SDSS
Die Ausdehnungsgeschichte des Universums
Redaktion / Pressemitteilung des Max-Planck-Instituts für extraterrestrische Physik
astronews.com
27. Juli 2020

Ein Team des Sloan Digital Sky Survey hat die Analyse der umfangreichsten bislang erstellten dreidimensionalen Karte des Universums vorgestellt und damit die größten Lücken bei der Erforschung der Geschichte des Kosmos geschlossen. Die Studie beinhaltet auch genaue Messungen der Expansionsgeschichte unseres Universums über den bisher größten Abschnitt kosmischer Zeit.

Die SDSS-Karte zeigt das beobachtbare Universum als einen Regenbogen von Farben. Für jeden farbcodierten Kartenausschnitt ist ein Bild einer typischen Galaxie oder eines Quasars aus diesem Ausschnitt gezeigt, sowie das Signal des Musters, das das eBOSS-Team dort misst. Bild: Anand Raichoor (EPFL), Ashley Ross (Ohio State University) und die SDSS Collaboration   [Großansicht]

"Wir kennen sowohl die frühe Geschichte des Universums als auch seine jüngste Ausdehnungsgeschichte ziemlich gut, aber in den mittleren elf Milliarden Jahren klafft eine lästige Lücke", sagt der Kosmologe Kyle Dawson von der University of Utah, der Leiter des Teams, das in der vergangenen Woche seine Ergebnisse vorstellte. "Fünf Jahre lang haben wir daran gearbeitet, diese Lücke zu füllen, und wir nutzen diese Informationen, um einige der substanziellsten Fortschritte in der Kosmologie des letzten Jahrzehnts zu erzielen."

Die neuen Ergebnisse stammen aus dem "erweiterten Baryon Oscillation Spectroscopic Survey" (eBOSS), einer internationalen Zusammenarbeit von mehr als 100 Astrophysikerinnen und Astrophysikern, einschließlich Forschenden am Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik (MPE), der Teil des Sloan Digital Sky Survey (SDSS) ist. Das Herzstück der neuen Ergebnisse sind detaillierte Messungen von mehr als zwei Millionen Galaxien und Quasaren, die elf Milliarden Jahre kosmischer Zeit abdecken. Innerhalb des eBOSS-Teams konzentrierten sich einzelne Gruppen auf verschiedene Aspekte der Analyse, wobei jeder Teilbereich eine sorgfältige Analyse erfordert, um Verunreinigungen zu entfernen und die Muster des Universums aufzudecken.

Um den Teil der Karte zu erstellen, der sechs Milliarden Jahre zurückreicht, verwendete das Team große, rote Galaxien. Weiter draußen benutzten sie jüngere, blaue Galaxien. Um das Universum vor elf Milliarden Jahren und mehr zu kartographieren, benutzten sie schließlich Quasare, d. h. helle Galaxien, in denen Material aufleuchtet, das auf ein zentrales supermassereiches Schwarzes Loch fällt.

"Quasare stellen eine einzigartige Probe dar, die es uns ermöglicht, die Rotverschiebungslücke zwischen Galaxien und dem Lyman-alpha-Wald bei den höchsten Rotverschiebungen zu überbrücken", sagt Jiamin Hou, Nachwuchsforscherin am MPE, die die Quasar-Analysen im Rahmen von eBOSS leitete. "Mit Galaxien können wir auf die letzten Milliarden Jahre der kosmischen Geschichte zurückblicken, die Quasare führen uns etwa zehn Milliarden Jahre zurück, und schließlich erlauben uns die Lyman-alpha-Galaxien einen Blick zurück in die Zeit, als das Universum weniger als zwei Milliarden Jahre alt war. Studien über den kosmischen Mikrowellenhintergrund reichen dann noch weiter zurück, bis zum frühen Universum, nur 380 000 Jahre nach dem Urknall."

Die endgültige Karte, die von SDSS nun veröffentlicht wurde, zeigt die Filamente und Hohlräume, die Strukturen im Universum definieren. Ein Merkmal dieser Verteilung, die sogenannten "baryonischen akustischen Schwingungen", ist ein sehr subtiles Signal aus den frühen Epochen des Universums, als Schallwellen nach einer Reise von etwa 500 Millionen Lichtjahren "eingefroren" wurden und der Materieverteilung ein Signal einprägten. Dieser Abdruck ist heute in der Verteilung von Galaxien sichtbar, wo es etwas wahrscheinlicher ist, Galaxienpaare zu finden, die durch diesen Maßstab getrennt sind, als in kleineren oder größeren Abständen.

Messungen der scheinbaren Größe dieses Maßstabs ermöglichen es den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern, kosmische Entfernungen mit hoher Präzision zu berechnen. Darüber hinaus weisen Galaxien auch eigene Bewegungen auf, die ihre Verteilung in Bezug auf die Sichtlinienrichtung anisotrop erscheinen lassen, ein Effekt, der als "Rotverschiebungsraum-Verzerrung" bekannt ist. Dieses charakteristische anisotrope Muster ermöglichte es dem eBOSS-Team, die Geschwindigkeit zu messen, mit der kosmische Strukturen aufgrund von gravitativen Wechselwirkungen wachsen. "Mithilfe von Quasaren können wir die Entfernungsmessung auf etwa drei Prozent und die Messung der Wachstumsrate des Universums auf zehn Prozent einschränken", sagt Hou.

"In unserer Gruppe leisten wir seit fast einem Jahrzehnt einen kontinuierlichen Beitrag zu den Kosmologieprogrammen von SDSS", sagt der Kosmologe Ariel Sánchez, ein leitender Forscher am MPE. "Zusammengenommen erlauben uns diese Studien, die Ausdehnung und das Wachstum der Strukturgeschichten unseres Universums über einen Bereich kosmischer Zeit zu rekonstruieren, der etwa 90 % seines Alters abdeckt."

In Kombination mit zusätzlichen Informationen aus dem kosmischen Mikrowellenhintergrund und Supernovae ermöglicht dies dem Team, mehrere Schlüsselparameter unseres Universums mit einer Genauigkeit von mehr als einem Prozent zu bestimmen. Die kosmische Geschichte aus diesen Daten zeigt, dass die Ausdehnung des Universums vor etwa sechs Milliarden Jahren anfing sich zu beschleunigen, und seitdem immer schneller und schneller geworden ist. Diese beschleunigte Expansion scheint auf eine mysteriöse unsichtbare Komponente des Universums namens "Dunkle Energie" zu deuten, die mit Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie übereinstimmt, aber mit unserem heutigen Verständnis der Teilchenphysik nur schwer vereinbar ist.

Insgesamt hat das eBOSS-Team in der vergangenen Woche die Ergebnisse von mehr als 20 wissenschaftlichen Arbeiten veröffentlicht. Diese Arbeiten beschreiben auf mehr als 500 Seiten die Analysen des Teams zu den neuesten eBOSS-Daten und markieren den Abschluss der wichtigsten Ziele des Projekts.

In den nächsten Jahren werden MPE-Wissenschaftlerinnen und -Wissenschaftler die SDSS-Daten zudem dafür verwenden, die großräumige Struktur des Universums noch genauer zu kartographieren und kosmologische Parameter einzuschränken, indem sie die Galaxienhaufen und AGN, die vom eROSITA-Röntgenteleskop gefunden werden, genauer unter die Lupe nehmen.