Der Urknall by Hans-Joachim Blome;Harald Zaun;

Autor:Hans-Joachim Blome;Harald Zaun;
Die sprache: deu
Format: epub
ISBN: 9783406726750
Herausgeber: Verlag C.H. Beck

3. Ursprung der Galaxien

Wegen der Abkopplung spürt die Materie jetzt verstärkt die Gravitationskraft, die von diesem Zeitpunkt an für deren zukünftige Dynamik und Organisation bestimmend wird. Der Kosmos tritt hiermit endgültig in das so genannte Materie-Zeitalter ein, also in die Ära der Bildung und der Existenz langlebiger Strukturen, die wir schließlich heute als Sterne, Galaxien oder Galaxienhaufen in den unterschiedlichen Erscheinungsformen beobachten.

Die Entstehung der Galaxien und der Galaxienhaufen ist verknüpft mit der Formierung der großräumigen Struktur des Kosmos, der netzartigen Anordnung von Haufen von Galaxien in Filamenten und Leerräumen. Die Keime für diese Strukturen liegen möglicherweise bereits in der sehr frühen Entwicklungsphase des Kosmos. Diese könnten sich in der Planck-Epoche als Quantenfluktuationen der Metrik herangebildet haben oder als sich die starke von der elektroschwachen Wechselwirkung infolge Symmetriebrechung trennte, zur Zeit der Inflation. Die Quantenfluktuationen sind die Vorläufer der späteren Inhomogenitäten in der Dichte nichtbaryonischer und baryonischer Materie. Das Spektrum der Dichteinhomogenitäten wird in der Strahlungsepoche profiliert und wirkt auch auf die Strahlung zurück. Daher ergibt sich die Möglichkeit, aus den beobachteten Fluktuationen der kosmologischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung etwas über die Anfangsbedingungen der Galaxienentstehung zu erfahren. Tatsächlich zeigen die Beobachtungen von COBE, WMAP etc. Temperaturfluktuationen. Bei einer mittleren Temperatur von 2.7 Kelvin beträgt der Temperaturunterschied auf der Winkelskala um 70 lediglich bei ΔT/T ≈ 10−5.

Die Richtungsunabhängigkeit (Isotropie) der Mikrowellen-Hintergrundstrahlung spiegelt die hohe Gleichförmigkeit des kosmischen Substrats zur Zeit der Entkopplung – des «Aufklarens» – wider. Nur in der Größenordnung von einem Hunderttausendstel (ΔT = 10−5 Kelvin) liegen die relativen Abweichungen in der Temperatur zwischen verschiedenen Punkten an der Himmelssphäre. Das ist einerseits eine Bestätigung der Hypothese des Kosmologischen Prinzips, andererseits die Quelle für ein neues Problem, da die Temperaturschwankungen eine strenge Anfangsbedingung für die Größenordnung der Inhomogenitäten der baryonischen Materie erzwingen, was die Wurzel des Problems der Entstehung von Galaxien ist. In einem rein baryonischen Universum sind solche Anfangsfluktuationen zu klein, um mithilfe der Gravitation zur heute beobachteten klumpigen Materieverteilung, also den Galaxien und Galaxienhaufen, anzuwachsen. Lassen wir jedoch Dunkle, nichtbaryonische Materie zu, so reichten sie gerade etwa aus. Falls also die heutige Materieverteilung durch gravitative Instabilität aus kleinen Anfangsfluktuationen entstanden ist, so war, mit ziemlicher Sicherheit, nichtbaryonische Dunkle Materie dazu nötig. Dies wollen wir etwas weiter ausführen. Das Gravitationspotential kleiner Fluktuationen in der Materiedichte kann in einem expandierenden Universum nicht anwachsen. Auf großen Winkelskalen können die Anisotropien in der Temperatur des Mikrowellenhintergrundes direkt mit dem Gravitationspotential in Verbindung gebracht werden und ergeben deshalb Maß für die Anfangsfluktuationen. Dichtefluktuationen der Materie wachsen an, sobald die Materiedichte den Strahlungsdruck überwiegt. Zusätzliche Dunkle Materie hilft, indem sie diesen Zeitpunkt weiter zurückverlegt und damit den Materiefluktuationen mehr Zeit zum Anwachsen gibt. Nichtbaryonische Dunkle Materie (WIMPS) koppelt nicht an Strahlung, weshalb ihre Fluktuationen im Mikrowellenhintergrund nicht sichtbar sind. Sobald Strahlung und Baryonen entkoppeln, fallen diese ins Gravitationspotential der Dunklen Materie. Damit kann nichtbaryonische Dunkle Materie die Strukturbildung wesentlich beschleunigen.

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