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Präzisions-Astronomie : Das Universum auf der Waage

  • -Aktualisiert am

Das leuchtende Materie bildet nur einen Bruchteil der Materie des gesamten Universums. Abgebildet hier ist hier ein Ausschnitt der großen Magellanschen Wolke. Bild: Hubble, Nasa

Wie groß ist die Masse des unendlichen Weltalls? Die Antwort liefert ein unerwarteter Radioblitz in einer fernen Galaxie.

          4 Min.

          Ein Glücksfall hat einer internationalen Astronomengruppe jetzt zum ersten Mal die Gelegenheit gegeben, einen Teil des Universums gleichsam auf die Waage, zu legen und die dort vorhandene Masse unabhängig von himmelsmechanischen Überlegungen, zu bestimmen. Das Ergebnis stimmt nach Aussagen von Michael Kramer vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn und seinen Kollegen mit dem derzeitigen Modell zum Aufbau des Universums recht gut überein. Zur Massebestimmung haben die Forscher das Nachglimmen eines extrem hellen Radioblitzes aus dem vergangenen Jahr analysiert.

          Astronomen nutzen normalerweise das Gravitationsgesetz, um die Masse von Himmelskörpern zu bestimmen. So lässt sich die Masse der Erde aus der Umlaufzeit des Mondes und seiner Entfernung zur Erde berechnen. Auf die Masse der Sonne kann man aus der Umlaufzeit der Erde und der Entfernung zwischen unserem Heimatplanet und der Sonne schließen. Die Masse einer ganzen Galaxie lässt sich aus der Umlaufzeit (beziehungsweise der messbaren Umlaufgeschwindigkeit) von Sternen und ihrem Abstand zum Zentrum der Galaxie ermitteln.

          Die rätselhafte unsichtbare Materie

          Auf der Ebene der Galaxien stießen die Astronomen allerdings seit etlichen Jahrzehnten auf eine auffällige Diskrepanz: Die aus dem Gravitationsgesetz berechneten Galaxienmassen waren stets deutlich größer als jene Werte, die man erhielt, wenn man die Massen der vorhandenen Sterne addiert. Wie viel Sterne eine Galaxie aufweist, leitet man üblicherweise aus ihrer Helligkeit ab.

          Als Folge dieser Abweichung ist im Laufe der Zeit die Vorstellung entstanden, dass das Universum neben der sichtbaren, „normalen“ - auch baryonisch genannten - Materie zusätzlich noch größere Mengen an unsichtbarer Materie enthalten müsse. Diese „dunkle Materie“ würde sich nur durch ihre Schwerkraftwirkung bemerkbar machen, ansonsten aber mit normaler Materie kaum oder gar nicht reagieren, wodurch sie für normale Teleskope unsichtbar ist.

          Das 100-Meter-Radioteleskop Effelsberg

          Kosmologische Modelle, die sich auf jüngste Beobachtungen stützen, liefern einen Hinweis auf das Verhältnis zwischen normaler und dunkler Materie. Danach sollte der Anteil der dunklen Materie im Universum etwa fünfmal so groß sein wie jener der „sichtbaren“ Materie.

          An diesem Verhältnis hat sich auch durch die Entdeckung der beschleunigten Expansion des Kosmos vor rund zwanzig Jahren nichts verändert. Die Einsicht, dass sich das Universum nach einer Phase der Abbremsung seit mehreren Milliarden Jahren immer schneller ausdehnt, führte allerdings zur Einbeziehung einer weiteren Komponente in der Zusammensetzung des Universums: der sogenannten dunklen Energie. Sie stellt nach der Auswertung von Messungen des europäischen Forschungssatelliten „Planck“ rund 70 Prozent der Gesamtenergie des Kosmos. 25 Prozent entfallen auf die dunkle Materie und lediglich fünf Prozent auf die uns vertraute Welt der baryonischen Materie.

          Ein Radioblitz liefert den entscheidenden Hinweis

          Die Astronomen konnten aber selbst von diesem geringen Anteil an „sichtbarer“ Materie bislang nur rund die Hälfte wirklich beobachten. Den Rest haben sie in ihren Bilanzen als „fehlende Materie“ (missing mass) verbucht - bis ihnen am 18. April 2015 ein glücklicher Zufall in die Hände spielte. An diesem Tag registrierte die 64-Meter-Antenne des Parkes-Radioteleskops in Australien einen der äußerst seltenen, sogenannten schnellen Radiostrahlungsausbrüche. Dabei handelt es sich um extrem helle Radioblitze unbekannter Herkunft, die zumeist nur einige Millisekunden andauern. Da diese kurze Zeitspanne die Entdeckungswahrscheinlichkeit verringert - man muss nämlich zum richtigen Moment in die richtige Richtung blicken -, konnte man bisher nur insgesamt 17 solcher Ereignisse registrieren.

          Im April des vergangenen Jahres erkannte jedoch das neue Suchprogramm für Pulsare und extragalaktische Radiopulse, „Superb“ den registrierten Radioblitz unmittelbar und alarmierte automatisch die Kollegen anderer Observatorien. Diese organisierten innerhalb weniger Stunden eine großanlegte Suche nach weiterer Strahlung aus der fraglichen Himmelsregion. An der Fahndung war auch das 100-Meter-Teleskop „Effelsberg“ des Bonner Max-Planck-Institutes für Radioastronomie beteiligt. Dank dieser konzertierten Aktion konnte eine Art „Nachglimmen“ des Radioblitzes über fast eine Woche hinweg registriert werden, was eine recht genaue Positionsbestimmung der Quelle am Himmel ermöglichte.

          Eine weitere wichtige Information über die Quelle lieferten die optischen Beobachtungen mit dem 8,2-Meter-Subaru-Teleskop auf dem Mauna Kea (Hawaii). Als Ausgangsort des Radioblitzes fand man eine elliptische Galaxie. Die Astronomen ermittelten anhand der gemessenen Rotverschiebung des abgestrahlten Lichts eine Entfernung der Galaxie von rund sechs Milliarden Lichtjahren.

          Die Welt ist wieder in Ordnung

          Mit diesen Informationen bot sich der Forschergruppe erstmals auch die Möglichkeit, das Universum im Bereich zwischen dieser weit entfernten Galaxie und der Erde zu „wiegen“. Die Strahlung des Radioblitzes trifft nämlich nicht bei allen Wellenlängen gleichzeitig auf ein Teleskop, sondern wird - abhängig sowohl von der Menge an Materie, die sie durchdrungen hat, als auch von der Wellenlänge der Strahlung - unterschiedlich stark verzögert. Die Geschwindigkeit einer Lichtwelle ist nämlich nur im Vakuum konstant, verringert sich aber ansonsten mit der Materiemenge, die das Licht bis zur Erde durchlaufen hat - und zwar um so mehr, je höher die Frequenz der Strahlung ist. Aus dieser frequenzabhängigen Verzögerung lässt sich ein sogenanntes Dispersionsmaß ableiten; es beschreibt die Menge des Materials, das die Strahlung auf dem Weg von der Quelle bis zur Erde durchlaufen hat.

          Die ersten Prototypen der südafrikanischen Radioantennen des SKA-Arrays

          Da die Wissenschaftler die Entfernung der Strahlungsquelle recht genau kennen, haben sie aus dem Dispersionsmaß des Radioblitzes die mittlere Dichte der Materie zwischen dem Entstehungsort und der Erde bestimmen können. Ihr Ergebnis verglichen sie dann mit den etablierten Modellen der Materieverteilung im Universum. Die Berechnungen, die von Michael Kramer in Bonn vorgenommen wurden, liefern ein „beruhigendes“ Resultat: Der Anteil an sichtbarer baryonischer Materie beträgt zumindest in einem Bereich von sechs Milliarden Lichtjahren fünf Prozent und damit genau so viel, wie es die kosmischen Modelle besagen, berichten die Wissenschaftler in der Zeitschrift  „Nature“.

          Darin ist auch jener Anteil an normaler Materie enthalten, der bislang als „missing mass“ verbucht werden musste. Für Kramer und seine Kollegen eine weitere gute Nachricht. „Unsere Resultate zeigen das Potenzial der Radioblitze als neues Werkzeug für die Kosmologie.“ Nun hofft man, weitere Quellen schneller Radioblitze aufspüren zu können.

          Möglich werden könnte das mit den geplanten Radioteleskopen des „Square Kilometre Array“ (SKA), das in Australien und Südafrika entsteht - nach derzeitigem Stand ohne deutsche Beteiligung. Denn mit dem SKA vergrößert sich die Entdeckungswahrscheinlichkeit für schnelle Radioblitze deutlich. Dadurch steigen einerseits die Chancen, den Prozess zu entschleiern, der dem seltsamen Phänomen zugrunde liegt. Zum anderen lässt sich möglicherweise die Materieverteilung auch in anderen Bereichen des Universums überprüfen, lassen sich so die kosmologischen Modelle weiter verfeinern.

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