Mit dreidimensionaler Karte des Universums auf Spurensuche

Das All in drei Dimensionen: Das Rechteck 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 – die Punkte in diesem Ausschnitt – machen aus dem zweidimensionalen Bild eine dreidimensionale Karte. Die helleren Regionen in dieser Karte entsprechen Bereichen des Universums mit mehr Galaxien und damit mehr Dunkler Materie. Die zusätzliche Materie in diesen Regionen erzeugt ein Übermaß an Anziehung – was diese Karte zu einem Test der Einstein’schen Gravitationstheorie macht. © Jeremy Tinker und SDSS-III

Forscher haben die bisher größte dreidimensionale Karte des Universums erstellt. Sie enthält 1,2 Millionen Galaxien in einem Volumen von 650 Milliarden Kubiklichtjahren. Anhand der gigantischen Darstellung können Wissenschaftler den Geheimnissen der Dunklen Materie mit präzisen Messungen näher kommen. Die Forscher fanden eine sehr gute Übereinstimmung mit dem kosmologischen Standardmodell. Und sie bestätigten, dass die Dunkle Energie mit einer kosmologischen Konstante konsistent ist.

„Zehn Jahre lang haben wir Messungen von 1,2 Millionen Galaxien über ein Viertel des Himmels hinweg gesammelt, um damit die Struktur des Universums in einem Volumen von 650 Milliarden Kubiklichtjahren zu kartieren“, sagt Jeremy Tinker von der New York University, einer der Leiter des Projekts.  Dem Team gehörten Hunderte von Mitarbeitern aus dem Sloan Digital Sky Survey III (SDSS-III) an. Die Beobachtungen waren Teil des Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS).

Das Bild enthält 48.741 Galaxien – etwa drei Prozent des gesamten Katalogs. © Daniel Eisenstein und SDSS-III

Das Bild enthält 48.741 Galaxien – etwa drei Prozent des gesamten Katalogs. © Daniel Eisenstein und SDSS-III

Die erstellte Karte ist geprägt vom allgegenwärtigen Tauziehen zwischen der unbekannten Dunklen Materie und der ebenso geheimnisvollen Dunklen Energie. Sie ermöglicht es den Astronomen, die Ausdehnungsrate des Universums zu vermessen. Dazu wird die Größe der sogenannten baryonischen akustischen Oszillationen (BAO) in der dimensionalen Verteilung der Galaxien bestimmt.

Die BAO-Skala bezeichnet einen ganz bestimmten Abstand, in dem Galaxien bevorzugt voneinander getrennt sind. Das charakteristische Muster ist Folge des Einwirkens von Schallwellen in die Materieverteilung des jungen Universums – etwa 400.000 Jahre nach dem Urknall. Die ursprüngliche Größe dieser BAO-Skala ließ sich aus Beobachtungen des kosmischen Mikrowellenhintergrunds sehr genau bestimmen.

Das Wirken der Dunklen Energie

Auch Forscher der Max-Planck-Institute für Astrophysik und für extraterrestrische Physik nutzen die Karte. Die Wissenschaftler konnten u. a. die subtilen Auswirkungen der BAO auf die Verteilung der Galaxien über eine Zeitspanne von zwei bis sieben Milliarden Jahren zurückverfolgen. Für die sehr genauen Messungen mussten die Daten allerdings auch sorgfältig analysiert werden.

Die an dem Projekt beteiligten Forschergruppen der Max-Planck-Institute verwendeten leicht unterschiedliche Modelle und Methoden, um den riesigen BOSS-Datensatz zu analysieren. Ihre Daten zeigen: Die Dunkle Energie, die die kosmische Expansion antreibt, ist innerhalb eines Fehlers von nur fünf Prozent mit einer kosmologischen Konstante konsistent. Darüber hinaus stehen alle Ergebnisse mit dem kosmologischen Standardmodell in Einklang. Es beschreibt mit sechs Parametern die Entwicklung des Weltalls seit dem Urknall.

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

Titelbild oben: Das All in drei Dimensionen: Das Rechteck 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 – die Punkte in diesem Ausschnitt – machen aus dem zweidimensionalen Bild eine dreidimensionale Karte. Die helleren Regionen in dieser Karte entsprechen Bereichen des Universums mit mehr Galaxien und damit mehr Dunkler Materie. Die zusätzliche Materie in diesen Regionen erzeugt ein Übermaß an Anziehung – was diese Karte zu einem Test der Einstein’schen Gravitationstheorie macht. © Jeremy Tinker und SDSS-III