Kosmologie: Wie Spuren des frühen Universums seine Expansion erhellen

Die Kosmologie erforscht den Ursprung, die Entwicklung und die Beschaffenheit des Universums. Die NASA weist darauf hin, dass Entdeckungen im 20. Jahrhundert dieses Fachgebiet verändert haben, obwohl es über den Kosmos noch immer Unbekanntes gibt. Um seine Geschichte zu rekonstruieren, vergleichen Forschende Beobachtungen aus unterschiedlichen Epochen und untersuchen unter anderem die Expansion und die Entstehung von Strukturen.

Ein grundlegendes Signal ist die kosmische Mikrowellenhintergrundstrahlung (CMB, nach der englischen Abkürzung), die die NASA als das älteste Licht beschreibt, das wir im Universum beobachten können. Ein anderer Ansatz besteht darin, zu messen, wie sich Galaxien über große Entfernungen hinweg gruppieren. Es handelt sich um unterschiedliche Aufzeichnungen: Die CMB weist Temperaturschwankungen auf, und die Galaxienverteilung zeigt die großräumige kosmische Struktur.

Die Spur akustischer Wellen

Im frühen Universum bildeten Materie und Licht ein heißes, dichtes Plasma. Laut dem Glossar der NASA herrschte in Gebieten mit einer höheren Konzentration von Licht und Materie ein größerer Druck. Dadurch breiteten sich Schallwellen nach außen aus und rissen gewöhnliche, also baryonische Materie mit. Als das Universum so weit abgekühlt war, dass sich das Licht frei ausbreiten konnte, entstand die kosmische Mikrowellenhintergrundstrahlung.

Die mit diesen Wellen verbundene Materiebewegung erzeugte kugelförmige Schalen mit einer erhöhten Dichte. Die NASA erklärt, dass sich baryonische akustische Oszillationen (BAO, nach der englischen Abkürzung) in den Temperaturschwankungen der CMB widerspiegeln und heute eine schwache Spur in der Galaxienverteilung hinterlassen. Das Glossar beschreibt dieses Signal als einen kleinen Überschuss an Galaxienpaaren mit einem Abstand von etwa 500 Millionen Lichtjahren; die Quelle gibt hier nicht an, welche Entfernungsdefinition verwendet wird.

Die Skala dieser Merkmale dient als „Standardlineal“. Indem Astronominnen und Astronomen sie in der Galaxienverteilung messen, können sie laut NASA die Expansionsrate des Universums untersuchen und Erkenntnisse über die Dunkle Energie gewinnen. Eine Spur des frühen Universums bietet somit ein Werkzeug zur Erforschung der kosmischen Entwicklung.

Baryonische Materie und die Zusammensetzung des Universums

Das NASA-Glossar verwendet den Begriff baryonische Materie in der Astronomie für gewöhnliche Materie, aus der unter anderem Atome, Menschen, Planeten, Sterne und Galaxien bestehen. Laut dieser Quelle macht sie 4,9 % der Masse-Energie des Universums aus. Der Prozentwert und die Formulierung „Masse-Energie“ sind hier so wiedergegeben, wie das Glossar sie angibt.

Euclid: Galaxien im großen Maßstab kartieren

Die ESA konzipierte Euclid, um die Zusammensetzung und Entwicklung des sogenannten dunklen Universums anhand der kosmischen Struktur zu erforschen. Die Mission wird Milliarden von Galaxien in Entfernungen von bis zu 10.000 Millionen Lichtjahren über mehr als ein Drittel des Himmels beobachten und eine umfassende dreidimensionale Karte des Universums erstellen. Die ESA gibt an, dass Euclid am 1. Juli 2023 gestartet wurde und den zweiten Lagrange-Punkt des Sonne-Erde-Systems in 1,5 Millionen Kilometern Entfernung von der Erde ansteuert.

Anhand dieser Karte wird Euclid untersuchen, wie sich das Universum ausgedehnt und wie sich seine Strukturen im Verlauf der kosmischen Geschichte gebildet haben. Die ESA zufolge werden die Beobachtungen dazu beitragen, die Rolle der Schwerkraft sowie die Beschaffenheit der Dunklen Materie und der Dunklen Energie zu erforschen. Die Mission wird diesen Fragen mit Beobachtungen von Galaxien und der großräumigen Struktur nachgehen.

Die kosmische Mikrowellenhintergrundstrahlung und Galaxienkarten liefern einander ergänzende Aufzeichnungen. Die Temperaturschwankungen der CMB bewahren Informationen über das frühe Universum; das BAO-Signal in der Galaxienverteilung ermöglicht es, mithilfe einer bekannten Skala die Expansion zu untersuchen. Euclid wird die Beobachtungen dieser Struktur im Raum und über die kosmische Geschichte hinweg erweitern.