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Astrophysik: Auf der Suche nach dem Universum

Wir kennen nicht mehr als fünf Prozent der Materie im Universum - den übergroßen Rest stellt die bislang völlig rätselhafte so genannte Dunkle Materie. Aber selbst von den vertrauten Atomen, Protonen und Neutronen ist etwa die Hälfte an unbekannten Orten versteckt. Wo befindet sich also eigentlich unser Universum, wenn nicht in den Sternen und Galaxien?
Mkn 421Laden...
Manchmal weiß die Theorie es besser, und die Praxis muss sich mühen, Schritt zu halten. So war zwar niemand bei der Entstehung des Universums im berühmten Urknall dabei, doch dank dem kosmologischen Standardmodell wissen wir recht gut, wie vor etwa 13 bis 15 Milliarden Jahren aus dem Nichts unser Weltall wurde. Auch dessen Zusammensetzung ist in groben Zügen bekannt: Rund siebzig Prozent stellt die mysteriöse Dunkle Energie, eine Abstoßungskraft, die dafür sorgt, dass nicht alles wieder zusammengefallen ist, und nach der Astronomen verzweifelt fahnden. Ein Viertel macht die Dunkle Materie aus, die sich nur durch ihre Gravitation verrät und von der die Wissenschaft ansonsten ebenfalls nichts weiß.

Schließlich bleiben kümmerliche fünf Prozent "normaler" Materie, aus denen sich alle Galaxien, Sterne, Planeten, Gesteine und auch wir Menschen zusammensetzen. Bei genauerer Betrachtung dieser fünf Prozent fällt auf, dass Sterne, Planeten und der ganze Rest nicht alles sein können. Sie bringen es zusammen auf vielleicht drei Prozent – wo befindet sich die übrige gewöhnliche Materie?

Wenn sie nicht in den Galaxien steckt, verbirgt sie sich vielleicht in den Weiten dazwischen. Tatsächlich deuten Messungen im ultravioletten und im Röntgenlicht darauf hin, dass sich im intergalaktischen Medium ein dünnes Gas ausdehnt, das ein- bis zehnmillionenfach dünner ist als das interstellare Gas innerhalb der Milchstraße. Wegen seiner gewaltigen Ausmaße könnte dennoch eine immense Gesamtmasse zusammenkommen. Was fehlt, ist der Nachweis, wie viel Gas sich dort befindet.

Dem Astrophysiker Fabrizio Nicastro vom Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics und seinen Kollegen ist nun eine erste stichprobenartige Messung gelungen. Im Oktober 2002 und im Juli 2003 fingen sie mit dem Röntgenteleskop Chandra das Licht der Galaxie Markarian 421 (Mkn 421) auf, die 400 Millionen Lichtjahre entfernt ist. Sie nutzten dabei eine außergewöhnlich helle Phase dieser variablen Galaxie, während der die intergalaktische Region zwischen Mkn 421 und der Milchstraße quasi wie bei einer Röntgenuntersuchung durchleuchtet wurde.

Spektrum von Mkn 421Laden...
Spektrum von Mkn 421 | Dünne Gaswolken mit hoch ionisierten Atomen von Sauerstoff, Stickstoff, Kohlenstoff und Neon mit Temperaturen von rund einer Million Grad Celsius schluckten bestimmte Wellenlängen der Strahlung von Mkn 421. Diese Gase hatte zuvor niemand beobachtet – doch dürften sie die bislang gesuchten Reste der normalen Materie im Universum ausmachen.
Auf seinem Weg zur Erde traf das Licht in Entfernungen von 380 Millionen und 150 Millionen Lichtjahren auf dünne Gaswolken, die zuvor noch niemand beobachtet hatte. Hoch ionisierte Atome von Sauerstoff, Stickstoff, Kohlenstoff und Neon mit Temperaturen von rund einer Million Grad Celsius schluckten bestimmte Wellenlängen der Strahlung, sodass die mit Chandra aufgenommenen Spektren charakteristische Linien aufwiesen. Vorausgesetzt, dass die gemessene Dichte des heißen Gases für den gesamten intergalaktischen Raum repräsentativ ist, würde es tatsächlich die fehlende Materie ausmachen, erklären Nicastro und sein Team.

Seine hohe Temperatur verdankt das Gas der Theorie zufolge Schockwellen aus den eingebetteten Galaxien. Kollabiert dort ein Objekt unter seiner eigenen Gravitation oder explodiert ein Stern in einer Supernova, geben sie Unmengen von Energie an die Umgebung ab und heizen damit die Atome auf. Da diese inzwischen fast alle ihre Elektronen verloren haben, sind sie im sichtbaren Licht praktisch durchsichtig. Nur im ultravioletten und im Röntgenspektrum lassen sie sich noch aufspüren, und selbst dafür ist eine besonders starke Bestrahlung aus dem Hintergrund nötig. Das Aufleuchten von Mkn 421 war darum eine einmalige Gelegenheit. Messungen aus anderen Raumregionen liefern kaum verwertbare Spektren.

Die quantitative Interpretation der Daten steht damit zwar noch auf etwas wackligen Beinen, aber im Versteckspiel mit der Materie dürfen die Astrophysiker einen wichtigen Erfolg verbuchen. Fünf Prozent unseres Universums hätten sie jetzt gefunden. Bleibt abzuwarten, mit welchen Tricks sie die übrigen 95 Prozent aufspüren werden.
04.02.2005

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 04.02.2005

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