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Intergalaktisches Medium : Der Einfluss des kosmischen Netzwerks

Momentaufnahme einer Computer-Simulation des kosmischen Netzwerks vor 11,5 Milliarden Jahren. Bild: J. Onorbe / MPIA

Im fast leeren Raum zwischen den Galaxien spannt sich ein gigantisches Netzwerk aus Wasserstoff. Das nur schwer zu beobachtende Gas wurde nun anhand eines Tricks genauer als je zuvor vermessen.

          Das intergalaktische Medium, der Raum zwischen den Galaxien, scheint fast leer zu sein. Doch die wenigen Atome, die sich hier finden, bilden eine gigantische, kosmische Netzstruktur, in der noch heute Hinweise auf die Frühphase des Universums konserviert sind. Die Feinstruktur dieses Netzwerkes wurde nun von einer Gruppe von Astronomen, geleitet von Wissenschaftlern des Max-Planck-Instituts für Astronomie, vermessen („Science“, doi: 10.1126/science.aaf9346).

          Sibylle Anderl

          Redakteurin im Feuilleton.

          Da das Gas des Netzwerks selbst eine so geringe Dichte besitzt, dass seine Emission für eine direkte Beobachtung nicht stark genug ist, mussten die Forscher einen Trick nutzen: Sie ermittelten die Struktur des Netzes anhand dessen Einfluss auf die Emission von Quasaren. Deren Strahlung passiert das Gas, bevor es auf der Erde empfangen wird. Quasare sind ferne Galaxien in einer extrem leuchtstarken Entwicklungsphase. Die abgestrahlte Energie wird dadurch erzeugt, dass Materie von dem zentralen supermassereichen schwarzen Loch der Galaxie geschluckt wird.

          Schematische Darstellung der Beobachtungsmethode, mit der die Feinstruktur des kosmischen Netzwerkes vermessen wurde.
          Schematische Darstellung der Beobachtungsmethode, mit der die Feinstruktur des kosmischen Netzwerkes vermessen wurde. : Bild: Springel et al. (2005) / J. Neidel, MPIA

          Wenn nun zwei solcher Quasare nahe beieinanderstehen, können Unterschiede in der empfangenen Quasarstrahlung auf Unterschiede der Absorptionseigenschaften des jeweils zwischen Quasar und Erde liegenden Gases zurückgeführt werden – und damit auf kleinskalige Strukturen im kosmischen Netzwerk. Genauer gesagt: Zum Zeitpunkt der Aussendung ist das Spektrum beider Quasare noch sehr ähnlich, doch auf den leicht unterschiedlichen Wegen, die das Licht beider Quellen durch das intergalaktische Medium nimmt, wird jedem Spektrum durch das intergalaktische Gas ein jeweils anderer Stempel aufgedrückt. Daraus kann man auf die Struktur des Mediums auf beiden benachbarten Sichtlinien schließen.

          Das Problem an dieser Methode: Nahe beieinander stehende Quasare sind extrem selten. Um solche Paare aufzuspüren, nutzten die Forscher lernende Algorithmen, mit denen Milliarden von Himmelsabbildungen durchforstet wurden. Die anhand dieser Methode entdeckten Quasarpaare wurden daraufhin an verschiedenen Observatorien auf Hawaii und in Chile beobachtet. Die beobachteten Unterschiede zwischen den Spektren der Quellenpaare wurden daraufhin ausgewertet und mit komplexen Simulationen der Entstehung der kosmischen Strukturen verglichen. Das gängige Paradigma kosmischer Strukturbildung konnte nach Angaben der Forscher durch die Messungen bestätigt werden, wie Jose Onorbe, einer der Autoren, beschreibt: „Ich habe mich sehr gefreut, dass die neuen Messungen zu den gängigen Vorstellungen darüber passen, wie kosmische Strukturen entstehen.“

          Die Struktur des Wasserstoff-Netzwerks auf den beobachteten, kleinen Skalen kann genutzt werden, um die Temperatur dieses Gases einige wenige Milliarden Jahre nach dem Urknall abzuleiten. In diesem Zeitraum, der sogenannten kosmischen Reionisierungsära, wurde der Einfluss der ultravioletten Strahlung von Sternen und Quasaren stark genug, um aus den Atomen des intergalaktischen Mediums Elektronen heraus zu lösen. Die Details dieses Prozesses liefern wichtige Hinweise für das Verständnis der Geschichte unseres Kosmos.

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