Vermisste Materie gefunden

Röntgenmessungen lösen eines der großen Rätsel der Astrophysik. Von Martin Koch

Von Martin Koch

Nach dem Standardmodell der Kosmologie besteht unser Universum zu etwa 70 Prozent aus Dunkler Energie, von der Physiker annehmen, dass sie der Gravitation entgegenwirkt und so für die beschleunigte Expansion des Kosmos sorgt. Die physikalische Natur der Dunklen Energie ist jedoch ebenso unbekannt wie die der Dunklen Materie, deren Anteil im Universum bei rund 25 Prozent liegt. Das heißt, die gewöhnliche Materie, aus der Galaxien, Sterne, Planeten und vieles andere aufgebaut sind, macht nur etwa fünf Prozent aller Materie im Weltall aus. Diese Verteilung lässt sich aus der kosmischen Hintergrundstrahlung ableiten, die als »Echo des Urknalls« die physikalischen Verhältnisse kurz nach der Entstehung des Universums widerspiegelt.

Berechnungen haben ergeben, dass 380 000 Jahre nach dem Urknall die gewöhnliche Materie zu sieben Prozent in Sternen gebunden war. Der Rest verteilte sich gasförmig auf Galaxienhaufen, Galaxien und das intergalaktische Medium. Fachsprachlich wird die gewöhnliche Materie auch als baryonische Materie bezeichnet, da Protonen und Neutronen der Elementarteilchengruppe der sogenannten Baryonen zugeordnet werden. Mitte der 1990er Jahre machten sich Wissenschaftler erstmals daran, die gesamte baryonische Materie im Kosmos zu kartieren. Was sie dabei erfassten, waren jedoch nur rund 60 Prozent der erwarteten Menge. 40 Prozent blieben verborgen. »Die fehlende baryonische Materie ist eines der größten Rätsel in der modernen Astrophysik«, sagt Fabrizio Nicastro vom Nationalen Institut für Astrophysik in Rom. »Wir wissen, dass diese Materie dort draußen sein muss. Wir sehen sie im frühen Universum. Dann aber verschwindet sie. Wo ist sie hin?«

Schon seit Längerem wird vermutet, dass sich die fehlende Materie in sogenannten Filamenten »versteckt«. Das sind ausgedehnte, fadenförmige Verbindungen aus heißem Gas, welche die ansonsten leeren Räume zwischen den Galaxien überspannen. Doch dieses extrem verdünnte und auf Millionen Grad erhitzte Gas lässt sich nur sehr schwer nachweisen. Dennoch ist es einigen Forscherteams bis 2014 gelungen, rund 70 Prozent der vermissten gewöhnlichen Materie in Filamenten aufzuspüren. Bei der Suche nach den verbleibenden 30 Prozent richteten Nicastro und seine Kollegen den ESA-Röntgensatelliten »XMM-Newton« 18 Tage lang auf einen Quasar, der eine Milliarde Lichtjahre von der Erde entfernt ist. Als Quasar bezeichnet man den aktiven Kern einer Galaxie, der im sichtbaren Bereich des Lichts nahezu punktförmig erscheint und große Energiemengen auch in anderen Wellenlängenbereichen abgibt. Quasare sind die hellsten bekannten Objekte im Kosmos. Sie strahlen mit einer Leuchtkraft, die 100 Billionen Mal größer ist als die der Sonne.

Zwischen 2015 und 2017 analysierten die Forscher allerdings nicht das sichtbare, sondern das Röntgenlicht des anvisierten Quasars, das gigantische Räume zwischen den Galaxien überbrückt. Dabei könnte es mit dem darin vermuteten Gas wechselwirken. Das wäre ungefähr so, als würde man auf der Erde den Lichtstrahl eines fernen Leuchtturms nutzen, um den Nebel um ihn herum zu identifizieren. Normalerweise hätten Nicastro und seine Kollegen nach Quasar-Licht gefahndet, das von atomarem Wasserstoff absorbiert wurde. Denn Wasserstoff, das nur aus einem Proton und einem Elektron besteht, ist das mit Abstand am häufigsten vorkommende Element im Universum. Doch diese Möglichkeit blieb ihnen verschlossen, weil bei den extrem hohen Temperaturen im intergalaktischen Raum Wasserstoff ionisiert. Dadurch entsteht ein Plasma aus freien Protonen und Elektronen, das kein Licht absorbiert.

Die Forscher konzentrierten sich deshalb auf ein anderes Element: Sauerstoff. Zwar ist dieses in kosmischen Dimensionen weit weniger verbreitet als Wasserstoff. Dafür besitzt es aber acht Elektronen, die selbst bei extrem hohen Temperaturen nicht sämtlich vom Atomkern abgelöst werden können. Wie die Forscher im Fachblatt »Nature« (Bd. 558, S. 406) berichten, war ihr Bemühen von Erfolg gekrönt. »Wir konnten die Signatur von Sauerstoff in dem heißen intergalaktischen Gas zwischen uns und dem fernen Quasar nachweisen«, erklärt Nicastro. »Dort liegen enorme Materiereservoirs - und zwar in der erwarteten Menge, so dass wir die Lücke im Baryonen-Budget des Universums schließen können.« Mit anderen Worten: Die lange vermisste gewöhnliche bzw. baryonische Materie verbirgt sich in einem Millionen Grad heißen »Nebel«, der sich über Hunderttausende von Lichtjahren durch den intergalaktischen Raum erstreckt.

In den kommenden Jahren wollen die Forscher weitere Quasare beobachten, um ihre Ergebnisse zu erhärten. Für eine genaue Untersuchung des heißen Gases ist »XMM-Newton« allerdings nicht empfindlich genug. Ohnehin wird der Röntgensatellit Ende dieses Jahres die Arbeit einstellen. Doch für das Jahr 2028 plant die ESA den Start des weitaus leistungsstärkeren Röntgenteleskops »Athena«. Damit könnte die intergalaktische baryonische Materie mit der gewünschten Präzision untersucht werden.

Denn die neue Entdeckung wirft Fragen auf. Zum Beispiel: Wie gelangt die Materie von Sternen und Galaxien so weit hinaus in den intergalaktischen Raum? Offenbar laufen hier Prozesse ab, die im Detail bisher kaum verstanden sind. Für Physiker wie Norbert Schartel von der ESA ist das jedoch kein Malheur, sondern eine Herausforderung: »Jetzt, da wir die Baryonen endlich gefunden haben, können wir es kaum erwarten, sie näher zu erforschen.«