Der größte Teil des Universums ist eine Leere, und die Leere wächst schnell

Die Leere zwischen Sternen und Galaxien macht 80 Prozent des Volumens des bekannten Universums aus. Dunkle Energie erweitert diese Hohlräume schnell.

Da draußen im tiefen Universum gibt es dunkle Orte, riesige Saharas mit einem Durchmesser von Hunderten Millionen Lichtjahren, leer bis auf ein verirrtes Wasserstoffatom oder ein bisschen Strahlung. Sie sind die kosmischen Hohlräume, und sie werden eines Tages so groß werden, dass sie das gesamte Universum verschlingen.

Um Leerstellen zu verstehen, müssen wir zunächst die richtige Perspektive haben. Und um das zu erreichen, müssen wir über das Sonnensystem hinaus, über die Milchstraße hinaus und sogar über alle Gruppen und Cluster hinaus, die unsere Nachbarschaft zum Universum bilden. Wir müssen so weit herauszoomen, dass ganze Galaxien – von denen jede Hunderte Millionen Sterne beherbergt – zu nichts weiter als winzigen Lichtpunkten werden.

Auf diesen wahrhaft kosmologischen Skalen sehen wir, wie eine erstaunliche Struktur entsteht. Galaxien in unserem Universum sind nicht willkürlich verstreut wie Salz, das auf den Tisch geschüttet wird; Stattdessen bilden sie das größte in der Natur vorkommende Muster. Wir sehen dichte Galaxienhaufen, die Tausende von Galaxien beherbergen, und lange, dünne Stränge, die diese Galaxienhaufen verbinden. Diese Stränge wirken wie lange Autobahnen zwischen den Galaxienhaufen, an denen sich Tausende von Galaxien entlangreihen. Und wir sehen, wie diese Stränge zu breiten, riesigen Mauern zusammengebunden sind.

Wir nennen diese Unermesslichkeit das „kosmische Netz“. Es besteht aus Galaxien, so wie unser Körper aus mikroskopisch kleinen Zellen besteht. Aber diese Metapher kann nur so weit gehen; Um ein maßstabsgetreues Modell des kosmischen Netzes zu erstellen, müssten Ihre Zellen eine Million Mal kleiner sein als sie sind.

Aber während die Lichter der Sterne und Galaxien des kosmischen Netzes hervorstechen, dienen diese Strukturen nur dazu, die Grenzen der wahren Herren des Kosmos festzulegen: die leeren Regionen zwischen ihnen. Diese erstmals Anfang der 1980er Jahre entdeckten kosmischen Hohlräume dominieren das Volumen des Universums. Mit anderen Worten, der größte Teil unseres Universums ist völlig, völlig leer.

Wenn Sie gründlich genug suchen, können Sie kleine, dunkle Zwerggalaxien finden, die in den Hohlräumen verstreut sind, und natürlich ist da noch die allgegenwärtige dünne Suppe aus Strahlung und Teilchen, die den Kosmos überschwemmt. Aber die Hohlräume sind ganz und gar leer, ohne jede sinnvolle Struktur oder Konzentration von Materie.

Die Samen der Leere wurden in den frühesten Augenblicken des Universums gepflanzt, bevor überhaupt die ersten Sterne und Galaxien auftauchten. Vor Milliarden von Jahren war die Materie in unserem Universum nahezu vollkommen einheitlich, ohne Unterschiede von Ort zu Ort. Aber es gab winzige, zufällige, mikroskopische Unterschiede. Nur ein Millionstel mehr Materie hier drüben oder ein Millionstel weniger Materie dort drüben.

Mit zunehmendem Alter unseres Universums wuchsen diese Unterschiede. Die Schwerkraft ist eine unglaublich schwache Kraft, aber sie ist sehr ausdauernd und äußerst geduldig. Die Regionen unseres Universums mit einem noch so geringen materiellen Vorteil hatten auch eine etwas stärkere Anziehungskraft. Dadurch wurde mehr Materie zu diesem Fleck gezogen und seine Umgebung entleert. Je mehr Materie sich ansammelte, desto stärker wurde die Anziehungskraft und die Umgebung entleerte sich noch mehr. Im Laufe von Hunderten von Millionen Jahren begann sich das kosmische Netz zu bilden: zunächst als kleine Klumpen, die sich als früheste Sterne entzündeten; Dann erschienen kleine Galaxien und verschmolzen miteinander, bevor sich die großen Galaxienhaufen, die Filamente und die Wände bildeten.

Und je reicher die Reichen wurden, desto ärmer wurden die Armen. Die Hohlräume waren zunächst kleine, sprudelnde Grübchen in einem ansonsten glatten und harmonischen Stoff. Aber als das kosmische Netz wuchs, wuchsen auch die Hohlräume, und ihre gesamte Materie strömte in die gravitative Umarmung großer, heller Strukturen. Heutzutage machen Hohlräume über 80 Prozent des Volumens des Universums aus, enthalten jedoch weniger als ein Zehntel seiner Gesamtmasse.

✅ Kosmische Hohlräume sind Löcher in der Materieverteilung im Universum, wie Löcher in Schweizer Käse oder Lücken in einem Spinnennetz. Sie sind leer von allem, einschließlich normaler und dunkler Materie.

Und diese Leere verleiht ihnen eine geheime Kraft. Ende der 1990er Jahre entdeckten zwei Astronomenteams, dass sich die Expansion des Universums beschleunigt; Unser Universum wird mit jedem Tag immer größer – immer schneller. Wir hatten erwartet, das Gegenteil zu beobachten: In einem expandierenden Universum sollte die Anziehungskraft der gesamten Materie im Kosmos diese Expansion sanft verlangsamen, nicht beschleunigen. Die beschleunigte Expansion wurde durch mehrere Experimente im letzten Vierteljahrhundert bestätigt und hat einen Namen: Wir nennen sie dunkle Energie.

Einfach ausgedrückt: Wir haben keine Ahnung, was dunkle Energie ist. Aber wir vermuten, dass diese mysteriöse Beschleunigung irgendwie eine Eigenschaft des Vakuums der Raumzeit selbst ist. Mit anderen Worten, dunkle Energie ist in das Gefüge des Kosmos eingebaut und sorgt dafür, dass sich die Expansion des Universums überall beschleunigt. Aber wir spüren diese Beschleunigung lokal nicht. Die Erde dehnt sich nicht aus, das Sonnensystem dehnt sich nicht aus, die Milchstraße dehnt sich nicht aus und nicht einmal unsere lokale kosmologische Umgebung dehnt sich aus.

Das liegt daran, dass unser lokaler Teil des Universums voller Dinge ist – Sterne, Gas, Staub, Menschen. All dieses Zeug hat eine Anziehungskraft und überwältigt die Auswirkungen der Beschleunigung der dunklen Energie völlig.

Aber nicht in den Leeren. Die Hohlräume sind leer. Das ist ihre Definition. Es gibt keine Sterne, kein Gas, keinen Staub und keine Menschen. In den Hohlräumen gibt es nichts, was den Auswirkungen der dunklen Energie entgegenwirken könnte. Und so wachsen die Lücken und ihre Ausdehnung beschleunigt sich. Sie drücken im wahrsten Sinne des Wortes auf die Filamente und Wände, die sie umgeben, und vertreiben in ihrem Streben nach unaufhörlicher Expansion die Materie von sich selbst.

In etwa 10 bis 20 Milliarden Jahren wird sich das kosmische Netz mit seiner Pracht aus Galaxien, Filamenten und Wänden auflösen. Erstens ziehen sich die Filamente auseinander, da die Hohlräume um sie herum sie verdrängen. Dann lösen sich die Wände auf. Die Cluster werden überleben, aber jeder wird zu einem Inseluniversum, praktisch allein in einer riesigen Fläche des Nichts.

Bevor es soweit ist, liegt jedoch noch viel Arbeit vor uns. Während dunkle Energie jeden Kubikzentimeter der Raumzeit durchdringt, zeigt sie sich nur in den Hohlräumen. Wenn wir also diese mysteriöse Kraft untersuchen wollen, die die Zukunft des Universums bestimmen wird, können wir nicht in das Innere der Galaxien oder Galaxienhaufen schauen. Ihre innere Schwerkraft ist einfach zu stark und wäscht den Einfluss der dunklen Energie weg. Stattdessen müssen wir in die Lücken schauen.

Die Hohlräume sind unser Schlüssel zum Verständnis der dunklen Energie. Ihr Wachstum im Laufe der kosmischen Zeit, ihre Formen, ihre Anzahl und alle ihre Eigenschaften verraten uns etwas über die Stärke und Geschichte der dunklen Energie. Wenn dunkle Energie eine andere Stärke oder eine andere Entwicklung hätte, würde sie zuerst in den Leeren auftauchen. Astrophysiker haben bereits damit begonnen, möglichst viele kosmische Hohlräume im Universum zu kartieren, um ihre Merkmale und Eigenschaften mit unseren theoretischen Schätzungen zu vergleichen. Die Forscher hoffen, dass diese großflächigen Untersuchungen die subtilen und kaum verstandenen Eigenschaften der Dunklen Energie aufdecken können.

Aber es gibt noch mehr. Die kosmischen Hohlräume sind die größten Zeitkapseln im Kosmos. In Milliarden von Jahren haben sie sich einfach nicht allzu sehr verändert. In Galaxien leben und sterben Sterne; Materie und Materie driften ab und verbinden sich neu. Die Galaxien sehen nicht wie ihr jüngeres Selbst aus. Aber vor Milliarden von Jahren waren die Hohlräume schlicht und leer. Und heute, Milliarden Jahre später, sind sie immer noch einfach und leer.

Die Antworten auf viele kosmologische Geheimnisse – die Natur der dunklen Energie, die Eigenschaften des alten Kosmos und mehr – liegen in den Leeren. Und so werden wir vielleicht unsere größten Erkenntnisse erst dann erlangen, wenn wir in den Abgrund blicken.

Paul M. Sutter ist Naturwissenschaftspädagoge und theoretischer Kosmologe am Institute for Advanced Computational Science der Stony Brook University und Autor von How to Die in Space: A Journey Through Dangerous Astrophysical Phenomena and Your Place in the Universe: Understanding Our Big, Chaotische Existenz. Sutter moderiert außerdem verschiedene Wissenschaftssendungen und ist in den sozialen Medien vertreten. Schauen Sie sich seinen Ask a Spaceman-Podcast und seine YouTube-Seite an.

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