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Bei der Geburt des Universums ging es ziemlich heiss zu und her: Gleich nach dem Urknall, bei dem Zeit und Raum entstanden, herrschten im Baby-Kosmos Temperaturen von mehreren Milliarden Grad. Mit der unfassbar schnellen Ausdehnung des Alls sanken die Temperaturen, erste Atomkerne und dann Atome entstanden, die kosmische Hintergrundstrahlung wurde frei. Die Expansion des Alls verlangsamte sich dann, nahm später aber wieder zu. Vermutlich – so die gängige Theorie – wird sich das Universum immer weiter ausdehnen und dabei immer kühler werden, bis am Ende der Kältetod eintritt und der Kosmos komplett licht- und leblos ist.
Ganz gegen diesen Trend zur Abkühlung hat sich laut dem Befund einer neuen Studie die mittlere Temperatur grosser Strukturen im All in den letzten zehn Milliarden Jahren erhöht – und zwar um das Zehnfache. Heute liegt sie bei etwa zwei Millionen Grad Kelvin, wie die Astronomen um Yi-Kuan Chiang vom Zentrum für Kosmologie und Astroteilchenphysik der Universität Ohio in der Fachzeitschrift «Astrophysical Journal» schreiben.
Mit «grossen Strukturen» ist das kosmische Netz gemeint, in dem Galaxien und Galaxienhaufen angeordnet sind. Da die Materie im jungen Kosmos nicht vollkommen gleichmässig verteilt war, sondern zu Beginn winzige «Unebenheiten» aufwies, die durch die Gravitation massiv verstärkt wurden, konnte sich dieses Muster von Galaxien und Galaxienhaufen entwickeln. «Im Laufe der kosmischen Entwicklung zieht die Gravitation Dunkle Materie und Gas zusammen und bildet so Galaxien und Galaxienhaufen», erklärt Chiang. «Dieser Sog ist sehr stark – so stark, dass mehr und mehr Gas durch Schockwellen aufgeheizt wird.»
Um die Erwärmung des Universums durch diese schwerkraftbedingte Zusammenballung von Materie zu messen, nutzten die Wissenschaftler ein Phänomen, das als Sunjajew-Seldowitsch-Effekt bekannt ist. Dieser Effekt tritt auf, wenn Photonen der kosmischen Hintergrundstrahlung mit ihrer geringen Energie von energiereichen Elektronen aus dem heissen Gas in den Galaxienhaufen gestreut werden und dabei Energie von ihnen aufnehmen. Dies führt zu subtilen Signaturen in der kosmischen Hintergrundstrahlung, die durch das Gas und die Galaxien verursacht werden, dem Sunjajew-Seldowitsch-Effekt.
Dieser kann beispielsweise an den Messdaten des Mikrowellen-Weltraumteleskops der ESA namens Planck abgelesen werden – genau dies taten die Astronomen. Um die thermische Energiedichte des Alls zu ermitteln, benötigten sie jedoch noch die Information, wie weit die Strukturen entfernt sind. Dafür nutzten sie Daten zur Rotverschiebung des Planck-Teleskops, des Infrarotsatelliten IRAS und des Sloan Digital Sky Survey (SDSS). Mit diesen Datensätzen gelang es den Forschern, den thermischen Druck um Galaxien und Galaxienhaufen zu messen.
Berechnet wurden dabei nicht nur die Temperaturen von relativ nahen kosmischen Strukturen, sondern auch von solchen, die sich in enormer Entfernung – und daher von der Erde aus gesehen in der Vergangenheit – befinden. Der Blick reichte so bis zu zehn Milliarden Jahre zurück.
Vor etwa acht Milliarden Jahren, so das Ergebnis der Studie, betrug die mittlere Temperatur etwa 700'000 Kelvin, während sie heute bei zwei Millionen Grad liegt. Dieser Anstieg, berichten die Astronomen, beruhe nahezu vollständig auf dem Wachstum der grossräumigen Strukturen. Das Gas in den durch die Gravitation kollabierenden Galaxien und Galaxienhaufen werde durch Schocks aufgeheizt.
All dies hat mit der Klimaerwärmung auf unserem Planeten nichts zu tun, wie Chiang betont: «Diese Phänomene treten in sehr unterschiedlichen Massstäben auf. Sie sind überhaupt nicht miteinander verbunden.» (dhr)