Astrophysiker messen Materie, Dunkle Materie und Dunkle Energie
Wie das Team in der Fachzeitschrift The Astrophysical Journal berichtet, macht die Materie 31 Prozent der Gesamtmenge an Materie und Energie im Universum aus, der Rest besteht aus Dunkler Energie.
„Kosmologen gehen davon aus, dass nur etwa 20 Prozent der gesamten Materie aus regulärer oder ‚baryonischer‘ Materie besteht, zu der Sterne, Galaxien, Atome und Leben gehören“, erklärt Studienleiter Mohamed Abdullah von der japanischen Chiba-Universität „Etwa 80 Prozent bestehen aus Dunkler Materie, deren mysteriöse Natur noch nicht bekannt ist, die aber aus einigen noch nicht entdeckten subatomaren Teilchen bestehen könnte.“
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Seine Mitautorin und Physikprofessorin Gillian Wilson erläutert die Vorgehensweise so: „Das Team verwendete eine bewährte Technik, um die Gesamtmenge der Materie im Universum zu bestimmen, nämlich den Vergleich der beobachteten Anzahl und Masse von Galaxienhaufen pro Volumeneinheit mit Vorhersagen aus numerischen Simulationen.“
„Die Anzahl der derzeit beobachteten Galaxienhaufen, die sogenannte ‚Haufenhäufigkeit‘, ist sehr empfindlich gegenüber den kosmologischen Bedingungen und insbesondere gegenüber der Gesamtmenge der Materie“, ergänzt Wilson.
Das Team verglich die gemessene Anzahl der Galaxienhaufen mit den Vorhersagen aus numerischen Simulationen. (Darstellung: Mohamed Abdullah, Chiba-Universität, Japan)
Das aber sei gar nicht so einfach, wie Anatoly Klypin von der US-amerikanischen Universität von Virginia zu Bedenken gibt: „Ein höherer Anteil an der Gesamtmaterie im Universum würde dazu führen, dass mehr Cluster gebildet werden. Aber es ist schwierig, die Masse eines Galaxienhaufens genau zu messen, da der Großteil der Materie dunkel ist und wir sie mit Teleskopen nicht direkt sehen können.“
Deshalb musste das Forschungsteam einen indirekten Indikator für die Haufenmasse verwenden. Den leiteten die Wissenschaftler:innen daraus ab, dass massereichere Haufen mehr Galaxien enthalten als weniger massereiche Haufen – die Mass Richness Relation (MRR).
Durch die Messung der Anzahl der Galaxien in jedem Haufen konnte das Team dessen jeweilige Gesamtmasse schätzen. Anschließend konnte die beobachtete Anzahl und Masse der Galaxienhaufen pro Volumeneinheit mit Vorhersagen aus numerischen Simulationen verglichen werden.
Dabei fanden die Forscher:innen die beste Übereinstimmung zwischen Beobachtungen und Simulationen bei einem Universum, das aus 31 Prozent der Gesamtmaterie besteht. Diesen Wert hatte zuvor schon der kosmische Mikrowellenhintergrund (CMB) des Planck-Satelliten ermittelt. Dabei ist der CMB eine völlig unabhängige Technik.
„Es ist uns gelungen, die erste Messung der Materiedichte mit dem MRR vorzunehmen, die hervorragend mit der CMB-Methode des Planck-Teams übereinstimmt“, freut sich Mitautor Tomoaki Ishiyama von der Chiba-Universität. Damit sei bewiesen, dass die Bestimmung der Häufigkeit von Haufen eine konkurrenzfähige Technik zur Bestimmung kosmologischer Parameter ist.
Zugleich repräsentiere die Studie den ersten erfolgreichen Einsatz der Spektroskopie – einer Technik, bei der die Strahlung in ein Spektrum einzelner Bänder oder Farben zerlegt wird, um die Entfernung zu den einzelnen Haufen und die wirklichen Mitgliedsgalaxien, die gravitativ an den Haufen gebunden sind, genau zu bestimmen.
