Rund die Hälfte der gewöhnlichen Materie im Universum galt lange als verschollen. Mit Radioblitzen aus fernen Galaxien haben Forschende diese fehlende Materie nun aufgespürt und erstmals im Detail vermessen. Der größte Teil steckt demnach nicht in Sternen oder Galaxien, sondern als dünnes, heißes Gas im Raum dazwischen. Damit klärt sich eines der hartnäckigsten Rätsel der Kosmologie.
Wenn Astronomen die sichtbaren Sterne, Planeten und Gaswolken zusammenzählen, kommt erstaunlich wenig heraus. Nur ein Bruchteil der gewöhnlichen Materie, die es im Universum geben müsste, lässt sich auf diese Weise finden. Genau hier setzen Radioblitze an, kurze und extrem helle Signale aus fernen Galaxien. Die gewöhnliche Materie, fachlich baryonische Materie genannt, besteht aus Protonen und Neutronen und bildet alles, was aus Atomen aufgebaut ist. Sie ist streng zu trennen von der Dunklen Materie, die weit mehr zur Gesamtmasse beiträgt, aber unsichtbar bleibt. Über Jahrzehnte fehlte rund die Hälfte der baryonischen Materie in den Bilanzen der Fachleute. Die neuen Messungen lösen dieses Defizit nun auf.
Vorgelegt hat die Arbeit ein Team des Center for Astrophysics von Harvard und der Smithsonian Institution gemeinsam mit dem California Institute of Technology. Geleitet wurde sie von dem Astrophysiker Liam Connor, der einen großen Teil der Auswertung am Caltech durchführte, zusammen mit dem Mitautor Vikram Ravi. Die Grundidee klingt einfach, ist aber technisch anspruchsvoll. Auf ihrem Weg durch den Kosmos durchqueren die Radiosignale das dünne Gas zwischen den Galaxien. Dieses Gas bremst die verschiedenen Wellenlängen des Signals unterschiedlich stark ab. Aus dieser messbaren Verzögerung lässt sich ableiten, wie viel Materie das Licht auf seiner Reise passiert hat. Je länger der Weg, desto mehr Gas und desto stärker die Verzögerung. So wird die unsichtbare Materie indirekt wägbar.
Für die Untersuchung werteten die Forschenden 69 solcher Radioblitze aus, die sich einzelnen Heimatgalaxien zuordnen ließen. Ihre Entfernungen reichen von rund zwölf Millionen bis zu etwa neun Milliarden Lichtjahren, wobei der fernste zugleich der am weitesten entfernte je gemessene Radioblitz ist. Aus der Abbremsung jedes einzelnen Signals errechnete das Team, wie viel gewöhnliche Materie auf der jeweiligen Sichtlinie liegt. Die im Fachjournal Nature Astronomy veröffentlichte Analyse ergibt daraus eine erstaunlich klare Bilanz. Etwa 76 Prozent der baryonischen Materie schweben demnach als heißes, extrem dünnes Gas im intergalaktischen Raum. Weitere rund 15 Prozent liegen in den Halos, den ausgedehnten Gashüllen rund um die Galaxien. Der kleine Rest steckt in Sternen und kaltem Gas.
Damit bestätigt sich, was Modelle des Kosmos seit Langem vorhersagen, aber niemand direkt messen konnte. Die gewöhnliche Materie sammelt sich eben nicht überwiegend dort, wo das meiste Licht entsteht, sondern verteilt sich als kaum sichtbarer Nebel über gewaltige Distanzen. Dieses heiße, ionisierte Gas ist so dünn, dass es sich der klassischen Beobachtung mit Teleskopen weitgehend entzieht. Frühere Versuche mit Röntgenlicht oder mit dem Licht ferner Quasare lieferten nur Hinweise, aber keine vollständige Bilanz. Erst die Radioblitze machen die gesamte Materie entlang einer Sichtlinie zählbar, unabhängig davon, wie kalt oder heiß das Gas ist. Das Ergebnis stimmt zudem mit ganz anderen Messungen überein, etwa aus der kosmischen Hintergrundstrahlung. Genau diese Übereinstimmung macht den Befund so belastbar.
Die sichtbare Materie ist dabei nur ein Teil der kosmischen Buchführung. Der weitaus größere Anteil der Masse entfällt auf die rätselhafte Dunkle Materie, über deren Natur bis heute gestritten wird. So wird etwa untersucht, ob eine bislang unbekannte fünfte Kraft die Dunkle Materie beeinflusst. Die nun aufgespürte baryonische Materie betrifft die sichtbare Seite des Kosmos, hilft aber, dessen Gesamtbild zu vervollständigen.
Interessant ist auch die Frage, wie die Materie überhaupt so weit von den Galaxien weggelangt. Nach der Deutung der Forschenden wirkt hier ein gewaltiger kosmischer Motor. Die Schwerkraft zieht Gas zwar in die Galaxien hinein, doch supermassereiche Schwarze Löcher und explodierende Sterne blasen es mit enormer Wucht wieder hinaus. Dieser Kreislauf wirkt wie ein Thermostat, der überschüssige Energie ableitet und das Gas weit in den intergalaktischen Raum schleudert. Damit die beobachtete Verteilung zustande kommt, muss dieser Auswurf sehr wirkungsvoll gewesen sein. Sichtbar wird er sonst kaum, weil das ausgestoßene Gas extrem dünn und heiß ist und nur schwach strahlt. Die Radioblitze bestätigen somit nicht nur, wo die Materie liegt, sondern auch, dass die Rückkopplung zwischen Galaxien und ihrer Umgebung eine zentrale Rolle spielt.
Nach Darstellung des California Institute of Technology handelt es sich um die erste vollständige Erfassung der verstreuten baryonischen Materie überhaupt. Die Forschenden sprechen vom Beginn eines goldenen Zeitalters der Radioblitz-Kosmologie. Künftige Radioteleskope sollen jährlich Tausende solcher Signale einfangen und damit das kosmische Netz aus Gas in bislang unerreichter Genauigkeit kartieren.
Die Tragweite reicht über die bloße Materiebilanz hinaus. Wer weiß, wo die gewöhnliche Materie liegt, kann besser verstehen, wie Galaxien entstehen, wie sich Strukturen im All zusammenballen und wie Licht über Milliarden Lichtjahre hinweg reist. Zugleich bleibt die Methode auf Annahmen über die Heimatgalaxien der Radioblitze angewiesen, die weiter verfeinert werden müssen. Mit einer größeren Zahl an Signalen dürften sich die Werte künftig noch schärfen lassen. Wie überraschend der Kosmos selbst an unwirtlichen Orten sein kann, zeigt sich immer wieder, etwa beim kältesten bekannten Ort im Universum. Die Vermessung der fehlenden Materie fügt diesem Bild ein weiteres, lange fehlendes Puzzlestück hinzu.
Nature Astronomy, A gas-rich cosmic web revealed by the partitioning of the missing baryons; doi:10.1038/s41550-025-02566-y