Eine der drängendsten Fragen der Kosmologie lautet: „Wie viel Materie gibt es im Universum?“ Einem internationalen Wissenschaftlerteam ist es nun zum zweiten Mal gelungen, die Gesamtmenge der Materie zu messen. Das Team berichtet im Astrophysical Journal, dass es festgestellt hat, dass Materie 31 Prozent der gesamten Materie und Energie im Universum ausmacht, während dunkle Energie den Rest ausmacht.

Erstautor Dr. Mohammed Abdullah, ein Forscher am Ägyptischen Nationalen Institut für Astronomie und Geophysik an der Chiba-Universität in Japan, erklärte: „Kosmologen glauben, dass nur etwa 20 % der gesamten Materie aus konventioneller Materie oder ‚Baryonen‘-Materie besteht, zu der Sterne, Galaxien, Atome und Leben gehören.“ Ungefähr 80 % bestehen aus Dunkler Materie, deren mysteriöse Eigenschaften noch nicht verstanden sind, aber möglicherweise aus einigen noch unentdeckten subatomaren Teilchen bestehen. (siehe Bild). "

„Das Team verwendete eine bewährte Technik, um die Gesamtmenge an Materie im Universum zu bestimmen, indem es die beobachtete Anzahl und Masse von Galaxienhaufen pro Volumeneinheit mit Vorhersagen aus numerischen Simulationen verglich“, sagte Co-Autorin Gillian Wilson, Abdullahs ehemalige Graduiertenberaterin, Professorin für Physik und Vizekanzlerin für Forschung, Innovation und wirtschaftliche Entwicklung an der UC Merced. „Die Anzahl der derzeit beobachteten Sternhaufen, die sogenannte ‚Haufenhäufigkeit‘, hängt sehr empfindlich von kosmologischen Bedingungen ab, insbesondere von der Menge an Materie.“

Abbildung 1. Wie Goldlöckchen verglich das Team die gemessene Anzahl von Galaxienhaufen mit Vorhersagen aus numerischen Simulationen, um festzustellen, welche Antwort „genau richtig“ war. Quelle: Mohamed Abdullah (Nationales Institut für Astronomie und Geophysik, Ägypten/Chiba-Universität, Japan)

Anatoly Klypin von der University of Virginia sagte: „Je höher der Anteil der gesamten Materie im Universum ist, desto mehr Sternhaufen werden gebildet. Es ist jedoch schwierig, die Masse eines Galaxienhaufens genau zu messen, da der Großteil der Materie dunkle Materie ist, die wir mit Teleskopen nicht direkt sehen können.“

Um diese Schwierigkeit zu überwinden, musste das Team einen indirekten Tracker für die Massen von Galaxienhaufen verwenden. Sie beruhen auf der Tatsache, dass massereichere Sternhaufen mehr Galaxien enthalten als weniger massereiche Sternhaufen (Mass Richness Relation: MRR). Da Galaxien aus leuchtenden Sternen bestehen, kann die Anzahl der Galaxien in jedem Cluster indirekt zur Bestimmung seiner Gesamtmasse verwendet werden. Durch die Messung der Anzahl der Galaxien in jedem Cluster in der Sloan Digital Sky Survey-Stichprobe konnte das Team die Gesamtmasse jedes Clusters abschätzen. Anschließend verglichen sie die beobachtete Anzahl und Masse der Galaxienhaufen pro Volumeneinheit mit denen, die durch numerische Simulationen vorhergesagt wurden.

Die beste Übereinstimmung zwischen den Beobachtungsergebnissen und den Simulationsergebnissen besteht darin, dass das Universum aus 31 % der gesamten Materie besteht. Dieser Wert stimmt gut mit den Beobachtungen des Planck-Satelliten über den kosmischen Mikrowellenhintergrund (CMB) überein. Es ist erwähnenswert, dass CMB eine völlig eigenständige Technologie ist.

Validierung und Technologie

Tomoaki Ishiyama von der Chiba-Universität sagte: „Wir haben die Dichte von Materie zum ersten Mal erfolgreich mithilfe von MRR gemessen, was in guter Übereinstimmung mit den Ergebnissen des Planck-Teams mithilfe der CMB-Methode ist. Diese Arbeit zeigt weiter, dass die Clusterhäufigkeit eine konkurrenzfähige Technik zur Einschränkung kosmologischer Parameter ist und eine Ergänzung zu Nicht-Cluster-Techniken wie CMB-Anisotropie, akustischen Baryonenoszillationen, Typ-Ia-Supernovae oder Gravitationslinsen ist.“

Das Team ist davon überzeugt, dass ihre Ergebnisse die ersten sind, bei denen die Spektroskopie – eine Technik, die Strahlung in einzelne Bänder oder Farben des Spektrums aufteilt – erfolgreich eingesetzt wird, um die Entfernung zu jedem Cluster und den echten Mitgliedsgalaxien, die gravitativ an den Cluster gebunden sind, genau zu bestimmen, anstatt Hintergrund- oder Vordergrundablenker entlang der Sichtlinie. Frühere Studien, die versucht haben, MRR-Techniken zu verwenden, stützten sich auf viel gröbere und weniger präzise Bildgebungstechniken, wie beispielsweise die Verwendung von bei bestimmten Wellenlängen aufgenommenen Himmelsfotos, um die Entfernung jedes Clusters zu seinen eigentlichen Mitgliedsgalaxien zu bestimmen.

Schlussfolgerungen und zukünftige Anwendungen

Das am 13. September im Astrophysical Journal veröffentlichte Papier zeigt nicht nur, dass die MRR-Technologie ein leistungsstarkes Werkzeug zur Bestimmung kosmologischer Parameter ist, sondern erklärt auch, wie sie auf neue Datensätze angewendet werden kann, die aus Groß-, Weitfeld- und Tieffeld-Bildgebungs- und spektroskopischen Galaxienuntersuchungen gewonnen werden, wie sie beispielsweise vom Subaru Telescope, dem Dark Energy Survey, dem Dark Energy Spectrograph, dem Euclid Telescope, dem eROSITA Telescope und dem James Webb Space Telescope durchgeführt werden.