Die Zusammensetzung des Universums

Das Universum ist ein riesiger und faszinierender Ort. Wenn Astronomen überlegen, woraus es besteht, können sie am direktesten auf die Milliarden von Galaxien verweisen, die es enthält. Jeder von ihnen hat Millionen oder Milliarden oder sogar Billionen Sterne. Viele dieser Sterne haben Planeten. Es gibt auch Wolken aus Gas und Staub. 

Zwischen den Galaxien, wo es scheinbar nur sehr wenig "Zeug" gibt, existieren an einigen Stellen Wolken heißer Gase, während andere Regionen fast leere Hohlräume sind. All das ist Material, das erkannt werden kann. Wie schwierig kann es also sein, mit Radio-, Infrarot- und Röntgenastronomie in den Kosmos zu schauen und die Menge der Lichtmasse (das Material, das wir sehen können) im Universum mit angemessener Genauigkeit abzuschätzen?

Kosmisches "Zeug" entdecken

Jetzt, da Astronomen über hochempfindliche Detektoren verfügen, machen sie große Fortschritte bei der Ermittlung der Masse des Universums und dessen Zusammensetzung. Aber das ist nicht das Problem. Die Antworten, die sie bekommen, ergeben keinen Sinn. Ist ihre Methode, die Masse zu addieren, falsch (nicht wahrscheinlich) oder gibt es da draußen noch etwas anderes? etwas anderes, das sie nicht können sehen? Um die Schwierigkeiten zu verstehen, ist es wichtig, die Masse des Universums zu verstehen und wie Astronomen es messen.

Messung der kosmischen Masse

Einer der besten Beweise für die Masse des Universums ist der sogenannte kosmische Mikrowellenhintergrund (CMB). Es ist keine physische "Barriere" oder ähnliches. Stattdessen ist es ein Zustand des frühen Universums, der mit Mikrowellendetektoren gemessen werden kann. Der CMB stammt aus der Zeit kurz nach dem Urknall und ist eigentlich die Hintergrundtemperatur des Universums. Stellen Sie sich das als Wärme vor, die im gesamten Kosmos gleichermaßen aus allen Richtungen wahrgenommen werden kann. Es ist nicht genau wie die Hitze, die von der Sonne kommt oder von einem Planeten ausstrahlt. Stattdessen ist es eine sehr niedrige Temperatur, die bei 2,7 Grad K gemessen wird. Wenn Astronomen diese Temperatur messen, sehen sie kleine, aber wichtige Schwankungen, die sich über diese Hintergrund- "Hitze" ausbreiten. Die Tatsache, dass es existiert, bedeutet jedoch, dass das Universum im Wesentlichen "flach" ist. Das heißt, es wird sich für immer ausdehnen.

Was bedeutet diese Flachheit, um die Masse des Universums herauszufinden? Angesichts der gemessenen Größe des Universums bedeutet dies im Wesentlichen, dass genügend Masse und Energie vorhanden sein muss, um es "flach" zu machen. Das Problem? Nun, wenn Astronomen die gesamte "normale" Materie (wie Sterne und Galaxien plus das Gas im Universum) addieren, sind das nur etwa 5% der kritischen Dichte, die ein flaches Universum benötigt, um flach zu bleiben.

Das bedeutet, dass 95 Prozent des Universums noch nicht entdeckt wurden. Es ist da, aber was ist es? Wo ist es? Wissenschaftler sagen, dass es als dunkle Materie und dunkle Energie existiert. 

Die Zusammensetzung des Universums

Die Masse, die wir sehen können, heißt "baryonische" Materie. Es sind die Planeten, Galaxien, Gaswolken und Haufen. Die Masse, die nicht zu sehen ist, heißt Dunkle Materie. Es gibt auch Energie (Licht), die gemessen werden kann; Interessanterweise gibt es auch die sogenannte "dunkle Energie". und niemand hat eine sehr gute Vorstellung davon, was das ist. 

Also, was macht das Universum aus und in welchen Prozentsätzen? Hier ist eine Aufschlüsselung der aktuellen Massenanteile im Universum.

Schwere Elemente im Kosmos

Erstens gibt es die schweren Elemente. Sie machen ca. 0,03% des Universums aus. Fast eine halbe Milliarde Jahre nach der Geburt des Universums existierten nur Wasserstoff und Helium. Sie sind nicht schwer.

Nachdem jedoch Sterne geboren wurden, lebten und starben, begann das Universum mit Elementen zu säen, die schwerer als Wasserstoff und Helium waren und in den Sternen "gekocht" wurden. Das passiert, wenn Sterne Wasserstoff (oder andere Elemente) in ihren Kernen verschmelzen. Stardeath verbreitet all diese Elemente durch planetarische Nebel oder Supernova-Explosionen in den Weltraum. Sobald sie in den Weltraum zerstreut sind. Sie sind das wichtigste Material für den Bau der nächsten Generationen von Sternen und Planeten. 

Dies ist jedoch ein langsamer Prozess. Selbst fast 14 Milliarden Jahre nach seiner Entstehung besteht der einzige kleine Teil der Masse des Universums aus Elementen, die schwerer als Helium sind.

Neutrinos

Neutrinos sind ebenfalls Teil des Universums, obwohl nur etwa 0,3 Prozent davon. Diese entstehen während des Kernfusionsprozesses in den Kernen der Sterne, Neutrinos sind nahezu masselose Teilchen, die sich mit nahezu Lichtgeschwindigkeit fortbewegen. In Verbindung mit ihrer Ladungslosigkeit führen ihre winzigen Massen dazu, dass sie mit der Masse nur dann leicht interagieren, wenn sie direkt auf einen Kern einwirken. Die Messung von Neutrinos ist keine leichte Aufgabe. Aber es hat Wissenschaftlern ermöglicht, gute Schätzungen der Kernfusionsraten unserer Sonne und anderer Sterne sowie eine Schätzung der gesamten Neutrinopopulation im Universum zu erhalten.

Sterne

Wenn Sterngucker in den Nachthimmel schauen, ist das meiste, was man sieht, ein Stern. Sie machen etwa 0,4 Prozent des Universums aus. Wenn Menschen jedoch das sichtbare Licht betrachten, das sogar von anderen Galaxien kommt, sind die meisten Dinge, die sie sehen, Sterne. Es scheint seltsam, dass sie nur einen kleinen Teil des Universums ausmachen. 

Gase

Was gibt es also mehr als Sterne und Neutrinos? Es stellt sich heraus, dass Gase mit vier Prozent einen viel größeren Teil des Kosmos ausmachen. Sie belegen normalerweise den Raum zwischen Sterne und in diesem Fall der Raum zwischen ganzen Galaxien. Interstellares Gas, das meist nur aus freiem elementarem Wasserstoff und Helium besteht, macht den größten Teil der Masse im Universum aus, die direkt gemessen werden kann. Diese Gase werden mit Geräten nachgewiesen, die für die Wellenlängen von Radio, Infrarot und Röntgenstrahlung empfindlich sind.

Dunkle Materie

Das zweithäufigste "Zeug" des Universums ist etwas, das niemand anders entdeckt hat. Dennoch macht es ungefähr 22 Prozent des Universums aus. Wissenschaftler, die die Bewegung (Rotation) von Galaxien sowie die Wechselwirkung von Galaxien in Galaxienhaufen untersuchten, stellten fest, dass das gesamte vorhandene Gas und der Staub nicht ausreichen, um das Erscheinungsbild und die Bewegungen von Galaxien zu erklären. Es stellt sich heraus, dass 80 Prozent der Masse in diesen Galaxien "dunkel" sein müssen. Das heißt, es ist in nicht nachweisbar irgendein Wellenlänge des Lichts, Radio durch Gammastrahlung. Deshalb wird dieses "Zeug" "dunkle Materie" genannt. 

Die Identität dieser mysteriösen Masse? Unbekannt. Der beste Kandidat ist die kalte dunkle Materie, von der theoretisch angenommen wird, dass sie einem Neutrino ähnelt, jedoch eine viel größere Masse aufweist. Es wird angenommen, dass diese Partikel, die oft als schwach wechselwirkende massive Partikel (WIMPs) bekannt sind, aus thermischen Wechselwirkungen in frühen Galaxienformationen entstanden sind. Bisher war es uns jedoch nicht möglich, dunkle Materie direkt oder indirekt zu detektieren oder in einem Labor zu erzeugen.

Dunkle Energie

Die am häufigsten vorkommende Masse des Universums sind weder dunkle Materie noch Sterne oder Galaxien oder Gas- und Staubwolken. Es ist etwas, das "dunkle Energie" genannt wird und 73 Prozent des Universums ausmacht. Tatsächlich ist dunkle Energie (wahrscheinlich) überhaupt nicht massiv. Das macht die Kategorisierung von "Masse" etwas verwirrend. Also, was ist es? Möglicherweise ist es eine sehr seltsame Eigenschaft der Raum-Zeit selbst, oder vielleicht sogar ein ungeklärtes (bisheriges) Energiefeld, das das gesamte Universum durchdringt. Oder es ist keines dieser Dinge. Niemand weiß. Nur die Zeit und viele, viele weitere Daten werden es zeigen.

Bearbeitet und aktualisiert von Carolyn Collins Petersen.