Vermessung der Dunklen Energie

14. Juli 2016. Die internationale Forschungskollaboration des Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS) hat diese Woche neue Studien zu den Eigenschaften Dunkler Energie veröffentlicht. Dunkle Energie ist die Antriebsfeder der beschleunigten Expansion unseres Universums. Die neuen Arbeiten, welche diese Woche bei der Fachzeitschrift “The Monthly Notices of the Royal Astronomical Society” eingereicht wurden, basieren auf einer dreidimensionalen Karte von rekordverdächtigen 1,2 Millionen Galaxien, die mit dem Sloan Digital Sky Survey III (SDSS-III) beobachtet wurden. Das Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam (AIP) hat nachhaltig zur Datenanalyse und zur theoretischen Modellierung der BOSS-Daten beigetragen.
Vermessung der Dunklen Energie

Großräumige Struktur des Universums, beobachtet mit BOSS/SDSS-III (Credit: Daniel Eisenstein/SDSS-III).

BOSS misst die Expansionsrate des Universums indem aus der dreidimensionalen Verteilung von Galaxien die sogenannten Baryonischen Akustischen Oszillationen (BAOs) bestimmt werden. Die ursprüngliche Länge der BAOs wurde durch Druckwellen vorgegeben, die sich im Universum ausgebreitet haben, als es erst 400.000 Jahre alt war (heute ist es etwa 13,8 Milliarden Jahre alt).  Als Resultat zeigt die beobachtete Galaxienverteilung charakteristische Abstände, die in der Astronomie als „akustische Skala“ bezeichnet werden.

Die Größe dieser akustischen Skala im frühen Universum kann aus der Beobachtung der kosmischen Mikrowellenhintergrundstrahlung abgelesen werden – also von dem Licht, das ausgesandt wurde, als die Druckwellen eingefroren wurden. Indem man die Entwicklung in der Verteilung der Galaxien seit dieser Zeit beobachtet, kann die akustische Skala zu späteren Zeitpunkten bestimmt werden, und zeigt auf, wie Dunkle Materie und Dunkle Energie die Expansion des Universums wechselseitig beeinflusst haben. Basierend auf BOSS-Daten wurde dieser Parameter nun mit einer Genauigkeit von weniger als einem Prozent über eine Zeitspanne des Universums von vor sieben Milliarden Jahren bis vor zwei Milliarden Jahren vermessen.

Chia-Hsun Chuang, Postdoc am AIP, hat mit der Entwicklung einer neuen Methode der Datenanalyse zu diesem Erfolg beigetragen. In seinem Ansatz kombiniert er die Informationen aus kosmischer Mikrowellenhintergrundstrahlung und der beobachteten dreidimensionalen Galaxienverteilung, um kosmologische Parameter mit einem Minimum an vorherigen Annahmen über die Dunkle Energie ableiten zu können. Seine Methode wurde genutzt, um verschiedene Modelle Dunkler Energie zu testen und bestätigte das aktuelle astronomische Modell der Ausdehnung des Universums mit bisher unerreichter Genauigkeit.

Ergänzend zur Untersuchung der Verteilung von Galaxien haben die AIP-Wissenschaftler Francisco-Shu Kitaura und Chia-Hsun Chuang sich außerdem erstmals auch die Materiedichte-Minima in den BOSS-Daten angeschaut. Dies sind Regionen, in denen es gar keine Galaxien gibt. Durch eine Analyse dieser Leerräume in den BOSS-Beobachtungen, ähnlich zur Analyse der Galaxienverteilung, konnten die Astronomen die akustische Skala so auch aus der charakteristischen Distanz zweier Dichte-Minima ableiten.

Die neue Galaxien-Karte von BOSS offenbart auch  die charakteristische Signatur der kohärenten Bewegung von Galaxien in Richtung dichterer Regionen des Universums infolge der anziehenden Wirkung der Gravitation. Es ist entscheidend, dass die  beobachtete Bewegung der Galaxien quantitativ durch die Voraussagen der Allgemeinen Relativitätstheorie vollständig erklärt werden kann. Diese Übereinstimmung unterstützt die Vorstellung, dass die beschleunigte Expansion des Universums nicht etwa auf ein Versagen unserer Theorie der Gravitation  hinweist, sondern eher auf ein Phänomen auf den größten kosmischen Skalen  wie es die Dunkle Energie ist.

 

Weitere Informationen:

 

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Dr. Chia-Hsun Chuang, 0331 7499 639, achuang@aip.de

Dr. Francisco-Shu Kitaura, 0331-7499 447, fkitaura@aip.de

Pressekontakt:

Dr. Gabriele Schönherr, 0331-7499 804, presse@aip.de

 

Über SDSS:
SDSS-III wird gefördert durch die Alfred P. Sloan Foundation, die Partner-Einrichtungen, die National Science Foundation, und das U.S. Department of Energy Office of Science. Die SDSS-III Webseite ist http://www.sdss3.org/.

 

Bild:
Das  Bild zeigt einen Ausschnitt der Karte der großräumigen Struktur unseres Universums vom Sloan Digital Sky Survey und dem Baryon Oscillation Spectroscopic Survey. Jeder Punkt in diesem Bild stellt die Position einer Galaxie vor 6 Milliarden Jahren dar. Das Bild deckt etwa ein Zwanzigstel des Himmels ab, eine sechs Milliarden Lichtjahre breite, 4,5 Milliarden Lichtjahre hohe und 500 Millionen Lichtjahre tiefe Scheibe des Universums. Die Farben stehen für den Abstand zur Erde von gelb (nah) bis violett (entfernt). Die Galaxien zeigen starke Anhäufungen, Superhaufen und Leerräume dazwischen, deren Präsenz bereits durch Dichtefluktuationen im allerersten Sekundenbruchteil nach dem Urknall vorherbestimmt wurde. Das Bild enthält insgesamt 48.741 Galaxien, entsprechend etwa drei Prozent des gesamten Datenbestands. Graue Flecken sind kleine Regionen ohne Beobachtungsdaten.

Credit: Daniel Eisenstein und SDSS-III.

 

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Das Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam (AIP) widmet sich astrophysikalischen Fragen, die von der Untersuchung unserer Sonne bis zur Entwicklung des Kosmos reichen. Forschungsschwerpunkte sind dabei kosmische Magnetfelder und extragalaktische Astrophysik sowie die Entwicklung von Forschungstechnologien in den Bereichen Spektroskopie, robotische Teleskope und E-Science. Seinen Forschungsauftrag führt das AIP im Rahmen zahlreicher nationaler, europäischer und internationaler Kooperationen aus. Das Institut ist Nachfolger der 1700 gegründeten Berliner Sternwarte und des 1874 gegründeten Astrophysikalischen Observatoriums Potsdam, das sich als erstes Institut weltweit ausdrücklich der Astrophysik widmete. Seit 1992 ist das  AIP Mitglied der Leibniz-Gemeinschaft.