SURVEYS
Blick auf die frühere Galaxienverteilung
Redaktion / Pressemitteilung des Max-Planck-Instituts für extraterrestrische Physik
astronews.com
4. April 2012

Mit Hilfe von Daten des Sloan Digital Sky Surveys haben Astronomen die Verteilung von Galaxien vor rund fünf bis sechs Milliarden Jahren mit bislang unerreichter Genauigkeit vermessen. Die Daten liefern wichtige Hinweise auf die Entwicklung unseres Universums. Bislang stimmen sie gut mit dem Standardmodell der Kosmologen überein - doch das könnte sich noch ändern.

Die Signatur der baryonischen akustischen Oszillationen (weiße Kreise) in Galaxienkarten hilft den Astronomen dabei, die Geschichte des sich ausdehnenden Universums nachzuvollziehen. Bild: E. M. Huff, das SDSS-III-Team und das South Pole Telescope-Team / Zosia Rostomian (Grafik) [Großansicht]

Die Wissenschaftler des BOSS-Teams (Baryon Oscillation Spectroscopic Survey) haben die Verteilung der Galaxien vor etwa fünf bis sechs Milliarden Jahren so genau vermessen wie noch niemals zuvor. Diese Zeit ist von besonderer Bedeutung, da sie den Punkt markiert, als die Ausdehnung des Universums nicht mehr langsamer wurde, sondern anfing, sich aufgrund der geheimnisvollen "Dunklen Energie" zu beschleunigen. Was hinter dieser Dunklen Energie steckt ist eines der großen Rätsel in der Kosmologie. Um es zu lösen, benötigen die Wissenschaftler genaue Messungen der Ausdehnungsgeschichte des Universums. Die Daten, die das Team in der vergangenen Woche während der deutsch-britischen Astronomietagung NAM2012 vorstellte, sind auch in sechs Fachartikeln beschrieben, in denen die BOSS-Daten zudem zum Eingrenzen unterschiedlicher kosmologische Modelle verwendet werden.

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 im US-Bundesstaat New Mexico 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. BAO sind Überreste aus der Frühphase des Universums, als es nicht mehr als eine heiße und dichte "Teilchensuppe" war. Kleine Dichteschwankungen durchliefen diese "Suppe" als Druck- bzw. Schallwellen.

Als sich das Universum ausdehnte und abkühlte, sank der Druck ab und so wurden die weitere Ausbreitung dieser Wellen nach etwa 500 Millionen Lichtjahren gestoppt. Diese "eingefrorenen Wellen" bildeten sich in der Materieverteilung ab und können heute in der Galaxienkarte abgelesen werden: so ist dort die Wahrscheinlichkeit dafür, zwei Galaxien in einem bestimmten 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.

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 Dr. Ariel Sanchez, Wissenschaftler am Max-Planck- Institut für extraterrestrische Physik und Erstautor bei einem der jetzt veröffentlichten Fachartikel. "Die dunkle Energie ist konsistent mit Einsteins kosmologischer Konstante: einer kleinen aber nicht vernachlässigbaren Energie, die den Raum kontinuierlich dehnt und damit die beschleunigte Expansion des Universums antreibt."

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."

Neutrinos sind winzige Elementarteilchen. Obwohl eine Reihe von Experimenten gezeigt hat, dass diese eine Masse haben müssen, können die Wissenschaftler nicht sagen, wie viel sie wiegen, da man das nur schwer in einem Labor messen kann. Doch als zusätzliche Komponente in der heißen, frühen Phase des Universums haben die Neutrinos Einfluss auf das Wachstum von Strukturen. Damit enthält die Verteilung der Galaxien, wie sie von BOSS sondiert wird, Informationen über die maximale Masse, die diese Neutrinos haben dürfen. "Wir haben hier wirklich die Verbindung zweier extremer Welten, der sehr, sehr großen und der sehr, sehr kleinen", so Sanchez.

Aufgrund der hohen Qualität der neuen Daten konnte das BOSS-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 BOSS-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 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, die uns noch bessere Messungen liefern werden. Damit werden wir den Antworten auf die großen offenen Fragen der Kosmologie einen Schritt näher kommen."