Sonnenuntergang in Kassel (Lara Bendig)

Dienstag, 1. Januar 2019

Die Entstehung aus dem Nichts: 10) Das Wachsen von Strukturen

Wenn der Kosmos einen heißen Anfang hat, dann muss die resultierende Strahlung ("Wärmestrahlung") nachweisbar sein. Durch die Expansion haben sich  alle Wellenlängen vergrößert und wir finden sie im Mikrowellenbereich, bekannt als 3 K Strahlung.

Sie ist entstanden, als  380 000 Jahren nach dem Urknall das Urgas durchsichtig wurde. Es hatte sich auf etwa 3000 Grad abgekühlt und die ersten elektrisch neutralen Atome (Wasserstoff, Deuterium, Helium) konnten sich bilden.

Freie Elektronen können Strahlung jeglicher Wellenlänge absorbieren, Atome sind außer für wenige Wellenlängen durchsichtig.

Beim "Abkoppeln" der Photonen von der Materie hat sich die Struktur, unter der die Materie angeordnet war, den Photonen aufgeprägt: Wir sehen sie als "Fleckenteppich" in der Mikrowellenstrahluung des Himmelshintergrundes.

Es ist extrem schwierig, dieses Muster zu erkennen. Die Strahlung hat eine Temperatur von 2,7 Grad, die Schwankungen liegen im Bereich Mikrograd! Sie werden als Dichtefluktuationen im Gemisch aus Photonen und Plasma zum Zeitpunkt 380 000 Jahre aufgefasst.

Man sieht in diesem "Babyfoto" des Kosmos großräumige Strukturen und viele Schwingungen mit Ausdehnungen am Himmel unter einem Grad. Aus den Amplituden und Frequenzen der Strukturen ("Leistungsspektrum") kann man alle Parameter unseres Kosmos berechnen, u.a. auch die Menge an sichtbarer Materie, Dunkler Materie und Dunkler Energie.

Uns interessieren hier aber andere Aspekte:

Damit sich solche Strukturen schon innerhalb von 380 000 Jahren bilden können, muss es einmal am Anfang Keimzellen für die Strukturen und dann die verstärkende Wirkung der Dunklen Materie gegeben haben.

Aus den Strukturen des Mikrowellenhintergrundes haben sich dann Galaxien und Galaxienhaufen entwickelt. Auch dazu ist die verstärkende Wirkung der Dunklen Materie wichtig.

In der Verteilung der Galaxien heute findet man dieses Muster aus der Mikrowellendstrahlung wieder. Und weiter: Computer-Modellrechnungen können die heutige Verteilung der Galaxien(haufen) aus dem Anfangsmuster rekonstruieren. In den aus den Simulationen erzeugten Bildern erkennt man ein Netzwerk aus Dunkler Materie, das unseren Kosmos durchzieht.

Der Antrieb für die Ausformung der Strukturen aus der Anfangsverteilung über die Wirkung der Dunklen Materie kommt durch die von der Dunklen Energie verursachten Ausdehnung des Kosmos.

Bleibt nur zu klären, wo kommt die Anfangsstruktur her?

 Im nächsten Plot kommen wir wieder zu den Vakuumfluktuationen und zur kosmischen Inflation.


Planck-Satellit: Strukturen im Mikrowellenhintergrund

Verteilung der Galaxien im heutigen Kosmos (SDSS)
BOOMERANG: Mikrowellenstrukturen am Südpolhimmel


Simulation Illustris TNG

Simulation Illustris TNG
Millenium-Simulation

Strukturentwicklung: 380 000 Jahre (Beobachtung) über Simulationen zur heutigen Struktur (WMAP)