Galaxienpaare als kosmische Messlatte

Ein geometrisches Verfahren erlaubt die unabhängige Bestimmung der Dunklen Energie und bestätigt Vakuumenergie als wahrscheinlichste Ursache der beschleunigten Expansion.

Das Universum ist geometrisch flach, eine mysteriöse Dunkle Energie dominiert seine Energiedichte und diese Dunkle Energie lässt sich als konstante Vakuumenergie beschreiben. Mit einem von bisherigen Methoden völlig unabhängigen, rein geometrischen Verfahren ist es einem Forscher-Duo aus Frankreich gelungen, dieses Standardmodell der Kosmologie einmal mehr zu bestätigen. Das Verfahren liefert gegenwärtig zwar keine genaueren Werte für die Dunkle Energie als beispielsweise die Vermessung der Hintergrundstrahlung. Mit den Daten künftiger Durchmusterungen des Himmels nach Galaxien mit extrem hohen Rotverschiebungen könnte das Verfahren den Kosmologen jedoch strenge Einschränkungen für die Zustandsgleichung der Dunklen Energie liefern, hoffen die Forscher.

Abb.: Hubble-Aufnahme eines Galaxienpaars. Die Orientierung solcher Galaxienpaare sollte im Kosmos rein zufällig sein. (Bild: Nasa/Esa)

Seit Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie wissen wir, dass die Geometrie des Kosmos mit seiner Energiedichte (inklusive der Massendichte) verknüpft ist. Die kosmische Geometrie - also beispielsweise den Zusammenhang zwischen Entfernung und Winkeldurchmesser von Standardobjekten - zu vermessen ist jedoch ein schwieriges Unterfangen, da es keine Möglichkeit für eine direkte Entfernungsbestimmung über kosmologische Entfernungen gibt.

Das jetzt von Christian Marinoni und Adeline Buzzi vom Centre de Physique Théorique der Université de Provence in Marseille verwendete Verfahren geht auf eine schon 1979 von Charles Alcock und Bhodan Paczynski entwickelte Idee zurück. Diese Idee setzt die Existenz einer idealen sphärischen Struktur im Kosmos voraus. Aus der Messung von Rotverschiebungen und Winkeln auf der Oberfläche dieser Struktur ließe sich prinzipiell die Form der Struktur rekonstruieren. Allerdings erhielte man nur dann die korrekte sphärische Form, wenn man bei der Berechnung das korrekte kosmologische Modell verwendet.

Leider gibt es keine solchen idealen Strukturen im Kosmos. Doch Marinoni und Buzzi fanden einen gleichwertigen Ersatz: die Verteilung der räumlichen Orientierung von Galaxienpaaren. Die Erwartung ist, dass diese Orientierung rein zufällig ist, also keinerlei Vorzugsrichtung zeigt. Eine solche zufällige Orientierung erhält man aber nur - wie beim ursprünglichen Alcock-Paczynski-Test - bei Verwendung des korrekten kosmologischen Modells.

Unter Verwendung von Archivdaten des Sloan Digital Sky Survey (SDSS) und des DEEP2 Redshift Surveys finden Marinoni und Buzzi die beste Übereinstimmung mit der Annahme einer isotropen Verteilung der Orientierungen für eine Gesamtenergiedichte von Ω = 1,1 mit Fehlergrenzen von +0,2 und -0,35 - und damit in guter Übereinstimmung mit einem geometrisch flaches Universum, für das Ω = 1 ist -, sowie einen w-Parameter für die Dunkle Energie zwischen -0,85 und -1,12. Dieser Parameter definiert die Zustandsgleichung der Dunklen Energie, also den Zusammenhang zwischen ihrer Energiedichte und den von ihr ausgeübten Druck. Eine konstante Vakuumenergie hat einen Wert von w = -1. Das Verfahren liefert damit eine komplett von anderen Methoden unabhängige Bestätigung des Standardmodells in guter Übereinstimmung mit beispielsweise der Vermessung von Temperaturschwankungen der kosmischen Hintergrundstrahlung durch das Satellitenobservatorium WMAP.

Allerdings hat das Verfahren auch seine Schwächen, auf die Alan Heavens von der University of Edinburgh hinweist: So müssen Marinoni und Buzzi eine Eichung an lokalen Galaxienpaaren vornehmen, um den Anteil der Umlaufbewegungen an den Rotverschiebungen zu berücksichtigen. Es sei aber keinesfalls klar, so Heavens, dass die Verteilung der Umlaufbewegungen im lokalen Kosmos und bei großen Rotverschiebungen identisch sind. Zudem könne es in den Daten Auswahleffekte geben, die bestimmte Orientierungen von Galaxienpaaren bevorzugen.

Gleichwohl ist die Methode von Marinoni und Buzzi durch ihre Unabhängigkeit von anderen Verfahren für die Kosmologie von Bedeutung - und kann bei der Verwendung von Daten künftiger Durchmusterungen noch an Genauigkeit und Bedeutung gewinnen.

Rainer Kayser

AL