Die allerersten Strukturen des Kosmos

In „Die Störung“ versuchen Forscher, mit Hilfe einer solaren Gravitationslinse einen Blick auf den Anfang des Universums zu werfen. Ob es ihnen gelingt, verrate ich hier nicht. Aber was sie zu sehen bekämen, das haben Physiker der Universitäten Göttingen und Auckland (Neuseeland) jetzt mit Hilfe von stark verbesserten Computersimulationen ermittelt. Die Wissenschaftler entdeckten dabei, dass sich bereits in der ersten Billionstelsekunde nach dem Urknall ein komplexes Netzwerk von Strukturen bilden kann. Aber es handelt sich nicht um irgendwelche zufälligen Strukturen: Das Verhalten dieser Objekte ahmt schon zu diesem frühen Zeitpunkt die Verteilung von Galaxien im heutigen Universum nach. Im Gegensatz zu heute sind diese primordialen Strukturen jedoch winzig. Typische Klumpen haben Massen von nur wenigen Gramm und sind viel kleiner als heutige Elementarteilchen.

Ebenso konnten die Forscher in ihren Simulationen die Entstehung von Regionen mit höherer Dichte beobachten, die durch ihre eigene Schwerkraft zusammengehalten werden. „Der physikalische Raum, den unsere Simulation darstellt, würde millionenfach in ein einzelnes Proton passen“, erklärt Professor Jens Niemeyer, Leiter der Arbeitsgruppe Astrophysikalische Kosmologie an der Universität Göttingen. „Es ist wahrscheinlich die größte Simulation des kleinsten Bereichs des Universums, die bisher durchgeführt wurde.“ Ihr Ziel ist es, noch genauere Vorhersagen für die Eigenschaften dieser Überreste aus den Anfängen des Universums berechnen zu können.


Obwohl die computersimulierten Strukturen sehr kurzlebig sind und sich schließlich in den bekannten Elementarteilchen auflösen, könnten Spuren davon in künftigen Experimenten nachweisbar sein. „Die Entstehung solcher Strukturen sowie ihre Bewegungen und Wechselwirkungen müssen ein Hintergrundrauschen von Gravitationswellen erzeugt haben“, sagt Benedikt Eggemeier, Doktorand in Niemeyers Gruppe und Erstautor der Studie. „Mit Hilfe unserer Simulationen können wir die Stärke dieses Gravitationswellensignals berechnen, das in Zukunft messbar sein könnte.“

Es ist auch denkbar, dass sich winzige Schwarze Löcher bilden, wenn diese Strukturen einen unaufhaltsamen Kollaps erleben. Diese primordialen Schwarzen Löcher könnten Teil der mysteriösen dunklen Materie im Universum sein oder in der Zwischenzeit gewachsen sein. Falls die Simulation jedoch Ergebnisse vorhersagt, die sich in der Praxis nicht finden lassen, wäre das ein Weg, um Modelle des jungen Universums zu testen.

Die Ergebnisse der Simulation zeigen das Wachstum von winzigen, extrem dichten Strukturen sehr bald nach der Inflationsphase des sehr frühen Universums. Zwischen dem Anfangs- und Endzustand in der Simulation (jeweils oben links und rechts) hat sich das gezeigte Gebiet auf das Zehnmillionenfache seines Anfangsvolumens ausgedehnt, ist aber immer noch um ein Vielfaches kleiner als das Innere eines Protons. Der vergrößerte Klumpen unten links hätte eine Masse von etwa 20 kg. (Bild: Jens Niemeyer, Universität Göttingen)

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BrandonQMorris
  • BrandonQMorris
  • Brandon Q. Morris, 54, ist Physiker und beschäftigt sich beruflich und privat schon lange mit den spannenden Phänomenen des Alls. So ist er für den redaktionellen Teil eines Weltraum-Magazins verantwortlich und hat mehrere populärwissenschaftliche Bücher über Weltraum-Themen geschrieben. Er wäre gern Astronaut geworden, musste aber aus verschiedenen Gründen auf der Erde bleiben. Ihn fasziniert besonders das „was wäre, wenn“. Sein Ehrgeiz ist es deshalb, spannende Science-Fiction-Geschichten zu erzählen, die genau so passieren könnten – und vielleicht auch irgendwann Realität werden.