Fehlende kosmische Materie aufgespürt

Heißes Gas in Filamenten verrät sich durch Absorption im Röntgenbereich

Zwanzig Jahre dauerte die Suche, jetzt endlich wurde ein internationales Forscherteam fündig: Ein wesentlicher Teil der normalen „baryonischen“ Materie verbirgt sich in Form von heißem Gas mit Temperaturen von 100.000 bis 10 Millionen Kelvin in filamentförmigen Strukturen zwischen den Galaxien. Das zeigen Beobachtungen mit dem europäischen Röntgensatelliten XMM-Newton: Das heiße Gas verrät sich, weil es einen Teil der Strahlung weit entfernter Quasare absorbiert, wie die Wissenschaftler im Fachblatt „Nature“ berichten.

„Wir wissen seit Jahrzehnten, dass die beobachtete Menge an baryonischer Materie im lokalen Universum 30 bis 40 Prozent geringer ist, als es die Theorie und die Beobachtungen der kosmischen Hintergrundstrahlung voraussagen“, beschreiben Fabrizio Nicastro vom Nationalen Institut für Astrophysik in Italien und seine Kollegen das Dilemma. Dieses Problem der „fehlende Materie“ darf nicht mit der geheimnisvollen „Dunklen Materie“ verwechselt werden. Gemäß dem durch viele Beobachtungen abgesicherten Standardmodell besteht unser Kosmos zu etwa 70 Prozent aus Dunkler Energie, zu 25 Prozent aus Dunkler Materie und lediglich zu 5 Prozent aus normaler, von den Physikern als „baryonisch“ bezeichneten Materie, die in Form von Gaswolken, Galaxien, Sternen, Planeten und auch Lebewesen in Erscheinung tritt.

Doch wenn die Astronomen alle beobachtbaren Formen der normalen Materie zusammenzählen, kommen sie lediglich auf knapp zwei Prozent – wo also verbirgt sich der Rest? Computersimulationen der kosmischen Entwicklung deuten seit langem eine Lösung an: Die fehlende baryonische Materie verbirgt sich als heißes Gas außerhalb von Galaxien, bevorzugt in so genannten Filamenten, welche die großen Galaxien-Ansammlungen verbinden. Doch ein Nachweis des heißen Gases erwies sich bislang als schwierig – es besteht hauptsächlich aus Wasserstoff, dass bei diesen Temperaturen nahezu unsichtbar ist.

Nicastro und seine Kollegen haben in den Jahren 2015 bis 2017 für insgesamt 18 Tage einen vier Milliarden Lichtjahre entfernten Quasar mit XMM-Newton beobachtet – das ist die bislang längste Beobachtungszeit für ein solches Objekt im Röntgenbereich. Die Mühe hat sich gelohnt: Die Astrophysiker identifizierten im Röntgenspektrum feine Absorptionslinien hoch ionisierten Sauerstoffs. Im Gegensatz zum Wasserstoff verrät sich diese geringe Beimengung in dem heißen Gas, in dem sie einen Teil der Strahlung des Quasars verschluckt.

Die räumliche Lage des absorbierenden Gases und die Stärke der Absorption decken sich nach Aussage der Forscher mit den Vorhersagen numerischer Simulationen der kosmischen Entwicklung. „Wir ziehen deshalb den Schluss, dass wir die fehlende baryonische Materie gefunden haben“, so Nicastro und seine Kollegen. Die Forscher wollen in den kommenden Jahren weitere Quasare mit ihrem Verfahren beobachten, um zu beweisen, dass ihr Befund kein Einzelfall ist, sondern universell gilt. Für eine genaue Untersuchung der Verteilung und der physikalischen Beschaffenheit des heißen Gases ist XMM-Newton allerdings nicht empfindlich genug. Doch für das Jahr 2028 plant die europäische Raumfahrtbehörde Esa den Start des noch empfindlicheren Röntgenteleskops Athena. Damit, so hoffen die Astrophysiker, lässt sich dann die Entwicklung des intergalaktischen Gases detailliert beobachten.

Bildquelle: ESA / F. Nicastro et al. / R. Cen

Autor: Rainer KayserE-Mail: Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein!