Universum: 3D-Schnappschuss im Moment des Gas gebens

  • 30. March 2012

Durchmusterung zeigt die Galaxienverteilung zu der Zeit, als das Universum halb so alt war wie heute.

Während der deutsch-britischen Astronomietagung NAM2012 gaben die Wissenschaftler des BOSS-Teams (Baryon Oscillation Spectroscopic Survey) heute bekannt, dass sie die Verteilung der Galaxien vor etwa fünf bis sechs Milliarden Jahren so genau vermessen haben wie nie zuvor. Dies war ein Schlüsselmoment, als die Ausdehnung des Universums nicht mehr langsamer wurde sondern anfing, sich aufgrund der dunklen Energie zu beschleunigen. Was hinter dieser steckt, ist eines der großen Rätsel in der Kosmologie und die Wissenschaftler brauchen genaue Messungen der Ausdehnungsgeschichte des Universums – und BOSS liefert genau solche Messungen. In sechs Artikeln grenzen Wissenschaftler des BOSS-Teams, dem auch Forscher des Max-Planck-Instituts für Extraterrestrische Physik (MPE) angehören, unterschiedliche kosmologische Modelle stark ein.

Eine Karte der Galaxienverteilung in einem dünnen Schnitt durch den BOSS-Katalog

Abb: Eine Karte der Galaxienverteilung in einem dünnen Schnitt durch den BOSS-Katalog. Wir sind im Zentrum des Bogens, außerhalb des unteres Randes der Abbildung, jeder schwarze Punkt entspricht einer Galaxie. Der rote Kreis zeigt die ungefähre Größe der BAO-Skala. (Bild: F. Montesano, MPE / SDSS-III)Caption

BOSS ist Teil des Sloan Digital Sky Survey (SDSS-III) und begann im Jahr 2009 mit seinem Blick zurück zu einer Zeit, als die dunkle Energie im Universum anfing eine wichtige Rolle zu spielen. Bis 2014 wird das Projekt mit einem speziell entwickelten neuen Spektrographen am 2,5-Meter-Sloan-Teleskop am Apache Point Observatorium in New Mexico, USA, Daten von 1,35 Millionen Galaxien sammeln. In den ersten eineinhalb Jahren hat BOSS bereits ein Zehntel des Himmels abgetastet und für mehr als eine viertel Million Galaxien deren dreidimensionale Positionen bestimmt, woraus sich eine genaue und vollständige Verteilung der Galaxien bis zu einer Entfernung von etwa sechs Milliarden Lichtjahren ergibt.

Die Galaxien bilden ein „kosmisches Netz“ mit vielen unterschiedlichen Strukturen, die wertvolle Informationen über unser Universum enthalten. Insbesondere sind die sogenannten „baryonischen akustischen Oszillationen (BAO)“ für die Wissenschaftler von Interesse, da diese ihnen eine „Standard-Messlatte“ an die Hand geben. BAOs sind Überreste aus der Frühphase des Universums, als es eine heiße und dichte Teilchensuppe war. Kleine Dichteschwankungen durchliefen diese als Druckwellen. Als sich das Universum ausdehnte und abkühlte, sank der Druck ab und so stoppte die weitere Ausbreitung dieser Wellen nach etwa 500 Millionen Lichtjahren. Diese „eingefrorenen Wellen“ bildeten sich in der Materieverteilung ab und können heute in der Galaxienkarte abgelesen werden: so ist die Wahrscheinlichkeit dafür, zwei Galaxien in diesem Abstand zu finden, etwas höher als für größere oder kleinere Entfernungen.

Misst man nun die scheinbare Größe dieser BAO-Skala in der Verteilung der Galaxien so erhält man Information zu kosmischen Entfernungen. Kombiniert mit einer Messung der Galaxien-„Rotverschiebung“ – einem Maß dafür, wie schnell sich die Galaxien als Folge der kosmischen Expansion von uns entfernen – können die Wissenschaftler somit die Ausdehnungsgeschichte des Universums rekonstruieren.

Die Signatur der baryonischen akustischen Oszillationen (weiße Kreise) hilft dabei, die Geschichte des sich ausdehnenden Universums nachzuvollziehen

Abb.: Die Signatur der baryonischen akustischen Oszillationen (weiße Kreise) hilft dabei, die Geschichte des sich ausdehnenden Universums nachzuvollziehen. Aus den kleinen Dichteschwankungen im kosmischen Mikrowellenhintergrund (rechts) entwickelten sich die Galaxienhaufen und -filamente, die wir heute sehen. Diese Schwankungen enthalten auch die Signatur der ursprünglichen baryonischen akustischen Oszillationen (weißer Ring, rechts). Als sich das Universum ausdehnte (Mitte und links), blieb die Information über die BAO erhalten und lässt sich aus dem mittleren Abstand der Galaxien ablesen (größere weiße Kreise; Bild: E. M. Huff / SDSS-III / South Pole Telescope / Z. Rostomian)

Damit liefern die BOSS-Daten zusammen mit früheren Analysen jetzt Informationen, um die Parameter des kosmologischen Standardmodells auf eine Genauigkeit von besser als fünf Prozent zu bestimmen. „Alle unterschiedlichen Messungen deuten auf die gleiche Erklärung“, sagt MPE-Wissenschaftler Ariel Sanchez. Neben der dunklen Energie können die Informationen aus der großräumigen Galaxienverteilung aber auch verwendet werden, um andere wichtige physikalische Parameter wie die Krümmung des Universums, die Neutrino-Masse oder die Phase der Inflation im frühen Universum einzugrenzen. „Aktuelle Beobachtungen zeigen, dass das Universum flach sein muss, mit einer Genauigkeit von besser als 0,5 Prozent“, erklärt Sanchez. „Und während wir auf der einen Seite einen derart globalen Parameter auf kosmischen Maßstäben messen, können wir gleichzeitig Informationen über Neutrinos auf den kleinsten Skalen erhalten.“

Aufgrund der hohen Qualität der neuen Daten konnte das Team sogar neue Hinweise auf die kosmische Inflation erhalten, einer Zeit kurz nach dem Urknall, als sich das Universum unglaublich schnell ausdehnte. Während der kosmischen Inflation wurden kleine Bereiche des Alls so stark aufgeblasen, dass sie heute das gesamte, für uns beobachtbare Universum bilden. Gleichzeitig wurden auch die winzigen Quantenfluktuationen aufgebläht und bildeten so die Keime der Strukturen, die uns die Daten noch heute zeigen. „Es gibt einen regelrechten Zoo aus alternativen Inflationsmodellen. Mit BOSS bekommen wir neue wichtige Hinweise auf die inflationäre Phase des Universums, und können so den Markt der verfügbaren Modelle etwas ausdünnen“, erklärt Sanchez.

Bisher stimmen alle Messungen sehr gut mit dem kosmologischen Standardmodell überein, das aus ein paar Prozent gewöhnlicher Materie, etwa einem Viertel Dunkler Materie und dem Rest aus Dunkler Energie besteht. Aber Ariel Sanchez ist vorsichtig: „Das ist nur der Anfang. Wenn wir die kompletten fünf Jahre an BOSS-Daten haben, können wir viel engere Grenzen erwarten, und es gibt auch eine Reihe zukünftiger Projekte, wie Euclid, die uns noch bessere Messungen liefern werden. Damit werden wir den Antworten auf die großen offenen Fragen der Kosmologie einen Schritt näher kommen.“

MPE / OD

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