Das Kosmische Netz (Cosmic Web)

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Eigenschaften des Kosmischen Netzes

Das Kosmische Netz (engl. Cosmic Web) ist die grösste bekannte Struktur im Universum - ein gigantisches Netzwerk aus Galaxienfilamenten, Superhaufen und Voids (leeren Regionen), wurde und wird geformt durch Gravitation, strukturiert durch Dunkle Materie und ist sichtbar durch das Licht aus Milliarden Galaxien.
Das kosmische Netz entstand durch die Gravitation kleinster Dichtefluktuationen nach dem Urknall.

1. Geometrische Struktur

Filamente

Längliche Strukturen aus Galaxien, Gas, Dunkler Materie.
Länge: bis zu hunderten Millionen Lichtjahren
Durchmesser: 5-30 Mpc
Dichte: höher als mittlere kosmische Dichte ($\rho$ > $\langle \rho \rangle$)

Voids

Leere Blasenräume, kaum Galaxien
Durchmesser: bis zu 100-200 Mpc
Dichte: deutlich unterdurchschnittlich ($\rho$ $<<$ $\langle \rho \rangle$)

Knotenpunkte

Zentren, an denen sich mehrere Filamente treffen
Beherbergen oft grosse Galaxienhaufen oder Superhaufen

2. Physikalischer Ursprung

Dichtefluktuationen im frühen Universum

Ausgangspunkt: Quantenfluktuationen während der Inflation
Diese Fluktuationen verursachten kleine Unterschiede in der Materiedichte

Gravitativer Kollaps

Dichtere Regionen zogen mehr Materie an $\rightarrow$ Wachstum der Strukturen
Filamente bildeten sich entlang der grössten Dichtegradienten

Hierarchische Strukturentstehung

Kleine Strukturen (Galaxien) bildeten sich zuerst
Dann Zusammenschlüsse zu Haufen, Filamenten, Superhaufen

3. Materiekomponenten

Baryonische Materie

Galaxien (Sterne, Gas, Staub)
Heisses Gas (bis zu $10^7 - 10^8 K$) zwischen Galaxien in den Filamenten
Beobachtbar z.B. durch Röntgenstrahlung oder Sunyaev-Zeldovich-Effekt

Dunkle Materie

Bildet das "Skelett" des Netzes
Bestimmt die Gravitation und damit die Verteilung baryonischer Materie
Nur indirekt messbar über Gravitationslinseneffekte und Simulationen

Dunkle Energie

Wirkt als "hintergründige" Komponente
Beschleunigt die Expansion und beeinflusst die grossräumige Dynamik

4. Dynamische Eigenschaften

Expansion des Universums

Das Netz dehnt sich mit dem Universum aus
Jedoch: Innerhalb gebundener Strukturen (z.B. Filamente) kompensiert Gravitation die Expansion

Materieflüsse

Galaxien und Gas strömen entlang der Filamente zu den Knotenpunkten
Physikalisch beschreibbar durch Pekuliargeschwindigkeiten

5. Beobachtung & Nachweis

Galaxienverteilung

Grossflächige Surveys (z.B. Sloan Digital Sky Survey) zeigen schwammartige Verteilung
Galaxienhäufigkeit $\rightarrow$ Rückschluss auf Dichteverteilung

Gravitationslinseneffekt

Lichtablenkung durch Filamentmasse $\rightarrow$ zeigt unsichtbare Dunkle Materie

Sunyaev-Zeldovich-Effekt

Streuung von CMB-Photonen an heissem Gas in Filamenten $\rightarrow$ messbar im Mikrowellenbereich

6. Statistische Beschreibung

Zweipunkt-Korrelationsfunktion

Misst, wie stark Galaxien auf bestimmten Skalen gehöuft auftreten

Power Spectrum (P(k))

Fourier-Transformation der Dichteverteilung $\rightarrow$ zeigt Verteilungsmuster der Materie auf verschiedenen Skalen

Fraktale Dimension

Auf kleineren Skalen teilweise fraktale Verteilung (D ~ 2)
Auf grossen Skalen (> 100 Mpc): homogen

7. Numerische Simulationen

z.B. Millennium Simulation, Illustris, EAGLE
zeigen realistische Entstehung des kosmischen Netzes aus Anfangsbedingungen
Physik inkludiert: Gravitation, Hydrodynamik, Feedback durch Sterne/AGN

8. Bedeutung für Kosmologie

Testfeld für kosmologische Modelle ($\Lambda CDM$, alternative Gravitationstheorien)
über die grossräumige Struktur kann man Rückschlüsse ziehen auf:
- Materiedichteparameter $(\Omega_m)$
- Dunkle Energie $(\Omega_{\Lambda})$
- Neutrino-Masse (über Einfluss auf Strukturwachstum)
- Eigenschaften der Dunklen Materie

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