Die dunkle Seite des Universums

Was hat es mit der Dunklen Energie auf sich? Welche Eigen­schaften besitzt sie? Diese Fragen zählen zu den heißen Themen der Astronomie. Einen wichtigen Beitrag zur Erforschung der geheimnis­vollen Kraft liefert jetzt die bisher größte drei­dimensionale Karte des Universums: Sie enthält 1,2 Millionen Galaxien in einem Volumen von 650 Milliarden Kubiklichtjahren. Hunderte Wissenschaftler – darunter auch aus den Max-Planck-Instituten für Astro­physik und für extra­terrestrische Physik – haben diese Karte für präzise Messungen der großen Unbe­kannten genutzt. Die Forscher fanden eine sehr gute Über­einstimmung mit dem kosmo­logischen Standard­modell und 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 Wissen­schaftlern aus dem Sloan Digital Sky Survey III (SDSS-III) an. Die Beobachtungen waren Teil des Baryon Oscil­lation Spectro­scopic Survey (BOSS). Die dabei erstellte Karte ist vom ständigen Tauziehen zwischen der unbekannten Dunklen Materie und der ebenso geheimnis­vollen Dunklen Energie geprägt. Sie ermöglicht es den Astronomen, die Ausdehnungs­rate des Universums zu vermessen, indem sich die Größe der baryonischen akustischen Oszil­lationen (BAO) in der dimensionalen Verteilung der Galaxien bestimmen lässt.

Denn das sehr junge All war bis zu einem Alter von etwa 400.000 Jahren nach dem Urknall von Schallwellen durchzogen; danach froren diese in der Materie­Verteilung des Universums quasi ein und hinterließen ein charak­teristisches Muster. Als Folge davon sind Galaxien bevorzugt durch einen ganz bestimmten Abstand voneinander getrennt, der als BAO-Skala bezeichnet wird. Die ursprüng­liche Größe dieser BAO-Skala ließ sich aus Beobach­tungen des kosmischen Mikro­wellenhinter­grundes 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 bestimmten 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.

Für die sehr genauen Messungen mussten die Daten allerdings auch sorgfältig analysiert werden. Insbesondere stellte die Bestimmung der Ent­fernungen zu den Galaxien eine große Heraus­forderung dar. Diese wird aus den Spektren abgeleitet. Dabei ist das Licht der Milch­straßen­systeme in den roten Bereich verschoben, weil sie sich von uns entfernen. Diese Rot­verschiebung hängt unmittelbar mit dem Abstand zusammen: Je weiter eine Galaxie von uns entfernt ist, desto schneller flieht sie vor uns. „Daneben führen die Galaxien aber auch Eigen­bewegungen aus. Und deren Geschwindig­keitskompo­nente entlang der Sichtlinie bewirkt eine Verzerrung der Rot­verschiebungen“, sagt Shun Saite vom Max-Planck-Institut für Astrophysik, der ausge­klügelte Modelle zur BOSS-Daten­analyse lieferte.

Wegen des genannten Effekts ist die Verteilung der Galaxien richtungs­abhängig, also anisotrop, weil die Sichtlinie jetzt als Richtung im Raum aus­gezeichnet ist. Nur in dieser Richtung wird eine Entfernung bestimmt und zwar über die Rot­verschiebung, die durch die Eigen­geschwindigkeit kontaminiert ist. Das daraus resul­tierende charak­teristische Muster erlaubt es den Astronomen, die Eigen­geschwindig­keiten der Galaxien zu messen. Diese Eigen­geschwindig­keiten wiederum werden aus­schließlich von der Gravitation beeinflusst. So erlaubt die Messung einer solchen Geschwindig­keit 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. Um die Daten richtig zu inter­pretieren, entwickelten die Forscher ein ver­feinertes Modell, das die Galaxien­verteilung beschreibt.

Für seine Doktor­arbeit verfolgte ein Wissen­schaftler am MPE 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. Diese von Albert Einstein eingeführte Konstante Lambda beschreibt eine Größe, die der Gravitations­kraft der Materie entgegen­wirkt, sie wirkt abstoßend. Darüber hinaus stehen alle Ergebnisse mit dem kosmo­logischen Standard­modell in Einklang, das mit sechs Para­metern die Entwicklung des Weltalls seit dem Urknall beschreibt.

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. Die beobachtete Menge der ein­fallenden Materie entspricht dabei 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.

MPE / JOL