Schnelle Radioblitze helfen Forschern, die fehlende Materie des Universums aufzuspüren

Schnelle Radioblitze werden zu einem neuen Werkzeug der kosmischen Buchführung

Seit Jahrzehnten stehen Astronomen vor einer hartnäckigen Diskrepanz in der Bestandsaufnahme des Universums. Berechnungen des frühen Kosmos legen nahe, dass gewöhnliche Materie, also die Atome, aus denen Sterne, Planeten, Gas und Menschen bestehen, einen deutlich größeren Anteil des sichtbaren Universums ausmachen müsste, als Teleskope heute direkt innerhalb von Galaxien und Sternen erfassen können. Am 21. Juli beschrieben Forschende eine neue Methode, um diesen fehlenden Anteil aufzuspüren, und nutzten dafür eines der kürzesten und energiereichsten Signale der Astronomie: schnelle Radioblitze.

Die Arbeit, geleitet von MIT-Wissenschaftlern im Rahmen der CHIME/FRB-Kollaboration und veröffentlicht in Physical Review Letters, nutzt die Art und Weise, wie Radioblitze beim Durchqueren des intergalaktischen Raums verzerrt werden. Das Ergebnis weist auf ein Bild hin, das viele Kosmologen schon lange vermutet, aber nur schwer mit direkten Belegen zu untermauern vermochten: Ein großer Teil der „fehlenden“ gewöhnlichen Materie des Universums scheint in diffusen Wolken um Galaxiengruppen verteilt zu sein und sich weiter auszudehnen als erwartet.

Was fehlte, war nicht die Materie selbst, sondern eine verlässliche Karte

Das Problem bestand nie darin, dass Wissenschaftler glaubten, Materie sei verschwunden. Vielmehr deuten Messungen des jungen Universums und späterer kosmischer Strukturen seit Langem darauf hin, dass außerhalb der hellen Strukturen, die die meisten Menschen mit dem Kosmos verbinden, eine erhebliche Menge gewöhnlicher Materie vorhanden sein müsste. Sterne und Galaxien enthalten nur einen Teil der erwarteten Gesamtmenge. Der Rest wurde als dünn im Gas zwischen und um Galaxien verteilt angenommen, was einen direkten Nachweis erschwert.

Hier werden schnelle Radioblitze, kurz FRBs, nützlich. Es handelt sich um ultrahelle Radiowellenblitze, die nur Millisekunden dauern und aus gewaltigen Ereignissen im fernen Universum stammen. Wenn ein FRB den Raum durchquert, wird sein Signal von dem Material beeinflusst, das es passiert. Im bereitgestellten Bericht wird das Signal als zeitlich „verschmiert“ beschrieben. Je mehr Materie entlang des Weges liegt, desto stärker ist diese Verschmierung, wenn der Blitz die Erde erreicht.

Dieser grundlegende Effekt gibt Astronomen die Möglichkeit, FRBs als Sonden für ansonsten schwer sichtbare Materie zu nutzen. Die Herausforderung besteht darin zu trennen, wie viel der Verzerrung von Materie innerhalb von Galaxien stammt und wie viel von diffusem Gas anderswo.

Eine neue Methode kombiniert Blitzdaten mit Galaxienpositionen

Das vom MIT geleitete Team ging dieses Problem statistisch an. Laut dem bereitgestellten Ausgangstext maßen die Forschenden die Verschmierung Tausender auf der Erde detektierter FRB-Signale und verglichen diese Messungen mit den Positionen von Galaxien im gesamten Universum. So konnten sie abschätzen, welcher Anteil der Verzerrung eines jeden Blitzes mit Materie in Verbindung stand, die Galaxien zugeordnet ist, und welcher Anteil auf anderes Material im umgebenden Raum zurückging.

Die Bedeutung dieses Schritts liegt nicht nur darin, dass er auf das Vorhandensein fehlender Materie hindeutet. Er hilft auch dabei, zu lokalisieren, wo sich diese Materie tendenziell ansammelt. Die Forschenden berichten, dass sich die gewöhnliche Materie in sehr diffusen Wolken um Galaxiengruppen konzentriert und dass sich diese Wolken weiter ausdehnen, als Wissenschaftler vorhergesagt hatten.

Praktisch bedeutet das, dass Galaxien einen viel größeren Raumbereich beeinflussen könnten, als ein einfaches Bild von Stern und Scheibe vermuten lässt. Materie ist nicht sauber auf die hellen Strukturen beschränkt, die in optischen Aufnahmen sichtbar sind. Stattdessen scheint ein erheblicher Anteil ausgedehnte, schwache Halos und Umgebungen zu besetzen, die schwerer direkt zu beobachten sind.

Warum das Ergebnis über ein einzelnes Buchführungsproblem hinaus wichtig ist

Studien zur fehlenden kosmischen Materie sind nicht bloß Buchhaltungsübungen. Wohin gewöhnliche Materie gelangt, ist mit der Entstehung, dem Wachstum und der Selbstregulierung von Galaxien verknüpft. Das im bereitgestellten Text zusammengefasste Ergebnis stützt die Vorstellung, dass Materie durch energiereiche Prozesse aus Galaxien herausgedrückt werden kann. Das ist wichtig, weil die Entwicklung von Galaxien von Zyklen aus Zufluss und Abfluss abhängt: Gas fällt ein, bildet Sterne und kann dann durch stellare Aktivität und andere energiereiche Ereignisse aufgeheizt oder ausgestoßen werden.

Wenn große Mengen gewöhnlicher Materie weit entfernt von Galaxien in dünnen Wolken liegen, beeinflusst das Modelle dafür, wie Galaxien den Brennstoff für zukünftige Sternentstehung behalten und wie sie Material mit ihrer Umgebung austauschen. Es prägt auch die Bemühungen, Beobachtungen des heutigen Universums mit den aus dem frühen Kosmos abgeleiteten Bedingungen zu verknüpfen.

Die Methode der Studie könnte ebenso bedeutsam sein wie das Ergebnis selbst. FRBs gelten seit Jahren als vielversprechende astrophysikalische Werkzeuge, doch die wachsende Zahl entdeckter Blitze macht aus diesem Versprechen nun etwas Systematischeres. Ein Datensatz von Tausenden Ereignissen erlaubt es Forschenden, über Anekdoten hinauszugehen und diese Signale als großskalige Sonde der kosmischen Struktur zu nutzen.

Das ist ein bemerkenswerter Wandel. Anstatt sich nur auf die hellsten oder außergewöhnlichsten Ereignisse zu stützen, können Astronomen beginnen, FRB-Populationen zu nutzen, um die Verteilung der Materie über enorme Entfernungen hinweg zu untersuchen. Mit wachsenden Detektionskatalogen sollte die Genauigkeit dieser Karten weiter steigen.

Was die Forschenden gefunden haben wollen

Der bereitgestellte Text zitiert den MIT-Graduierten Haochen Wang mit den Worten, dass dort, wo es mehr Galaxien gibt, im Allgemeinen auch mehr fehlende Materie um sie herum zu finden sei. Diese Formulierung ist wichtig, weil sie die verborgene Materie nicht mit isolierten Anomalien verknüpft, sondern mit der größeren Architektur des Universums. Die Materie ist nicht zufällig verstreut. Sie scheint den von Galaxien und Galaxiengruppen geschaffenen Umgebungen zu folgen.

Die Studie stützt damit das Bild, dass ein großer Teil des Budgets der gewöhnlichen Materie in den großen, schwachen Strukturen um sichtbare Galaxien liegt und nicht in den hellen galaktischen Bestandteilen selbst. Sie legt außerdem nahe, dass frühere Annahmen darüber, wie weit diese diffusen Wolken reichen, womöglich zu konservativ waren.

Ein kurzes Signal mit weitreichenden Folgen

Schnelle Radioblitze gehören weiterhin zu den faszinierendsten Phänomenen der modernen Astronomie, doch diese Arbeit zeigt, dass ihr Nutzen nicht auf das Verständnis der Blitze selbst beschränkt ist. Sie werden zu Instrumenten, mit denen sich das Universum auf eine Weise messen lässt, die herkömmliche Bildgebung nicht leisten kann. Indem Forschende jeden Blitz als Sonde des Raums behandeln, den er durchquert, können sie etwas über Materie lernen, die zu schwach und zu verstreut ist, um für sich genommen hervorzutreten.

Damit ist das neue Ergebnis mehr als nur ein eng gefasstes kosmologisches Update. Es ist ein Hinweis darauf, dass die Astronomie in eine Phase eintritt, in der flüchtige Radioausbrüche helfen können, eine der ältesten großskaligen Beobachtungslücken des Fachs zu schließen. Die fehlende gewöhnliche Materie war vielleicht gar nicht im wörtlichen Sinn fehlend. Sie wartete in diffusen, ausgedehnten Reservoirs um Galaxien herum, und schnelle Radioblitze helfen nun, sie sichtbar zu machen.

Dieser Artikel basiert auf der Berichterstattung von Phys.org. Den Originalartikel lesen.