mit tausenden anderer Galaxien Teil eines riesigen
20:49
Superhaufens ist. Sie nannten ihn Laniakea. Ein
20:55
hawaiianisches Wort, das unermesslicher Himmel
20:59
bedeutet. Laniakea erstreckt sich über etwa 520
21:04
Millionen Lichtjahre. Er enthält ungefähr 100
21:08
.0 Galaxien mit einer Gesamtmasse von etwa 100
21:13
Billionen Sonnenmassen. In seinem Gravitationszentrum
21:18
liegt der große Attraktor. Eine Region erhöhter
21:22
Dichte, die Tausende von Galaxien, einschließlich
21:26
unserer eigenen, mit einer Geschwindigkeit von
21:29
etwa 600 Kilometern pro Sekunde zu sich zieht.
21:33
Wir sind nicht stationär im kosmischen Netz.
21:36
Wir fließen durch es hindurch. Getragen von der
21:40
Schwerkraft auf ein Ziel zu, das wir niemals
21:43
erreichen werden, da die Ausdehnung des Universums
21:46
und die fortwährende Entwicklung der Struktur
21:49
unseren Weg über die kommenden Milliarden Jahre
21:52
umformen werden. Diese Entdeckung von Laniakea
21:56
zeigt beispielhaft, wie Astronomen das kosmische
22:00
Netz kartieren. Eine Aufgabe, die weitaus schwieriger
22:05
ist, als sie erscheinen mag. Das grundlegende
22:08
Problem ist, dass der größte Teil des kosmischen
22:12
Netzes unsichtbar ist. Die Galaxien, die wir
22:16
in Teleskopen sehen können, sind lediglich die
22:19
leuchtenden Spuren einer viel größeren Struktur.
22:23
So wie Straßenlaternen nachts den Grundriss einer
22:26
Stadt nachzeichnen, aber nicht die Gebäude, die
22:31
Straßen oder die Infrastruktur offenbaren, die
22:35
der Stadt ihre wahre Form geben. Das kosmische
22:38
Netz ist in erster Linie eine Struktur aus dunkler
22:41
Materie. Jener rätselhaften Substanz, die etwa
22:45
27 % des gesamten Masseenergiegehalts des Universums
22:50
ausmacht, und die mit gewöhnlicher Materie nur
22:52
über die Schwerkraft wechselwirkt. Dunkle Materie
22:56
sendet kein Licht aus. Sie absorbiert kein Licht.
23:01
Sie reflektiert kein Licht. Sie ist für alle
23:05
Formen elektromagnetischer Beobachtung vollständig
23:07
unsichtbar. Und doch dominiert sie die Gravitationslandschaft
23:13
des Universums. Sie liefert das Gerüst, auf dem
23:17
sich gewöhnliche Materie zu Galaxien und Haufen
23:21
zusammenfügt. Um dieses unsichtbare Gerüst zu
23:25
kartieren, haben Astronomen mehrere raffinierte
23:28
Techniken entwickelt. Die direkteste besteht
23:31
darin, die Galaxien selbst als Spuren zu nutzen.
23:35
Man misst ihre Positionen und Entfernungen, um
23:39
eine dreidimensionale Karte der leuchtenden Materie
23:42
zu erstellen. Dann schließt man aus den beobachteten
23:47
Mustern auf die zugrunde liegende Verteilung
23:50
der dunklen Materie. Der Schlüssel zu diesem
23:53
Ansatz ist die genaue Messung von Entfernungen.
23:57
Dies geschieht durch das Phänomen der kosmologischen
24:00
Rotverschiebung. Während das Universum expandiert,
24:04
werden ferne Galaxien von uns weggetragen. Das
24:08
Licht, das sie aussenden, wird zu längeren, röteren
24:12
Wellenlängen gedient. Das Ausmaß dieser Rotverschiebung
24:16
steht in direktem Zusammenhang mit der Entfernung
24:19
der Galaxie. Es erlaubt Astronomen, jede Galaxie
24:24
im dreidimensionalen Raum zu verorten. Nehmen
24:28
wir den Sloan Digital Sky Survey, der seine Arbeit
24:32
im Jahr 2000 begann. In seinem Herzen stand ein
24:37
Teleskop in den Bergen von New Mexico und eine
24:40
Beobachtungsmethode, die sich in einem Zeitalter
24:44
der Automatisierung fast handgemacht anschült.
24:47
Astronomen bearbeiteten Aluminiumplatten. Sie
24:52
boten hunderte winziger Löcher an präzisen Positionen,
24:56
wobei jedes Loch einer einzelnen Galaxie entsprach.
25:00
Glasfaserkabel wurden in diese Löcher gesteckt.
25:04
Jedes fing das Licht eines fernen Objekts ein
25:07
und leitete es zu einem Spektrografen. Nacht
25:11
für Nacht, Platte für Platte, baute die Durchmusterung
25:15
ihre Karte Punkt für Punkt auf. Galaxie für Galaxie.
25:20
Bis sie Millionen von Spektren gemessen und jede
25:23
leuchtende Spur an ihren richtigen Platz im kosmischen
25:27
Volumen gesetzt hatte. Diese geduldige, handwerkliche
25:31
Ansammlung von Photonen, dieser physische Akt,
25:34
eine Karte des unendlichen Faser für Faser zu
25:38
bauen, veränderte unser Verständnis der Struktur
25:41
des Universums. Spätere Projekte erweiterten
25:45
diesen Ansatz auf größere Entfernungen und frühere
25:48
Zeiten. Instrumente wie das Dark Energy Spectroscopic
25:53
Instrument führen diese Arbeit nun mit größerer
25:56
Geschwindigkeit und Reichweite fort. Aber die
26:00
wesentliche Methode bleibt. Die Karte wird gebaut.
26:04
in dem Licht eingefangen wird, eine ferne Quelle
26:08
nach der anderen. Und in dem gemessen wird, wie
26:11
die Ausdehnung des Universums seine Farbe ins
26:14
Rote gestreckt hat. Diese Karten dienen nicht
26:18
nur dazu, die Struktur des kosmischen Netzes
26:20
sichtbar zu machen. Sie erlauben es Astronomen
26:24
auch, fundamentale kosmologische Parameter zu
26:27
messen. Einschließlich der Eigenschaften der
26:31
dunklen Energie. Rätselhaften Kraft, die etwa
26:36
68 Prozent der gesamten Energie des Universums
26:39
ausmacht und die die Ausdehnung des Universums
26:42
beschleunigt. Eines der wichtigsten Werkzeuge
26:46
dafür ist das Muster der baryonischen akustischen
26:49
Oszillationen. Subtile Wellen in der Materiedichte,
26:53
die dem frühen Universum eingeprägt wurden und
26:57
die eine charakteristische Skala von etwa 490
27:00
Millionen Lichtjahren haben. Indem sie messen,
27:04
wie diese Skala in verschiedenen Entfernungen
27:06
erscheint, können Astronomen die Expansionsgeschichte
27:10
des Universums nachzeichnen. Und sie können die
27:14
Natur der dunklen Energie eingrenzen. Eine weitere
27:18
mächtige Technik zur Kartierung des unsichtbaren
27:21
kosmischen Netzes ist der Gravitationslinseneffekt.
27:25
Nach Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie
27:29
krümmt Masse das Gewebe der Raumzeit. Diese Krümmung
27:33
beeinflusst den Weg von Licht, das in der Nähe
27:37
vorbeiläuft. Wenn Astronomen ihre Teleskope auf
27:41
einen massereichen Galaxienhaufen richten und
27:44
die dahinterliegenden Galaxien betrachten, sehen
27:47
sie keine einfachen Punkte. Sie sehen etwas Seltsameres.
27:52
Die Hintergrundgalaxien erscheinen gedehnt und
27:56
verschmiert zu dünnen konzentrischen Bögen. Als
27:59
betrachtete man sie in einem verzerrten Zerspiegel.
28:03
Diese Bögen sind keine Illusionen. Sie sind die
28:07
echten Bilder ferner Galaxien, deren Licht durch
28:10
das Kavitationsfeld der unsichtbaren dunklen
28:13
Materie gebeugt wurde, die die Masse des Haufens
28:16
dominiert. Indem sie sorgfältig messen, wie diese
28:20
Bilder verzerrt sind, indem sie die Bögen mathematisch
28:24
entzerren, um zu rekonstruieren, wie die Hintergrundgalaxien
28:29
ohne die Linse aussehen würden, können Astronomen
28:33
die Masse und Verteilung der dunklen Materie
28:35
berechnen, die die Beugung verursacht hat. Es
28:39
ist eine Form kosmischer Detektivarbeit. Das
28:43
Wiegen eines unsichtbaren Berges anhand des Schattens,
28:46
den er auf ferneres Licht wirft. Diese Technik
28:50
wurde genutzt, um die dunkle Materie in einzelnen
28:53
Haufen, in Filamenten zwischen Haufen und über
28:56
große Himmelsregionen hinweg zu kartieren. Sie
29:00
liefert direkte Bestätigung, dass das kosmische
29:03
Netz tatsächlich eine Struktur aus dunkler Materie
29:07
ist, mit leuchtenden Galaxien, die sich entlang
29:11
ihrer dichtesten Fäden bilden. Der kosmische
29:14
Mikrowellenhintergrund selbst bietet ein weiteres
29:17
Fenster auf das kosmische Netz. Nicht nur durch
29:21
sein eigenes Muster von Fluktuationen, sondern
29:24
durch sekundäre Effekte, die auftreten, wenn
29:28
die Hintergrundstrahlung die dazwischenliegende
29:30
Struktur durchquert. Wenn Photonen des kosmischen
29:34
Mikrowellenhintergrunds heißes Gas in Galaxienhaufen
29:38
oder Filamenten durchqueren, können sie durch
29:40
einen Prozess namens Inverse -Compton -Streuung
29:44
Energie gewinnen. Sie werden zu etwas höheren
29:48
Frequenzen verschoben. Dieser Sunyev -Zeldovich
29:51
-Effekt, benannt nach den Physikern, die ihn
29:54
vorhersagten, erlaubt es Astronomen, das heiße
29:58
intergalaktische Gas nachzuweisen, das das kosmische
30:01
Netz durchdringt. Selbst in Regionen, in denen
30:05
es keine Galaxien als direkte Spuren gibt. Beobachtungen
30:10
dieses Effekts haben bestätigt, dass etwa die
30:13
Hälfte aller gewöhnlichen Materie im Universum
30:16
nicht in Galaxien liegt. Sie liegt in diesem
30:19
diffusen, heißen Gas, das den Raum zwischen ihnen
30:23
füllt. Besonders entlang der Filamente des kosmischen
30:27
Netzes. Das intergalaktische Medium ist somit
30:32
ein integraler Bestandteil des kosmischen Netzes.
30:35
Nicht bloß leerer Raum zwischen Galaxien, sondern
30:39
eine dynamische Komponente der Struktur selbst.
30:43
In den Filamenten hat dieses Gas Temperaturen
30:46
von Hunderttausenden bis zu mehreren Zehn Millionen
30:49
Grad. Erhitzt durch gravitative Kompression und
30:53
durch Schocks, wenn Gas entlang der Filamente
30:56
in Haufen strömt. Dieses Gas emittiert schwach
31:00
im Röntgenbereich. Es kann durch den Sunyev -Zeldovich
31:05
-Effekt nachgewiesen werden. Aber es bleibt aufgrund
31:09
seiner diffusen Natur schwierig, es direkt zu
31:12
beobachten. Dieses intergalaktische Medium zu
31:16
verstehen, seine Zusammensetzung, seine Temperaturstruktur
31:20
und seine Entwicklung über die kosmische Zeit,
31:22
ist eine aktive Forschungsfront. Sie verbindet
31:26
die großräumige Struktur des kosmischen Netzes
31:29
mit der detaillierten Physik der Galaxienentstehung.
31:33
Computersimulationen haben eine wesentliche Rolle
31:36
bei der Entwicklung und Überprüfung unseres Verständnisses
31:39
des kosmischen Netzes gespielt. Die beteiligten
31:43
physikalischen Prozesse überspannen enorme Skalienbereiche.
31:47
Von den Quantenfluktuationen des frühen Universums
31:52
bis zu den Milliarden lichtjahrelangen Filamenten
31:56
der Gegenwart. Eine direkte analytische Berechnung
32:00
ist daher unmöglich. Stattdessen nutzen Astronomen
32:04
Supercomputer, um die Entwicklung der kosmischen
32:07
Struktur numerisch zu simulieren. Sie verfolgen
32:11
Milliarden von Teilchen, während sie sich über
32:13
Milliarden von Jahren unter dem Einfluss der
32:16
Schwerkraft und anderer Kräfte bewegen. Die Millennium
32:20
-Simulation, abgeschlossen 2005, folgte mehr
32:24
als 10 Milliarden Teilchen dunkler Materie, von
32:29
kurz nach dem Urknall bis zur Gegenwart. Die
32:32
resultierende Materieverteilung entsprach eng
32:35
der beobachteten Struktur des kosmischen Netzes
32:37
mit seinen Filamenten, Haufen und Fuiz. Neuere
32:42
Simulationen wie Illustris, abgeschlossen 2014,
32:46
sind weitergegangen. Sie bezogen nicht nur dunkle
32:50
Materie ein, sondern auch gewöhnliches Gas, Sternentstehung,
32:55
supermassereiche schwarze Löcher und die Rückkopplungsprozesse.
32:59
durch die Energie von Sternen und schwarzen Löchern
33:02
das umgebende Medium beeinflusst. Diese Simulationen
33:07
reproduzieren die Eigenschaften realer Galaxien
33:10
mit bemerkenswerter Genauigkeit. Sie zeigen,
33:14
wie sich das kosmische Netz im Laufe der Zeit
33:16
entwickelt, wie Filamente wachsen und verschmelzen,
33:20
wie Haufen Materie aus ihrer Umgebung ansammeln,
33:25
wie Voids sich ausdehnen und leerer werden. Die
33:30
Übereinstimmung zwischen diesen Simulationen
33:32
und Beobachtungen gibt starkes Vertrauen, dass
33:34
unser grundlegendes Bild der kosmischen Strukturbildung
33:37
korrekt ist. Auch wenn viele Details noch zu
33:41
verstehen bleiben. Die Umgebung innerhalb des
33:45
kosmischen Netzes beeinflusst die Galaxien, die
33:48
sich darin bilden, tiefgreifend. Dieser Einfluss
33:52
wird am deutlichsten sichtbar, wenn wir beobachten,
33:55
wie eine Galaxie ihre Adresse wechselt. Stellen
33:59
Sie sich eine Spiralgalaxie vor. Reich an Gas
34:03
und Staub, ihre Arme hell von neugeborenen Sternen,
34:07
die entlang eines Filaments auf einen Haufen
34:09
zutreibt. Während sie sich dem dichten Kern nähert,
34:13
trifft sie auf das heiße intergalaktische Medium,
34:17
das den Haufen füllt. Ein dünner, aber unerbittlicher
34:22
Plasmawind, der sich mit tausenden Kilometern
34:25
pro Sekunde bewegt. Dieser Wind drückt gegen
34:29
das eigene Gas der Galaxie. Er streift es ab,
34:33
wie den Schleif eines Kometen, der vom Sonnenwind
34:37
zurückgeblasen wird. Bis die Galaxie das Material,
34:41
das für neue Sterne nötig ist, nicht mehr nachfüllen
34:45
kann. Ihres Brennstoffs beraubt, verblasst die
34:49
Spirale allmählich. Ihre Arme glätten sich zu
34:53
einer strukturlosen Ellipse. Ihre Farbe rötet
34:57
sich, während ihre Sternpopulation ohne Nachschub
35:00
eitert. Als einst eine lebendige, sternbildende
35:04
Scheibe war, wird's einer stillen, roten, elliptischen
35:09
Galaxie. Verwandelt nicht durch eine einzelne
35:13
katastrophale Kollision, sondern durch den langsamen,
35:17
umgebungsbedingten Druck ihrer neuen Heimat.
35:21
Galaxien in Filamenten zeigen größere Vielfalt.
35:25
Sie umfassen sowohl Spiral - als auch Ellipsentypen
35:29
und zeigen aktivere Sternentstehung, da sie weiterhin
35:33
Gas aus ihrer Umgebung ansammeln. Galaxien in
35:37
Feuz sind typischerweise klein, isoliert und
35:40
gasreich. Sie bilden langsam Sterne in relativer
35:44
Abgeschiedenheit von den größeren kosmischen
35:47
Prozessen. Unsere eigene MIG -Straße, gelegen
35:51
in einem Filament am Rand des Laniaka -A -Superhaufens,
35:55
ist eine große Spiralgalaxie mit fortlaufender
35:58
Sternentstehung. Ein Produkt ihres besonderen
36:02
Ortes und ihrer Geschichte innerhalb des kosmischen
36:05
Netzes. Die Zukunft der Kartierung des kosmischen
36:09
Netzes birgt enormes Potenzial. Das Weltraumteleskop
36:15
Euclid Gestartet 2023 wird die Formen und Ortverschiebungen
36:22
von Milliarden Galaxien messen. Es wird die dreidimensionale
36:27
Verteilung der Materie über ein Drittel des Himmels
36:30
mit beispielloser Präzision kartieren. Das Fera
36:34
C. Rubin Observatorium, das 2025 seinen Betrieb
36:40
in Chile aufnimmt, wird alle paar Nächte den
36:43
gesamten Südhimmel durchmustern. Es wird zeitveränderliche
36:48
Phänomene und extrem blasse Strukturen erfassen,
36:51
die früheren Durchmusterungen entgangen sind.
36:55
Das Square Kilometer Array, derzeit im Bau in
36:58
Australien und Südafrika, wird die Verteilung
37:02
von neutralem Wasserstoff über die kosmische
37:04
Zeit kartieren. Es wird das kosmische Netz bis
37:08
zur Epoche der Leonisierung und vielleicht darüber
37:11
hinaus zurückverfolgen. Zusammen werden diese
37:15
Instrumente ein vollständigeres und detaillierteres
37:18
Bild des kosmischen Netzes liefern als je zuvor.
37:23
Sie werden unser Verständnis von dunkler Materie,
37:27
dunkler Energie und dem endgültigen Schicksal
37:30
der kosmischen Struktur verfeinern. Und doch
37:34
könnten unsere Karten, selbst während sie präziser
37:37
werden, auch Muster offenbaren, die noch größer
37:40
sind, als wir es uns vorgestellt haben. Strukturen,
37:44
die so gewaltig sind, dass sie unsere grundlegendsten
37:47
Annahmen über die Gleichförmigkeit des Kosmos
37:50
auf die Probe stellen. Das Netz ist so ausgedehnt,
37:54
so verschlungen, dass wir nicht sicher sein können,
37:57
ob wir sein volles Ausmaß gesehen haben. Es könnte
38:01
Fäden jenseits unseres gegenwärtigen Horizonts
38:04
geben, die Muster weben, von denen wir noch nicht
38:07
geträumt haben. Was aus all dem hervorgeht, ist
38:11
ein Bild des Universums, das sich grundlegend
38:13
von der verstreuten Zufälligkeit unterscheidet,
38:16
die unsere bloßen Augen wahrnehmen. Das kosmische
38:20
Netz ist nicht bloß eine Ansammlung von Galaxien
38:23
mit Raum dazwischen. Es ist eine einzige, zusammenhängende
38:27
Struktur. Das größte Muster, das existiert, geformt
38:33
von Kräften, die über Milliarden von Jahren wirken,
38:36
und von Keimen. die in den ersten Momenten der
38:39
Zeit gepflanzt wurden. Jede Galaxie, jeder Stern,
38:43
jeder Planet existiert innerhalb dieser Struktur.
38:47
Verbunden durch Filamente aus Materie und durch
38:51
den kontinuierlichen Fluss von Gas und Schwerkraft,
38:54
der das Ganze zusammenhält. Wir sind Teil dieser
38:58
Struktur. Die Atome in unseren Körpern wurden
39:01
in Sternen geschmiedet, die sich entlang von
39:04
Filamenten des kosmischen Netzes bildeten. Aus
39:07
Gas, das sich seit dem dunklen Zeitalter angesammelt
39:10
hatte. In Regionen, deren Dichte durch Quantenfluktuationen
39:15
im ersten Sekundenbruchteil nach dem Urknall
39:18
bestimmt wurde. Das Calcium in unseren Knochen,
39:22
das Eisen in unserem Blut, der Kohlenstoff, der
39:26
die Grundlage allen Lebens auf der Erde bildet.
39:30
Diese Elemente wurden in Sterninneren erzeugt
39:33
und durch Supernova -Explosionen verteilt. Dann
39:37
wurden sie in spätere Generationen von Sternen
39:39
und Planeten eingebaut. Alles innerhalb der fließenden,
39:44
sich entwickelnden Struktur des kosmischen Netzes.
39:47
Wenn wir dieses Netz kartieren, wenn wir seine
39:50
Filamente nachzeichnen und seine Voids vermessen,
39:53
untersuchen wir nicht etwas Fernes und Abstraktes.
39:58
Wir untersuchen unseren eigenen Kontext. Die
40:02
größere Struktur, in die unsere Existenz eingebettet
40:05
ist. Das kosmische Netz erinnert uns daran, dass
40:09
Größenordnung nicht Trennung bedeutet. Die größten
40:14
Strukturen und die kleinsten Teilchen sind durch
40:17
kontinuierliche physikalische Prozesse verbunden.
40:21
Durch Schwerkraft und Gas und Licht. Durch die
40:25
ununterbrochene Kette von Ursache und Wirkung,
40:29
die sich von den Quantenfluktuationen des frühen
40:32
Universums bis zum gegenwärtigen Moment erstreckt.
40:37
Wir sind keine Beobachter, die außerhalb dieser
40:39
Struktur stehen und hineinschauen. Wir sind Knoten
40:43
in ihr. Vorübergehende Konzentrationen von Materie
40:47
und Energie, die an ihrer Entwicklung teilhaben,
40:50
selbst während wir versuchen, sie zu verstehen.
40:54
Die Erde ist aus der Perspektive des kosmischen
40:57
Netzes unsichtbar. Ein Staubkorn an einem Filament
41:02
eines Superhaufens. Und doch ist dieses Staubkorn
41:07
unermesslich kostbar. Der einzige Ort, den wir
41:12
kennen, an dem das Universum sich seiner selbst
41:15
bewusst geworden ist. Wo Materie sich zu Leben
41:19
und Bewusstsein organisiert hat. Wo das kosmische
41:23
Netz betrachtet und kartiert werden kann. Die
41:27
Weite der Struktur verringert nicht die Bedeutung
41:30
unseres Platzes in ihr. Vielmehr vertieft sie
41:33
sie. Sie verbindet unser kurzes Leben mit Prozessen,
41:37
die Milliarden von Jahren und Milliarden von
41:40
Lichtjahren umspannen. Sie erinnert uns daran,
41:44
dass wir Teil von etwas Größerem sind, als wir
41:46
vollständig begreifen können. Und doch etwas,
41:50
das wir durch Geduld und sorgfältige Beobachtung
41:54
zu verstehen lernen können. Der Nachthimmel erscheint
41:58
bei flüchtiger Betrachtung immer noch verstreut.
42:01
Aber wir wissen jetzt, was hinter dieser Erscheinung
42:05
liegt. Wir wissen, dass das Licht, das wir sehen,
42:08
zu Filamenten organisiert ist, die sich über
42:11
das beobachtbare Universum erstrecken. Wir wissen,
42:15
dass die Dunkelheit dazwischen Voids von unvorstellbarer
42:19
Leere enthält. Wir wissen, dass die gesamte Struktur
42:23
aus Keimen wuchs, die in den frühesten Momenten
42:25
der Zeit gepflanzt wurden und von der Schwerkraft
42:28
geformt wurde. die kontinuierlich über Milliarden
42:32
von Jahren wirkte. Dieses Wissen verringert nicht
42:35
die Schönheit des Nachthimmels. Es vertieft sie.
42:39
Es verwandelt verstreute Lichtpunkte in sichtbare
42:44
Spuren einer unsichtbaren Architektur, die unseren
42:47
gegenwärtigen Moment mit der tiefsten Geschichte
42:50
des Kosmos verbindet.