Große astronomische Gebilde wie Galaxien oder Galaxienhaufen treten im Weltraum nicht zufällig auf, sondern sind Teil einer größeren Struktur: Sie befinden sich in großen Ansammlungen aus Dunkler Materie, den Halos. Diese Halos wiederum befinden sich in den sogenannten Filamenten, die wie Fäden unser Universum durchziehen. Dazwischen sind riesige Leerräume, im Fachjargon heißen sie Voids. Diese grundlegende Struktur des Universums kennt man aus Beobachtungen mit Teleskopen, aber auch dank kosmologischer Simulationen, die unter anderem dort zum Einsatz kommen, wo die astronomische Beobachtung ihre Grenzen hat. Und an die kommt die Wissenschaft, wenn sie sich mit der sogenannten Dunklen Materie beschäftigt. „Dunkle Materie kann man – im Gegensatz zur Normalen Materie – mit Teleskopen nicht direkt sehen. Dass sie existiert, weiß man aufgrund ihrer gravitativen Wirkung“, erklärt Markus Haider vom Institut für Astrophysik ein Problem der astronomischen Beobachtung. Messungen zeigen, dass ca. fünf mal soviel Masse in der Dunklen Materie wie in normaler Materie steckt. Daher ist es auch die Dunkle Materie, die aufgrund ihrer Gravitation die großräumige Struktur unseres Universums vorgibt.
Von dieser großräumigen Struktur handelt auch die aktuelle Untersuchung von Markus Haider: Basierend auf Daten aus der in Harvard und Heidelberg durchgeführten Illustris-Simulation ist der Astrophysiker der Frage nachgegangen, wie sich die Massenverteilung im Universum seit seiner Entstehung entwickelt hat. Vermessen hat der Nachwuchswissenschaftler ein ziemlich großes Modelluniversum: „Die Simulation modelliert die Entwicklung eines Würfels mit einer Kantenlänge von 350 Millionen Lichtjahren. In diesen Würfel gibt man dann Testteilchen für Normale und Dunkle Materie, programmiert die physikalischen Gesetze dazu und simuliert so die Entstehung von Galaxien über Milliarden Jahre hinweg“, umreißt Haider die Funktionsweise der Simulation.
Voids sind möglicherweise gar nicht leer
Markus Haider hat anhand der Illustris-Daten untersucht, wie sich die Dunkle und die Normale Materie auf Galaxien, Filamente und Voids verteilen. Dabei hat er herausgefunden, dass rund 50 Prozent der Dunklen Materie, aber nur 21 Prozent der Normalen Materie sich in den Galaxien und den dazugehörigen Halos befinden. Interessant ist auch, dass die Galaxien nur 0,2 Prozent des Volumens unseres Universums ausmachen. Auf die Filamente verteilen sich weitere 45 Prozent der Dunklen und Normalen Materie. Eine Überraschung war, dass die Voids gar nicht so leer sind wie angenommen. Die Simulation zeigt, dass knapp 30 Prozent der Normalen Materie innerhalb der Voids liegt, während nur 6 Prozent der Dunklen Materie sich in diesen Hohlräumen befindet. Der Großteil der Normalen Materie innerhalb der Voids ist in der Simulation aus den Galaxien dorthin geschleudert worden. Der Grund dafür sind die supermassiven schwarzen Löcher die im Zentrum von Galaxien sitzen. Diese schwarzen Löcher können enorme Mengen an Energie an das umgebende Gas abgeben und regulieren damit auch das Wachstum der Galaxien. „Es ist aber schwierig, diesen Effekt in den Simulationen exakt wiederzugeben, und die Ergebnisse hängen von dem gewählten Modell für das Feedback der Schwarzen Löcher ab. Das in Illustris gewählte Modell ist wohl etwas zu stark“, räumt Haider ein. „Es werden also vermutlich etwas weniger als 30 Prozent sein. Aber auch mit einem schwächeren Modell wird man möglicherweise immer noch 10 Prozent der Normalen Materie in Voids finden“, so Haider. Es wäre aber vermutlich schwierig, diese vermutete Masse in den Voids zu detektieren. „Da fast 80 Prozent des Volumens unseres Universums aus Voids bestehen, ist die Materiedichte dort sehr gering“, verdeutlicht Haider.
Dieses Ergebnis ist auch insofern interessant, als dass nicht genau bekannt ist, wie die Masse im Universum verteilt ist. Aus Messungen im frühen Universum weiß man recht genau wie viel Normale Materie sich in unserem Universum befinden sollte. In den Beobachtungen findet man aber nur ca. 70 Prozent dieser Masse. Die Tatsache, dass man den Rest bisher nicht detektieren konnte ist auch als „Missing-Baryon-Problem“ bekannt. „Wir könnten also zumindest einen Teil der Lösung für das sogenannte Missing-Baryon-Problem gefunden haben“, zeigt sich Markus Haider optimistisch. Neue, verbesserte Simulationen werden zeigen ob dieses Ergebnis zumindest theoretisch bestätigt werden kann.