Versorgt das kosmische Netzwerk Galaxien?

 Bei Untersuchungen von Sternspektren zeigte sich überraschend, dass die interstellare Materie in unserer Galaxis nicht durchmischt ist. Es gibt Bereiche, in denen die Zusammensetzung noch der ursprünglichen Menge an schweren Elementen entspricht. Die Astrophysikerin de Cia geht davon aus, dass das ursprüngliche Gas vom kosmischen Netzwerk in unsere Galaxis hineinfließt und dadurch die Durchmischung nicht abgeschlossen ist.

Bild 1: Kosmisches Netzwerk (ESA/NASA/Hallman)

Bild 2: Künstlerische Darstellung des  Eindringens kosmischer Materie in die Galaxis (M.A.Garlick)

Gasplaneten und Monde am Samstag

 Etwa eine Stunde nach den Venus/Mondaufnahmen war es ausreichend dunkel. Vom Dörnberg aus fotografierte ich noch Jupiter und Saturn, sowie die Jupitermonde mit dem 600 mm Tele.

Man vergleiche mit den letzten Posts um die Bewegungen von Jupiter zu erkennen.

Bild 1: Jupiter mit Monden, 20.22 Uhr

Bild 2: Weitwinkelaufnahme, 20.26 Uhr

Im Sturzflug ins Zentrum...

 Unser Kosmos ist aus einem Netzwerk aus Dunkler Materie und Galaxienhaufen aufgebaut. Galaxien sind Ansammlungen von Milliarden von Sternen. Meistens bilden diese Sternsysteme große Gruppen, sog. Galaxienhaufen, in denen Tausende von Galaxien zusammenstehen.

Zwischen diesen Galaxienhaufen laufen die Netzwerkstrukturen, längs denen oft auch ganze Galaxien auf einen Galaxienhaufen zufliegen. Dort verschmelzen sie mit anderen Galaxien und bilden immer größere Sternsysteme

Auf diese Art stehen Galaxien untereinander in Kontakt. Sie sind keine einsamen Welteninseln, wie man früher dachte, sondern stark wechselwirkende Bestandteile des Kosmos. Wir merken davon wenig, denn der Zeitmaßstab in der Entwicklung von Galaxien liegt im Bereich von Milliarden von Jahren.

 Das kosmische Netz aus Galaxien und Dunkler Materie (Simulation)

Wir wollen einmal ein aktuell erforschtes System näher kennenlernen.

Einer dieser Galaxienhaufen ist der Fornaxhaufen. Er heißt so, weil er im Sternbild Chemischer Ofen (Fornax) am Südhimmel steht. Er überdeckt am Himmel ein Gebiet, das 100 mal größer erscheint als der Vollmond.

Er enthält übert 600 Galaxien, von denen etwa 60 hell und leicht zu beobachten sind. Seine Entfernung liegt bei 40 Millionen Lichtjahren. In diesem geringen Abstand ist die Lichtlaufzeit von 40 Millionen Jahren auch gleich der Entfernung von 40 Millionen Lichtjahren. 

(Das kann man bei Lichtlaufzeiten von 12 Milliarden Jahren nicht mehr sagen. Da ist der Abstand deutlich größer als 12 Milliarden Lichtjahre, da der Kosmos sich ausdehnt während das Licht unterwegs ist).

Das Bild des Fornaxhaufens ist mit den Teleskopen der Europäischen Südsternwarte ESO in Chile aufgenommen:

Mit dem 4 m Teleskop auf Cerro Tololo (auch in Chile) wurde jetzt das Zentrum des Fornaxsystems näher untersucht.

Im Zentrum stehen zwei große elliptische Galaxien. Das sind weit entwickelte Sternsysteme mit wenig jungen Sternen und fast keinen Gas- und Staubwolken. 

Sie leuchten gelblich-rötlich, da das die Farbe vieler älterer Sterne ist.

Bild: NOIRLab
 

Unten links im Bild steht eine kleine unregelmäßig geformte Galaxie (NGC 1427A)  mit vielen bläulich leuchtenden  Bereichen. Diese bestehen aus jungen heißen Sternen.

Messungen haben gezeigt, dass NGC 1427A mit einer Geschwindigkeit von 2,2 Millionen km/h auf die beiden größeren Galaxien zufliegt, angetrieben durch die von diesen ausgehende Schwerkraft.

Auch die großen Galaxien fliegen aufeinander zu.

So wie ein Stein auf die Erde fällt, fällt NGC 1427 A in das Zentrum des Fornaxhaufens.

 

Wie man aus dieser aktuellen Beobachtung eine Einstiegsaufgabe für Mechanikunterricht gestalten kann, sieht man hier:

 https://newtonzueinstein.blogspot.com/

Mechanik in kosmischen Dimensionen 

Vom Anfang und Ende der Welt III: Die Geschichte eines Universums

 Vom Urknall zum Zerfall: Die Geschichte eines Universums

 Jedes individuelle Leben hat einen Anfang und ein Ende, das Leben an sich ist  auch begrenzt: Nur in einer bestimmten Entwicklungsphase des Kosmos kann es in dieser bekannten organischen Form existieren. Und, seit wenigen Jahrzehnten wird klar: Auch unser Kosmos als Ganzes ist nicht ewig. Er hat einen Anfang und er hat ein Ende, er wird  so wie er ist nur eine begrenzte (wenn auch verdammt lange) Zeit existieren.

"Carpe diem" - "Genieße den Tag" bekommt eine besondere Bedeutung!

Es ist Dein Tag, in Deiner Welt, in Deinem Universum.

Wie alles begann...

Vor knapp 14 Milliarden Jahren gab es chaotisch erscheinende Energiefluktuationen, teilweise gefüllt mit einer Art "Treibstoff", die man heute Inflaton-Feld nennt. Dieser Triebstoff bläht den Raum mit exponentiellem Wachstum auf. 

 

Übrigens: Eigentlich müsste es Inflations-Feld heißen, da es die Inflation, das exponentielle Aufblähen, erzeugt. In der ersten Veröffentlichung hat man aber das "i" vergessen...und dann blieb es bei Inflaton. 

 In 10^(-30)sec auf das 10^25-fache...aus einem Elementarteilchen großem Kosmos wird ein fußballgroßes Objekt.

Das exponentielle Wachstum zu Beginn ist wesentlich für ein schnelles Erreichen einer gewissen Größe, auch  eine befurchtete Eizelle liefert erst einmal exponentielles Wachstum: 2,4,8,16,32,64,...Zellen. Ein solches schnelles Wachstum unseres Universums erklärt auch viele gesicherte beobachtete Eigenschaften des  Kosmos.

Die Energiefluktuationen beim Übergang zu einer normalen Expansion frieren ein und liefern die Struktur des fertigen Universums. Wir sehen sie als Flecken 380 000 Jahre später im Urknallgas und heute als Galaxienhaufen in unserer Umgebung. 

 

In den ersten 3 Minuten bildet sich Helium durch die Fusion von Wasserstoff, ausreichend genug für die spätere Produktion von Kohlenstoff und anderen Elementen. Aber so wenig, dass noch genügend Wasserstoff übrig bleibt, denn nur er kann Sterne durch Fusion antreiben und zum Leuchten bringen.

Die Ausdehnung des Universums stoppt die Kernfusion also rechtzeitig.

Die Dunkle Materie hat die Struktur der Energiefluktuationen übernommen und zwingt die zur Fusion fähige normale Materie zu großen Anballungen, die wir später Galaxien nennen und die in Sterne "zerfallen".

Die erste Sternengeneration, etwa 300 Millionen Jahre nach dem Urknall, besteht aus massereichen Sternen, die sich in wenigen Millionen Jahren zu Supernovae entwickeln, explodieren und riesige Mengen an Kohlenstoff und schweren Elementen in den Kosmos blasen.

Aus einer Quantenwelt  der Möglichkeiten ist eine wahrnehmbare Welt der Fakten geworden.

 Die zweite Sternengeneration kann sich mit Planeten umgeben. Nur auf diesen kleinen kalten Himmelskörpern kann das inzwischen massenweise an Staubteilchen kondensierte organische Material eine Überlebenschance haben...ein Überleben zum Leben.

Es ist faszinierend, wie sich Aminosäuren je nach Umwelbedingungen zur Bildung von Proteinen organisieren und diese durch von der DNA und der Umwelt vorgegebenen Weisen zu bestimmten Ketten mit bestimmten Funktionen falten und anordnen. Die Moleküle machen dabei nichts besonderes, sie tun das, was sie unter diesen Bedingungen tun können und müssen.

Diese Proteine steuern dann chemische Prozesse und diese ermöglichen die Existenz von Zellen.

Zellen schließen sich zusammen und bilden komplexere Lebensformen.

Vor 2,7 Milliarden Jahren produziert die Photosynthese Sauerstoff, der aber sofort von Gesteinen absorbiert wird. Erst vor 540 Millionen Jahren ( das wäre auf unser  Leben bezogen im letzten Sommer gewesen...) sind die Gesteine mit Sauerstoff gesättigt. Es bildet sich eine Sauerstoffatmosphäre, Landtiere können sich entwickeln.

Zentrale Nervensysteme und Gehirne entwickeln sich. Die Wesen nehmen ihre Umgebung nicht nur wahr, sie gestalten sie, verändern sie und denken über sie nach.

Die Geschichte des modernen Menschen beginnt vor etwa 1 Millionen Jahren, das wäre bezogen auf unser Leben vor 20 Stunden!

Viele Lebewesen, nicht nur Menschen,  fangen an, auch über andere Wesen nachzudenken, empfinden sich als einzigartiges Individuum, in vielen Formen (auch in der Tierwelt) entsteht ein Selbstbewusstsein.

In seinem eigenen Ich konstruiert jedes Individuum eine eigene Welt, eine Welt, in der es lebt, fühlt und handelt.

 Wie alles endet...

Irgendwann in 4 Milliarden Jahren (wir haben gerade Halbzeit!) wird die Sonne zum Riesenstern und sie wird dann die Erde zum Glühen bringen.

Vielleicht sind unsere Nachfahren längst übergesiedelt, zum Mars, zu Jupitermonden oder sie leben in riesigen Raumstationen...aber vielleicht interessiert das auch Niemanden, weil niemand mehr da ist...

Seit 5 Milliarden Jahren expandiert der Kosmos schon beschleunigt. Nach unserer heutigen Vorstellung geht das in ein erneutes exponentielles Auseinandergehen über, das so heftig wird, dass alle Strukturen zerstört und ihre Wirkungen beendet werden.

Aber schon lange vorher wird der letzte Stern entstanden sein und aufgehört haben zu leuchten. Das für die Sternbildung zur Verfügung stehende Material ist aufgebraucht...

Es wird dunkel im Kosmos.

Eine interessante Zukunftsvision hat der israelische Physiker Ben-Naim.

Er geht davon aus, dass die Welt nicht von künstlicher Intelligenz erobert wird, sondern wir uns in künstliche Intelligenz umwandeln. Dadurch können wir den Kosmos besiedeln und alle Widrigkeiten überleben.

 

 

Vom Anfang und Ende der Welt II: Der Makrokosmos

 Vom Anfang und Ende der Welt: Elementarteilchen und Kosmologie

Aufbau des Makrokosmos

Die Bauteile des Universums sind die Galaxien...man schätzt neuerdings, dass es Billionen von Galaxien in unserem  Kosmos gibt.

 Zum Vergleich: Ein Mensch besteht aus etwa 100 Billionen Zellen, davon sind etwa 170 Milliarden im Gehirn. Unser Körper ist extrem komplex: Wenn die Zellen Galaxien wären, dann könnte man damit dutzende Universen versorgen...

Galaxien bilden übergeordnete Strukturen, sog. Galaxienhaufen, die an den Wänden netzwerkartiger Strukturen (ich vermeide jetzt zellartig zu sagen) angeordnet sind.

 Das Netzwerk ist durch Dunkle Materie erzeugt, die dafür gesorgt hat, dass sich die normale Materie längs dieser Strukturen ansammelt und Sterne und Galaxien bildet.

 

Simulation des Netzwerkes aus Dunkler Materie

  Seit relativ kurzer Zeit wissen wir, dass Galaxien keine isolierten Welteninseln sind (so wurden sie noch in meiner Jugend beschrieben), sondern Systeme, die über vielfältige Weise miteinander in Wechselwirkung stehen.

 

Galaxien können gegenseitig Sternbildung ermöglichen oder verhindern, sich also aktivieren oder deaktivieren (bezogen auf Sternbildung). 

Der Motor dieser Prozesse sind gigantische Schwarze Löcher von bis zu 4 Milliarden Sonnenmassen, so groß wie unser Planetensystem.

 Das Schwarze Loch in M87 mit Magnetfeldstrukturen

  Galaxien können auch verschmelzen, sich gegenseitig "auffressen", eher einverleiben. All das passiert in Zeitmaßstäben von über 100 Millionen Jahren. Für uns erscheint die Welt der Galaxien deshalb statisch. Sie ist es aber nicht...

 In Galaxien können bis zu 500 Milliarden Sternen sein, fast alle von ihnen besitzen eigene Planeten. 

Überall im Kosmos, auch in den Gasen aus denen neue Sterne und Planeten entstehen, finden wir organische Substanzen, auch Aminosäuren als Grundbausteine des (irdischen) Lebens.

Sie befinden sich im Eis von Kometen und gelangen so auf alle Planeten, auch auf die junge Erde.

 

 Leben ist ein kosmisches, kein irdisches Phänomen!

Es ist anzunehmen, dass im Kosmos Milliarden von Spezien von Lebensformen existieren. 

Da die Existenz einer Spezie zeitlich sehr begrenzt ist (wir Menschan arbeiten gerade an unserer Abwahl...), der Kosmos aber seit über 10 Milliarden  Jahren Leben beherbergen kann, ist es extrem unwahrscheinlich, dass wir in kosmischer Nähe zur Zeit weitere intelligent(ere) Lebensformen finden.

(Ich habe vor 25 Jahren mal als Journalist getarnt in der UFO-Szene recherchiert...ich wollte wissen was dran ist... Ganz klar und 100%ig: NIchts!).

Woraus besteht die Substanz unseres Kosmos?

 

Die normale (baryonische) Materie macht etwa 5% aus, das ist alles was aus Quarks und Elektronen zusammengesetzt ist. Nur die Hälfte davon ist in Form von Sternen und Planeten sichtbar, die andere Hälfte sind dunkle, stark verdünnte Gase zwischen Sternen und Galaxien.

27% besteht aus Dunkler Materie. Die macht nur Schwerkraft und hält die 5% zusammen..., denn nur baryonische Materie kann Strukturen bilden, die sich weiter entwickeln und eine Evolution durchlaufen.

 Damit diese Entwicklung in Gang kommt und gehalten wird, muss der Kosmos expandieren. Dazu braucht es eine besonderen Antrieb, den nennt man Dunkle Energie. Sie macht etwa 68% der Substanz des Kosmos aus.

Woraus Dunkle Materie besteht, erahnen wir und es gibt seit einigen Jahren Experimente, die sie wohl nachweisen (können, werden).

Über die Dunkle Energie ist uns nichts bekannt, außer dass sie da ist....und der Antrieb für alles ist.

Warum wir da sein können, Teil 5: Feinabstimmung der Naturkonstanten

 Die in den ersten Posts gebrachten Beispiele zeigen, wie fein auf die mögliche Existenz von Leben die Größen der Natur aufeinander abgestimmt sein müssen.

In diesem Post möchte ich noch einige Aspekte ergänzen:

Im letzten Post haben wir von den anfänglichen Dichtefluktuationen gesprochen, die weder zu groß noch zu klein gewesen sein durften.

Ein expandierendes Universum dünnt natürlich auch solche Schwankungen aus. Expandiert es zu schenll, dann können die Gravitationskräfte die Schwankungen nicht zu den heutigen Strukturen vergrößern.

Dehnt sich der Kosmos bei gegebenen Dichteschwankungen zu langsam aus, so könnte die Gravitation alles zusammenziehen.

Also auch die Expansion muss, bezogen auf die Stärke der Gravitation und die vorliegende Dichteverteilung, genau die richtige Stärke haben. 

Es liegt also eher ein ineinander vernetztes System von Abstimmungen vor.

Bleiben wir noch beim Kosmos als Ganzes.

Unser Kosmos hat drei Raumdimensionen und eine Zeitdimension.

Es ist naheliegend, dass ein zweidimensionaler Kosmos kaum komplexe Strukturen hervorbringen kann (gemeint sind hier räumliche Dimensionen).

In einem Kosmos mit vier räumlichen Dimensionen sind stabile Planetenbahnen nicht möglich. Das könnte bei der langatmigen Evolution von Leben auf Planeten hinderlich sein.

Man muss allerdings vorsichtig sein, denn man darf nicht davon ausgehen, dass in einem vierdimensionalen Raum die gleichen Bewegungsgesetze wie in unserem Universum gelten.

Einen, wie ich finde, erstaunlichen Aspekt der Feinabstimmung möchte ich im nächsten Post erläutern. Es geht um die Entstehung von Kohlenstoff.

Bild: NASA

Kosmisches Netzwerk nachgewiesen

 Nur etwa 5% unseres Kosmos besteht aus sog. baryonischer Materie, ist also aus Protonen, Neutronen und Elektronen zusammengesetzt. Davon sehen wir etwa die Hälfte in Form von Sternen, Galaxien und Planeten.

Die andere Hälfte dieser 5% ist nicht unmittelbar sichtbar.

Lange Zeit hat man vermutet, dass diese fehlende baryonische Materie in riesigen Filamenten zwischen Galaxien und Galaxienhaufen angeordnet ist, die letztlich das aus Dunkler Materie strukturierte kosmische Netzwerk bilden.

Nun ist es Forschenden um Thomas Reiprich vom Argelander Institut für Astronomie in Bonn gelungen, diese Beobachtungslücke zu schließen.

Eine 50 Millionen Lichtjahre lange fadenförmige Struktur aus heißem Gas, die Galaxien verbindet, konnte im Galaxienhaufensystem  Abell 3391/95 anhand der Röntgenstrahlung nachgewiesen werden. Das ist das bisher längste Filament der Netzwerkstruktur unseres Kosmos, das direkt beobachtet wude.

Die Messungen wurden mit dem eROSITA-Röntgenteleskop aus der Erdumlaufbahn heraus gemacht.

Äußerst spannend ist aber der Vergleich mit Simulationsrechnungen der kosmischen Entwicklung. Die Ähnlichkeit ist frappierend. Das spricht für ein tieferes Verständnis der Strukturbildung im Universum.

Wie ein Spinnennetz sind die Galaxien und Galaxienhaufen miteinander verbunden. Zusammengehalten wird es durch eine entsprechende Struktur aus Dunkler Materie.

Die folgenden Bilder, Animationen und Videos geben einen Eindruck von diesen aktuellen Beobachtungen (alle Reiprich, Astronomy&Astrophysics).

Bild 1: Aufnahme des Galaxienhaufensystems Abell 3391/95c im sichtbaren Licht

            In gelb sind die Konturen der Radiostrahlung überlagert

            Zusätzlich ist das Röntgenstrahlngsbild überlagert. Je dunkler dieser Bildteil, desto dichter ist                 die  Materie.

Bild 2: Röntgenbild des Haufensystems mit Angabe der Rotverschiebungen z der einzelnen Galaxien

Bild 3:  Animation aus der Simulation des Systems: Man erkennt, wie Materieklumpen entlang der                       Hauptfilamente einfallen und zu größeren Strkturen verschmelzen.

Bild 4: Vergleich der Simulation mit dem Röntgenbild des Haufensystems  (die großen Röntgenflecken sind keine einzelnen Galaxien)

Bild 5: Räumliche Animation der Galaxienverteilung zwischen z= 0,04  und z= 0,065. 

Hier und in der nächsten Darstellung ist das Röntgenbild im Hintergrund.

Bild 6 Räumliche Verteilung aller Galaxien mit z<0,15.

Bild 7: Darstellung der Filamente im Röntgenbereich (rot) und der hellen Radiogalaxien (weiß). Die Natur der Strukturen S1,S2 und S3 ist nicht bekannt.

Video: Zeitraffer einer Simulation der Ausdehnung von 50 Millionen Lichtjahren. Zwei Galaxienhaufen (rot, gelb) sind mit ihrer Verbindungsbrücke (blau) dargestellt. Sie verschmelzen in etwa 10 Milliarden Jahren (Autoren: Biffi, Dolag, LMU)

Bild 1: Optisch, Radio, Röntgen

Bild 2: Röntgenstrahlung mit Rotverschiebung

Bild 3: Verschmelzung von Gasklumpen

Bild 4: Vergleich Simulation-Beobachtung

Bild 5: Räumliche Verteilung der näheren Galaxien

Bild 6: Räumniche Verteilung alle Galaxien

Bild 7: Darstellung der Filamente