Die ersten Bausteine des Universums

Schon wenige hundert Millionen Jahre nach dem Urknall entwickelten sich im All die ersten Galaxien. Woher aber rührt ihre große Vielfalt an Form und Gestalt? Wie hat sich das All als Ganzes entwickelt? Zwei deutsch-chinesische Partnergruppen am Garchinger Max-Planck-Institut für Astrophysik beschäftigen sich durch Beobachtungen und Simulationen mit der Evolution des frühen Kosmos: Cheng Li und Guinevere Kauffmann sowie Liang Gao und Simon White.

 

Text: Alexander Stirn

Den Geheimnissen des Universums auf der Spur: Cheng Li, Professor am Shanghai Astronomical Observatory.

Sie können groß sein oder klein, rot oder blau, Einzelgänger oder Herdentiere, extrem massereich oder einfach nur hell: Galaxien finden sich im Universum in fast allen erdenklichen Formen. Dabei sieht das kosmologische Standardmodell, das die Entwicklung des Weltalls beschreibt, eine solche Vielfalt eigentlich gar nicht vor. Die Theorie besagt lediglich, dass winzige Dichteschwankungen kurz nach dem Urknall für die Verteilung der Masse und Energie im Kosmos ursächlich gewesen sein müssen.

„Daraus ergibt sich ein sehr nützliches, sehr einfaches Bild von der Evolution des Weltalls“, sagt Cheng Li, Professor am Shanghai Astronomical Observatory der Chinese Academy of Sciences. „In der Praxis stoßen wir in diesem einfachen und schönen Universum dennoch auf überraschend viele unterschiedliche Arten von Galaxien.“

Im Rahmen einer Partnergruppe zusammen mit Guinevere Kauffmann vom Max-Planck-Institut für Astrophysik in Garching will Li diesen scheinbaren Widerspruch auflösen. Die wichtigste Frage dabei: Wie sind die unterschiedlichen Galaxien entstanden und was waren ihre grundlegenden Bausteine?

Eine wichtige Rolle bei der Suche nach Antworten spielen sogenannte Surveys – Himmelsdurchmusterungen, bei denen ein Teleskop nach und nach eine große Region des Universums ins Fadenkreuz nimmt. Mehr als eine Million Galaxien in der Nähe der Milchstraße hat etwa der Sloan Digital Sky Survey (SDSS) beobachtet und vermessen. Dabei wurde das aufgefangene Licht eines jeden Objekts in seine unterschiedlichen Wellenlängen zerlegt.

Wie kosmisches Kino: Cheng Li und sein Team interessieren sich dafür, wie und woraus Galaxien entstanden sind.

 

In diesem Spektren zeigen sich Linien – Fingerabdrücke, die unter anderem verraten, welche Elemente in der Galaxie stecken, wie viel Metall die Sterne enthalten, wie alt sie sind und mit welcher Geschwindigkeit sie sich bilden. „Mit solch einem Spektrum lassen sich jede Menge Informationen über die Eigenschaften einer Galaxie gewinnen“, sagt Cheng Li.

Bereits im Jahr 2005, damals noch als Postdoktorand am Max-Planck-Institut für Astrophysik, hat Li gemeinsam mit Guinevere Kauffmann begonnen, diese Daten zu analysieren. Im Mittelpunkt stand dabei die Suche nach Korrelationen mit dem Umfeld, in denen man die Milchstraßensysteme findet. Unter anderem zeigte sich, dass Galaxien mit einer großen Zahl von Sternen häufig in einem sogenannten Galaxienhaufen auftauchen – einer Region, in der die Dichte an Galaxien besonders hoch ist.

Die Spektren des SDSS haben allerdings einen Haken: Sie sind allesamt im Bereich des sichtbaren Lichts aufgenommen worden und zeigen daher nur Sterne. „Zwar bestehen Galaxien aus diesen Sternen, aber die Sterne selbst bilden sich aus Gas“, sagt Li. Dieses kalte Gas ist in den optischen Spektren allerdings nicht zu erkennen. Für Li und seine Kollegen ist das ein Problem: „Bisher wissen wir sehr wenig über das Gas, dabei ist es ein wichtiger Faktor für die Entstehung von Galaxien.“

Die Forscher untersuchen unter anderem Milchstraßensysteme wie hier das Paar Arp 87. Die Materiebrücke deutet darauf hin, dass die beiden riesigen Galaxien miteinander in Wechselwirkung stehen und verschmelzen.

Als der Kosmologe 2010 nach China zurückkehrte, war das eine wichtige Motivation für die Gründung der Partnergruppe. „Wir wollten nicht nur die Zusammenarbeit aufrecht erhalten, wir wollten unseren Schwerpunkt auch vom optischen Bereich hin zu Wellenlängen verlegen, in denen sich dieses Gas zeigt“, sagt Guinevere Kauffmann.

Im Januar 2011 nahm die Partnergruppe schließlich die Arbeit auf – als dritte ihrer Art zwischen dem Max-Planck-Institut für Astrophysik und dem Shanghai Astronomical Observatory. Den Grundstein der Zusammenarbeit hatte bereits im Jahr 2000 der Max-Planck-Forscher Gerhard Börner gelegt, als er in Garching und Shanghai die erste Partnergruppe überhaupt formte, die zwischen Max-Planck-Gesellschaft und der Chinese Academy of Science ins Leben gerufen wurde.

Die neue Gruppe und ihre Konzentration auf Wellenlängen jenseits des Optischen hat bereits erste Widersprüche klären können. So sitzt im Zentrum der meisten Galaxien ein sehr massereiches schwarzes Loch, das Materie aus seiner näheren Umgebung anzieht, beschleunigt und verschluckt – ein Prozess, der sich als verräterisches Signal im Licht der Galaxien bemerkbar macht. Theoretiker sind überzeugt, nicht zuletzt auf Basis von Simulationen, dass ein solcher aktiver galaktischer Kern deutlich mehr Strahlung aussenden muss, sobald zwei Galaxien kollidieren. Die Aufnahmen des SDSS zeigten davon allerdings keine Spur. „Egal, ob eine Galaxie in der Nähe einer anderen war oder nicht, die Aktivität blieb stets dieselbe“, erinnert sich Li.

Das änderte sich erst, als die Forscher zusätzlich Daten des Wide-Field Infrared Survey Explorers (WISE) anschauten, eines amerikanischen Infrarotteleskops. „Beim Vergleich der optischen und der Infrarot-Aufnahmen zeigten sich gravierende Unterschiede“, sagt Li. Offensichtlich entstehen beim Crash von Galaxien jede Menge neuer Sterne, deren Staub die aktiven galaktischen Kerne im sichtbaren Licht verdeckt – und dadurch zunächst zu falschen Schlüssen geführt hat.

Die Gruppe um Liang Gao vom National Astronomical Observatory in Bejing studiert die geheimnisvolle Dunkle Materie, die 24 Prozent des Weltalls ausmacht.

Aktuell haben sich Li und Kauffmann noch größeren Wellenlängen zugewandt: Radiostrahlung. Mit einem Durchmesser von 30 Metern ist das südspanische Teleskop des Instituts für Radioastronomie im Millimeterbereich (IRAM) in der Lage, nicht nur Atome, sondern molekulares Gas in fernen Galaxien zu analysieren. „Dieses Gas hat tiefere Temperaturen und ist somit schwieriger zu beobachten, aber es ist auch enger mit der Geburt neuer Sterne verbunden“, erklärt der chinesische Forscher. Etwa 300 Galaxien haben er und seine Kollegen mehr als 300 Stunden lang beobachten können. Aktuell läuft am Shanghai Astronomical Observatory noch die Auswertung.

Gut 1000 Kilometer weiter nördlich, an den National Astronomical Observatories unweit des Pekinger Nationalstadions, beschäftigt sich Liang Gao mit einem kosmischen Phänomen, das noch schwerer auszumachen ist: Dunkle Materie. Gao leitet zusammen mit seinem Garchinger Kollegen Simon White die zweite chinesische Partnergruppe des Max-Planck-Instituts; statt auf Beobachtungen setzt sie auf Computersimulationen.

Die Dunkle Materie ist hierfür ein dankbarer Kandidat: Dem aktuellen Standardmodell der Kosmologie zufolge macht sie etwa 24 Prozent des Universums aus; die gewöhnliche Materie kommt auf knapp fünf Prozent, den Rest bezeichnen Astronomen als Dunkle Energie. Die Dunkle Materie ist allerdings unsichtbar, sie verrät sich nur indirekt – zum Beispiel, indem sie das Licht ferner Sterne leicht ablenkt. „Dadurch wissen wir, dass die Dunkle Materie lediglich über die Schwerkraft mit anderen Stoffen interagiert“, sagt Gao. „Sie ist dadurch relativ einfach zu simulieren, selbst wenn wir ihre Natur noch nicht kennen.“

Das Universum im Computer: Das Bild stammt aus dem Phoenix Projekt und zeigt einen Halo aus Dunkler Materie, der mit 1,3 Milliarden Partikeln simuliert wurde. Jede Seite entspricht einer Ausdehnung von 23 Millionen Lichtjahren.

In seinen Berechnungen geht Gao unter anderen der Frage nach, wie die Materie in Galaxienhaufen verteilt sein könnte. Zudem will er anderen Astronomen helfen, ihre Theorien über den seltsamen Stoff zu überprüfen – und so der Natur der Dunklen Materie endlich näher zu kommen. Eine dieser Theorien sagt etwa voraus, dass sich die Bausteine der unbekannten Materie unter bestimmten Umständen gegenseitig vernichten. Dabei müsste Gammastrahlung freiwerden, und zwar besonders viel im Zentrum von Galaxien wie der Milchstraße. Bisher konnten Beobachter allerdings nichts erkennen.

Mit einer Simulation, die vier Monate lang auf einem Superrechner der Chinese Academy of Sciences lief, haben Gao und seine Kollegen nach Regionen im Kosmos gesucht, in denen dieses Signal besser zu empfangen sein sollte. Ihr Ergebnis: Galaxienhaufen in der näheren Umgebung der Milchstraße könnten ein guter Ort sein, um die Spuren der Dunklen Materie zu finden – sofern es die verräterische Gammastrahlung wirklich geben sollte.

Als Nächstes wollen Gao und White ihre Computersimulationen noch ausweiten. Auf dem chinesischen Superrechner Tianhe-2, dem derzeit schnellsten der Welt, wollen die Astronomen dem Geheimnis der Dunklen Energie ein Stück näher kommen. Es wird, sagt Gao, die bisher größte kosmologische Simulation der Welt. Mit ersten Ergebnissen ist im Sommer 2014 zu rechnen.

Auch in Shanghai hat die Partnergruppe große Pläne. Im Süden Chinas, in der Provinz Guizhou, entsteht derzeit FAST, das Five Hundred Meter Aperture Spherical Telescope. Mit einem Schüsseldurchmesser von 500 Metern wird es das größte Radioteleskop der Welt – wie gemacht für den unverstellten Blick in ferne Galaxien. Und im Süden Afrikas sowie in Australien haben die Vorarbeiten für das Square Kilometre Array (SKA) begonnen, einen Zusammenschuss von Radioteleskopen, die gemeinsam eine Antennenfläche von einem Quadratkilometer haben werden.

An beiden Projekten sind die deutschen und chinesischen Kosmologen beteiligt. „Diese Teleskope“, sagt Cheng Li, „werden uns endlich in die Lage versetzen, detailliert das Gas in nahen und weiter entfernten Galaxien zu untersuchen.“

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