Das Universum mit seinen Milliarden von Galaxien weist eine komplexe Struktur auf, die Wissenschaftler seit Jahrzehnten fasziniert. Die Frage, ob diese Struktur fraktal ist, also in allen Maßstäben ähnlich, bleibt aktuell.
Das Universum beherbergt etwa 2 Billionen Galaxien, die in Gruppen, Haufen und Superhaufen organisiert sind. Diese Strukturen erstrecken sich über Millionen von Lichtjahren und bilden ein komplexes kosmisches Netz. Allerdings wiederholt sich diese Hierarchie von Strukturen nicht unendlich.
Ein Modell des kosmischen Netzes, das zeigt, wie leuchtende Galaxien dort zusammenballen, wo sich Gasfilamente treffen.
Bild: ESA / Springel et al., Virgo Consortium
Benoit Mandelbrot hat das Konzept der Fraktale Mitte des 20. Jahrhunderts populär gemacht. Ein Fraktal ist eine Struktur, die durch eine einzigartige mathematische Formel definiert ist und ihre Form in allen Maßstäben beibehält. Mandelbrot fragte sich, ob das Universum ein Fraktal sein könnte.
Fraktale sind in der Natur allgegenwärtig, von den Ästen eines Baumes bis zu den Konturen einer Schneeflocke. Mandelbrot untersuchte, ob das Universum beim Herauszoomen wiederholende Strukturen offenbart. Tatsächlich beobachten wir eine Hierarchie von Strukturen in verschiedenen Maßstäben.
Allerdings hat diese Hierarchie eine Grenze. Auf einer Skala von etwa 300 Millionen Lichtjahren wird das Universum homogen, ohne größere Strukturen. Somit ist das Universum kein Fraktal, obwohl Teile des kosmischen Netzes fraktale Eigenschaften aufweisen.
Die Halos aus dunkler Materie, die Galaxien und ihre Haufen beherbergen, bilden verschachtelte Strukturen mit Sub-Halos und Sub-Sub-Halos. Ebenso sind die Leerräume des Universums nicht völlig leer, sondern enthalten einige Zwerggalaxien, die in einer subtilen Version des kosmischen Netzes angeordnet sind.
Obwohl das Universum als Ganzes kein Fraktal ist, sind fraktale Eigenschaften in seinen komplexen Strukturen allgegenwärtig. Computersimulationen zeigen Sub-Leerräume, die ihre eigenen kosmischen Netze enthalten, und offenbaren so den Reichtum und die Komplexität des Universums.
Was ist ein Fraktal?
Ein Fraktal ist eine geometrische Figur oder eine natürliche Struktur, die in allen Maßstäben eine komplexe und detaillierte Struktur aufweist. Das Konzept wurde von Benoit Mandelbrot populär gemacht, der zeigte, wie diese Formen in der Natur vorkommen, von Küstenlinien bis zu Pflanzenstrukturen.
Fraktale werden durch mathematische Formeln definiert, die sich wiederholende Muster erzeugen. Diese Muster sind selbstähnlich, was bedeutet, dass sie ihr Aussehen unabhängig vom Maßstab beibehalten, in dem sie betrachtet werden.
Im kosmologischen Kontext wurden Fraktale als mögliches Modell für die Struktur des Universums betrachtet. Allerdings zeigen Beobachtungen, dass das Universum in großen Maßstäben homogen wird, was die Anwendbarkeit des Fraktalmodells auf das gesamte Kosmos einschränkt.
Und was ist mit der dunklen Materie?
Die dunkle Materie spielt eine entscheidende Rolle bei der Bildung und Entwicklung kosmischer Strukturen. Unsichtbar und nicht strahlend, übt sie eine gravitative Anziehungskraft aus, die die Verteilung von Galaxien und Galaxienhaufen prägt.
Die Halos aus dunkler Materie, riesige Wolken dieser noch mysteriösen Substanz, umgeben Galaxien und ihre Haufen. Diese Halos enthalten Unterstrukturen wie Sub-Halos, die kleinere Galaxien beherbergen.
Computersimulationen zeigen, dass dunkle Materie ein komplexes kosmisches Netz mit Filamenten und Leerräumen bildet. Dieses Netz beeinflusst die Verteilung der sichtbaren Materie, wie Sterne und Galaxien, und spielt eine Schlüsselrolle in der großräumigen Struktur des Universums.
Quelle: Phys.org