Bislang größte räumliche Galaxienkarte bestätigt rätselhaftes Phänomen

25. Juli 2016, 06:00
179 Postings

1,2 Millionen erfasste Galaxien halfen bei der Vermessung der kosmischen Ausdehnungsrate

Garching – Astronomen haben die größte jemals erstellte dreidimensionale Galaxienkarte präsentiert. Die gewaltige Bestandsaufnahme enthält 1,2 Millionen Galaxien in einem Raumvolumen von 650 Milliarden Kubiklichtjahren und erstreckt sich über ein Viertel des Nachthimmels. Das Mammutprojekt dient nicht nur dazu, die Lage der Sterneninseln festzulegen, es wurde vor allem für präzise Messungen einer nach wie vor mysteriösen Kraft genutzt: der Dunklen Energie. Die von Hunderten von Wissenschaftern durchgeführte Inventur ermöglicht es den Astronomen nämlich, die Ausdehnungsrate des Universums zu vermessen – und die steht mit der Dunklen Energie in Zusammenhang.

Das Universum war bis zu einem Alter von etwa 400.000 Jahren nach dem Urknall von Schallwellen durchzogen; danach "froren" diese in der Materieverteilung des Universums ein und hinterließen ein charakteristisches Muster. Als Folge davon sind Galaxien bevorzugt durch einen ganz bestimmten Abstand voneinander getrennt, der als BAO (baryonische akustische Oszillation)-Skala bezeichnet wird. Die ursprüngliche Größe dieser BAO-Skala ließ sich aus Beobachtungen des kosmischen Mikrowellenhintergrunds sehr genau bestimmen.

Ariel Sanchez vom Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik in Garching leitete die Arbeiten, um den genauen Anteil an Dunkler Materie und Dunkler Energie auf Grundlage der BOSS-Daten abzuschätzen. "Wenn wir die akustische Skala im Lauf der kosmischen Geschichte messen, gibt uns das einen Maßstab an die Hand, mit dem wir direkt die Expansionsrate des Weltalls bestimmen können", sagt Sanchez. So ließen sich die subtilen Auswirkungen, welche die BAO auf die Verteilung der Galaxien haben, über eine Zeitspanne von zwei bis sieben Milliarden Jahren zurückverfolgen.

Verfeinerte Modelle

Für die sehr genauen Messungen mussten die Daten allerdings auch sorgfältig analysiert werden, um so die Eigengeschwindigkeiten der Galaxien zu ermitteln, denn diese werden ausschließlich von der Gravitation beeinflusst. Die Messung einer solchen Geschwindigkeit erlaubt daher Rückschlüsse auf die hinter der Gravitation stehende Theorie. "So können wir abschätzen, in welchem Umfang Einsteins allgemeine Relativitätstheorie auch auf kosmologischen Skalen korrekt ist", sagt Shun Saito vom Max-Planck-Institut für Astrophysik. Um die Daten richtig zu interpretieren, entwickelten die Forscher ein verfeinertes Modell, das die Galaxienverteilung beschreibt.

Für seine Doktorarbeit verfolgte ein Wissenschafter am Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik einen weiteren interessanten Ansatz: Salvador Salazar verwendete bei der Datenanalyse die Winkelpositionen der Galaxien am Himmel anstatt der physischen dreidimensionalen Positionen. "Diese Methode kommt allein mit Beobachtungsgrößen aus", sagt Salazar. "Wir machen keine vorherigen Annahmen über das kosmologische Modell."

Die an dem Projekt beteiligten Forschergruppen verwendeten leicht unterschiedliche Modelle und Methoden, um den riesigen BOSS-Datensatz zu analysieren. Die Daten zeigen, dass die Dunkle Energie, welche die kosmische Expansion antreibt, innerhalb eines Fehlers von nur fünf Prozent mit einer kosmologischen Konstante konsistent ist.

Keine Widersprüche zum Standardmodell

Diese von Albert Einstein eingeführte Konstante, Lambda genannt, beschreibt jene Größe, die der Gravitationskraft der Materie entgegenwirkt. Darüber hinaus stehen alle Ergebnisse mit dem kosmologischen Standardmodell in Einklang, das mit sechs Parametern die Entwicklung des Weltalls seit dem Urknall beschreibt. Mit anderen Worten: Der Einfluss der Masse und der Dunklen Energie halten sich so die Waage, dass die Expansion des Universums erst nach unendlich langer Zeit stoppen wird.

Insbesondere zeigt die Karte auch die unverwechselbare Signatur der kohärenten Bewegung von Galaxien hin zu Regionen des Universums mit mehr Materie aufgrund der massebedingten Anziehungskraft. Und: Die beobachtete Menge der einfallenden Materie entspricht genau den Vorhersagen der allgemeinen Relativitätstheorie. Dies stützt die These, dass die Beschleunigung der Expansionsrate durch ein Phänomen wie die Dunkle Energie angetrieben wird und nicht durch eine Änderung der Gravitationstheorie. (red, 25.7.2016)

  • Jeder Punkt zeigt die Position einer Galaxie vor sechs Milliarden Jahren. Das Bild umfasst etwa 1/20 des Himmels – einen Ausschnitt des Weltalls, der sechs Milliarden Lichtjahre breit, 4,5 Milliarden Lichtjahre hoch und 500 Millionen Lichtjahre dick ist. Die Farbe ist ein Maß für die Entfernung von der Erde, von gelb für Galaxien auf der uns zugewandten Seite der Scheibe bis zu lila auf der weiter entfernten Seite.
    illu.: daniel eisenstein und sdss-iii

    Jeder Punkt zeigt die Position einer Galaxie vor sechs Milliarden Jahren. Das Bild umfasst etwa 1/20 des Himmels – einen Ausschnitt des Weltalls, der sechs Milliarden Lichtjahre breit, 4,5 Milliarden Lichtjahre hoch und 500 Millionen Lichtjahre dick ist. Die Farbe ist ein Maß für die Entfernung von der Erde, von gelb für Galaxien auf der uns zugewandten Seite der Scheibe bis zu lila auf der weiter entfernten Seite.

  • Das Rechteck ganz links zeigt einen Ausschnitt von 1000 Quadrat-Grad am Himmel, der fast 120.000 Galaxien enthält, etwa zehn Prozent des gesamten BOSS-Katalogs. Die spektroskopischen Messungen jeder Galaxie machen aus dem zweidimensionalen Bild eine dreidimensionale Karte.
    illu.: jeremy tinker und sdss-iii

    Das Rechteck ganz links zeigt einen Ausschnitt von 1000 Quadrat-Grad am Himmel, der fast 120.000 Galaxien enthält, etwa zehn Prozent des gesamten BOSS-Katalogs. Die spektroskopischen Messungen jeder Galaxie machen aus dem zweidimensionalen Bild eine dreidimensionale Karte.

Share if you care.