Folge 158: Baryonische akustische Oszillationen

Folge 158: Baryonische akustische Oszillationen.

Unser Universum ist groß. Sehr groß. Der beobachtbare Kosmos erstreckt sich über jede Vorstellungskraft hinaus. Es ist schwer vorstellbar, dass die Himmelskörper in diesem riesigen Universum auch über große Distanzen miteinander in Verbindung stehen beziehungsweise Strukturen und Phänomene existieren, die den ganzen Kosmos beeinflusst haben. Aber das ist der Fall und die baryonisch akustischen Oszillationen sind ein wunderbares Beispiel dafür.

Um zu verstehen, worum es sich dabei handelt, müssen wir ganz zurück zum Anfang gehen. Fast ganz zurück zumindest, in die Zeit kurz nach dem Urknall und der Entstehung des Universums vor 13,8 Milliarden Jahren. Damals war das Universum noch ganz anders als es sich uns heute präsentiert. Es war enorm heiß, die Materie war enorm dicht und es gab vor allem keine strukturierten Himmelskörper. Es gab keine Sterne, Planeten oder Galaxien. Es gab noch nicht einmal vernünftige Atome!

Dafür war es viel zu heiß. Ein normales Atom besteht aus einem Kern, der aus Neutronen und Protonen zusammengesetzt ist und einer Hülle, die aus Elektronen besteht. Die hohen Temperaturen im frühen Universum sorgten aber dafür, dass sich die Teilchen viel zu schnell bewegten, um zueinander zu finden. Die Elektronen konnten sich nicht an die Atomkerne binden und alles sauste frei und wild durcheinander. Neben den Teilchen war der Kosmos auch noch mit Licht erfüllt; es gab also auch jede Menge Lichtteilchen, die Photonen.

Aber auch die konnten nirgendwo hin. Dafür war das Universum noch zu klein und die Materie zu dicht aneinander gedrängt. Die Photonen stießen ständig mit den Elektronen zusammen und konnten sich nicht ausbreiten. Das Universum war quasi undurchsichtig.

Es war aber nicht überall völlig gleich. Auch im frühen Universum gab es Regionen in denen sich ein bisschen mehr Materie angesammelt hatte als anderswo. Der Grund dafür waren die Vorgänge unmittelbar beim bzw. direkt nach dem Urknall. Als das Universum noch so winzig wie ein Elementarteilchen war, sorgten Quanteneffekte dafür, dass es nie ruhig blieb sondern alles ständig fluktuierte. Dann folgte die Phase der kosmischen Inflationen bei der sich der Kosmos schlagartig während einer unvorstellbar kurzen Zeit unvorstellbar stark ausdehnte. Wie das genau abgelaufen ist, habe ich in den Folgen 69 und 70 der Sternengeschichten erzählt. Aber auch jeden Fall wurden die winzigen Quantenfluktuationen des gerade geborenen Universums durch die Inflation auf kosmologische Ausmaße vergrößert und es gab nun eben Regionen in denen sich ein bisschen mehr Materie befand und Regionen, in denen man weniger Materie finden konnte als anderswo.

Diese Unterschiede in der Dichte sind der Ausgangspunkt für die Entstehung der baryonisch akustischen Oszillationen. Stellen wir uns ein Gebiet vor, in dem die Materie ein klein wenig dichter aneinander gedrängt ist als anderswo. Diese Region übt auf ihre Umgebung auch eine etwas höhere gravitative Anziehungskraft aus und Materie strömt von außen in sie hinein. Gleichzeitig herrscht in diesem Licht-Teilchen-Gemisch aber auch nach außen gerichteter Druck der von den vielen Photonen stammt, die dort mit den Elektronen wechselwirken. Die Gravitationskraft drückt also quasi nach innen; die Kraft der Strahlung drückt nach außen. Und zwar um so stärker, je mehr Materie sich dort ansammelt und je größer dadurch die Temperatur wird.

Dieses Wechselspiel zwischen den beiden Kräften erzeugt Oszillationen. Der Druck treibt die Materie, die von der Gravitation nach innen gezogen wurde nun wieder nach außen. Allerdings nur die sogenannte “baryonische” Materie. So bezeichnet man die für uns normale Materie, also alles das, was keine dunkle Materie ist. Die wird, wie ich in Folge 25 der Sternengeschichten erzählt habe, ja nur durch Gravitation beeinflusst, aber nicht vom Strahlungsdruck des Lichts. Die dunkle Materie verbleibt also in den Zentren der Regionen höherer Dichte, die normale baryonische Materie wird dagegen durch den Druck nach außen getrieben. Die Wellen, die sich hier ausbreiten, sind im Wesentlichen Schallwellen. Das leere Vakuum mit dem wir das Universum heute immer in Verbindung bringen gab es damals noch nicht; die Materie war noch überall und die Dichtewellen die sich darin ausgebreitet haben verhielten sich so wie Schallwellen in der Luft, die ja auch nichts anderes sind, als Dichtewellen, die die Luft auf bestimmte Art und Weise komprimieren bzw. zum Schwingen bringen.

Weil es sich also um Schallwellen handelt, die die baryonische Materie betreffen hat dieses Phänomen den Namen “Baryonische akustische Oszillationen” bekommen. Dahinter steckt aber noch viel mehr als ein bisschen Bewegung in der Materie des frühen Universums! Die baryonisch akustischen Oszillationen sind ein enorm wichtiges Instrument für die Erforschung der Vorgänge in der Frühzeit des Kosmos.

Stellen wir uns so eine Dichtewelle vor, die sich im Universum ausbreitet. Eine Verdichtung in der Materie breitet sich kugelförmig vom Zentrum der ursprünglichen Region höherer Dichte aus. Das kann diese Dichtewelle aber nicht beliebig lange machen. Denn knapp 380.000 Jahre nach dem Urknall fand die sogenannte “Rekombination” statt. Von Anfang an hat sich das Universum ausgedehnt und je größer es wurde, desto kühler wurde es auch. Nach 380.000 Jahren war es so kühl, dass die Elektronen und die Atomkerne langsam genug waren, um sich endlich aneinander zu binden. Die ersten echten Atome konnten entstehen und die Elektronen waren nun nicht mehr andauernd dem Licht im Weg.

Erst jetzt konnte es sich frei und ungehindert ausbreiten; das Universum wurde durchsichtig! Die damals überall freiwerdende Strahlung können wir teilweise auch heute noch beobachten; es handelt sich dabei um die “kosmische Hintergrundstrahlung” über die ich in Folge 66 der Sternengeschichten mehr erzählt habe. Vor allem aber wurde durch die Expansion des Kosmos auch die Materie immer weniger dicht; die Schallgeschwindigkeit wurde immer geringer und zum Zeitpunkt der Rekombination fiel sie fast ganz auf Null zurück. Die Dichtewelle blieb nun also stehen, die kugelförmige Schale höherer Dichte breitete sich nicht mehr aus sondern blieb dort, wo sie zu diesem Zeitpunkt angekommen war.

Aus den kosmologischen Modellen mit denen wir die Entwicklung des Universums nach dem Urknall beschreiben kann man auch ausrechnen, wie weit die Dichtewelle in den knapp 380.000 Jahren gekommen ist: Ungefähr 500 Millionen Lichtjahre weit!

Aus der ursprünglichen Region höherer Dichte wurde nun also eine Kugelschale mit einem Radius von 500 Millionen Lichtjahre in der die Materie etwas dichter ist als anderswo und in deren Zentrum die übrig gebliebene dunkle Materie ebenfalls eine Region erhöhter Dichte formt.

Das ist natürlich nicht nur ein einziges Mal passiert, sondern viele Male überall dort wo im jungen Universum Gegenden mit einer höheren Dichte vorhanden waren. Das, was durch die baryonisch akustischen Oszillationen entstanden ist, kann man am besten mit vielen Steinen vergleichen, die man in einen See wirft. Jeder Stein erzeugt Wellen die sich ausbreiten und auf die Wellen treffen, die von den anderen Steinen produziert werden.

Nur das es im Universum keine Wasserwellen waren, sondern Verdichtungen in der Materie. Verdichtungen, die das Grundgerüst gebildet haben, um das herum sich der ganze Kosmos gebildet hat so wie wir ihn heute beobachten. Die Bereiche, in denen sich die Materie verdichtet hatte, haben auch einen höhere Anziehungskraft auf die restliche Materie ausgeübt. Dort strömte also immer mehr Material hin; dort bildeten sich die ersten Sterne und die ersten Galaxien.

Wenn das alles wirklich so abgelaufen ist, müsste man also sehen können, dass die Galaxien nicht einfach irgendwie im Universum verteilt sind, sondern eine Art Muster bilden, das aus den vielen von den baryonisch akustischen Oszillationen erzeugten und sich überlagerten Dichtewellen entstanden ist. Mit einem simplen Blick zum Himmel kann man das natürlich nicht überprüfen. Aber man kann Positionen und Entfernungen von sehr vielen Galaxien messen und dann aus diesen Daten die sogenannte “Korrelationsfunktion” berechnen.

Dazu bestimmt man alle Abstände zwischen allen Galaxien und sieht nach, ob diese Werte zufällig verteilt sind oder nicht. Wenn die Galaxien ohne irgendeine besondere Struktur im Universum positioniert sind, dann sollte man alle möglichen Abstände finden. Manche sind nah beieinander; manche weiter weg voneinander. Wenn aber die baryonisch akustischen Oszillationen tatsächlich eine Art Wellenmuster in der Galaxienverteilung verursacht haben sollte, müssten bestimmte Abstände zwischen Galaxien häufiger auftreten als andere. Wenn die Galaxien sich alle auf Kugelschalen mit einem Radius von 500 Millionen Lichtjahren gebildet haben, muss sich das bei der Verteilung der Abstände bemerkbar machen.

Und genau das hat man auch bemerkt, als man im Jahr 2005 fast eine Million Galaxien entsprechend analysierte. Die baryonisch akustischen Oszillationen haben stattgefunden und die grundlegende Struktur unseres Universums geprägt. Uns ist dadurch ein standardisiertes Lineal in die Hand gegeben, mit dem sich nicht nur Abstände auf kosmischen Größenskalen messen sondern auch Phänomene wie dunkle Energie und dunkle Materie besser verstehen lassen.