Galaxienhaufen testen Einstein

  • 28. September 2011

Die Gravitationsrotverschiebung steht auch für große Entfernungen im Einklang mit der Allgemeinen Relativitätstheorie.

Albert Einsteins Gravitationstheorie ist die Grundlage der modernen Kosmologie, obwohl sie mit hoher Genauigkeit bisher nur auf der Größenskala unseres Sonnensystems getestet wurde. Jetzt haben Forscher in Dänemark anhand von umfangreichen Beobachtungsdaten für Galaxienhaufen gezeigt, dass die Gravitationsrotverschiebung des Lichts der Galaxien mit den Vorhersagen der Allgemeinen Relativitätstheorie übereinstimmt. Darüber hinaus wurden auch konkurrierende Theorien getestet.

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Abb.: Die Relativitätstheorie sagt richtig vorher, wie die Rotverschiebung in einem Galaxienhaufen von der Entfernung vom Zentrum des Haufens abhängt. Während die f(R)-Theorie ein ernstzunehmender Konkurrent ist, scheidet die Tensor-Vektor-Skalar-Theorie aus. (Bild: R. Wojtak et al., Nature)

Die Forscher um Jens Hjorth vom Niels Bohr Institute in Kopenhagen haben aus den Daten des Sloan Digital Sky Survey die Rotverschiebungen von rund 120.000 Galaxien aus 7800 Galaxienhaufen ausgewertet. Ein typischer Galaxienhaufen hatte dabei eine Masse, die 1014 Mal so groß war wie die unserer Sonne, verteilt über einen etwa 20 Millionen Lichtjahre großen Bereich.

Einsteins Theorie zufolge hat das von einer Galaxie im Innern eines solchen Clusters zu uns kommende Licht eine Gravitationsrotverschiebung, die etwa so groß ist wie die Dopplerverschiebung bei einer Geschwindigkeit von 10 Kilometer pro Sekunde. Verglichen mit der mittleren Geschwindigkeit der Galaxien in den Haufen, die bei etwa 1000 Kilometer pro Sekunde liegt, fällt das kaum ins Gewicht. Hjorth und seinen Kollegen ist es dennoch gelungen, aus den Daten die Gravitationsrotverschiebung herauszufiltern.

Zunächst bestimmten sie für jeden der untersuchten Haufen ein mutmaßliches Zentrum, indem sie die hellste, zumeist in der Mitte liegende Galaxie identifizierten. Die kosmologische Rotverschiebung dieser Galaxie zogen sie dann von den Rotverschiebungen der übrigen Galaxien ab, sodass nur deren Gravitationsrotverschiebung übrig blieb. Doch für die einzelnen Galaxienhaufen waren die statistischen Unsicherheiten zu groß, um Einsteins Vorhersage für die Rotverschiebung im Schwerefeld zu testen.

Computersimulationen hatten indes gezeigt, dass sich durch Mittelung über mehrere Tausend Cluster wesentlich genauere Aussagen machen lassen. Man erhält einen gemittelten Galaxienhaufen, der kugelförmig ist und in dem sich die Galaxien gleichmäßig in alle Richtungen bewegen. Die Forscher zerlegten diesen gemittelten Cluster in vier Kugelschalen mit Radien von etwa 3, 7, 14 und 20 Millionen Lichtjahren. Aus den Rotverschiebungen der Galaxien berechneten sie deren Geschwindigkeiten. Anschließend stellten sie die Geschwindigkeitsverteilungen der Galaxien für die vier Kugelschalen auf.

Die Geschwindigkeitsverteilungen der Galaxien folgten einer Gauß-Verteilung mit einer Varianz von etwa 500 Kilometer pro Sekunde. Das Zentrum der Gauß-Glocke lag zwar nahe Null, doch mit zunehmendem Radius der Kugelschale bewegte es sich zu negativen Geschwindigkeiten hin. Demnach hatten die Galaxien eine umso größere relative Blauverschiebung, je weiter außen sie lagen. Die nahe dem Zentrum liegenden Galaxien zeigten somit eine Rotverschiebung, die einer Geschwindigkeit von 7,7 Kilometer pro Sekunde entsprach, mit einer Unsicherheit von Kilometer pro Sekunde. Das Gravitationspotential des gemittelten Galaxienhaufens, das diese Rotverschiebung hervorrief, stimmte gut mit dem Potential überein, das die Forscher aus der Gesamtheit der Galaxienbewegungen hergeleitet haben.

Ein Vergleich der Gravitationsrotverschiebungen der Galaxien in den verschiedenen Kugelschalen mit den Vorhersagen der Einsteinschen Gravitationstheorie bestätigte den Zusammenhang gut. Die Relativitätstheorie sagt also die Rotverschiebung auch für Massenansammlungen richtig vorher, die über Millionen von Lichtjahren ausgedehnt sind. Beobachtungen auf der Erde und in unserem Sonnensystem hatten schon früher eine hervorragende Übereinstimmung ergeben.

Die Forscher testeten darüber hinaus zwei alternative Gravitationstheorien, die die Einsteinsche Theorie abändern, um solchen Effekten Rechnung zu tragen, für die man die Dunkle Materie und die Dunkle Energie verantwortlich macht. Die f(R)-Theorie stimmt für kleine Entfernungen mit der Relativitätstheorie überein, ändert sie aber für kosmische Distanzen ab. Die Tensor-Vektor-Skalar-Theorie hingegen modifiziert die Schwerkraft so, dass die Dunkle Materie überflüssig wird. Es zeigte sich, dass die Tensor-Vektor-Skalar-Theorie für die Galaxienhaufen deutlich zu große Rotverschiebungen vorhersagte, während die f(R)-Theorie ähnlich gut mit den Beobachtungen übereinstimmte wie die Relativitätstheorie.

Rainer Scharf

PH

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