15.05.2023

Wie sich die dunkle Energie verteilt

Röntgenteleskops eRosita liefert Daten aus den Galaxienhaufen im Universum.

1998 fanden Wissenschaftler durch die Beobachtung von Supernovae des Typs Ia heraus, dass im Universum eine Phase der beschleunigten Expansion begonnen hat. „Um diese Beschleunigung zu erklären, brauchen wir eine Quelle, die dunkle Energie“, sagt Joe Mohr, Astrophysiker an der Universität München (LMU). Sie liefert eine Art „Anti­schwerkraft“ zur Beschleunigung der kosmischen Expansion. Wissen­schaftlich betrachtet ist die Existenz der dunklen Energie und der kosmischen Beschleunigung durchaus überraschend, deutet sie doch darauf hin, dass unser derzeitiges Verständnis der Physik entweder unvollständig oder falsch ist. Nun hat I-Non Chiu von der National Cheng Kung University in Taiwan gemeinsam mit den LMU-Astro­physikern Matthias Klein, Sebastian Bocquet und Joe Mohr eine erste Untersuchung der dunklen Energie mit Hilfe des Röntgen­teleskops eRosita veröffentlicht, im Fokus stehen dabei die Galaxienhaufen im Universum.

Abb.: Röntgen- (o.) und optische Aufnahmen in Falschfarben (u.) von drei...
Abb.: Röntgen- (o.) und optische Aufnahmen in Falschfarben (u.) von drei massearmen Galaxienhaufen. (Bild: eRosita)

Die von der dunklen Energie möglicher­weise verursachte Antigravitation drückt Materie auseinander und verhindert die Bildung großer kosmischer Objekte, die sich sonst aufgrund der anziehenden Wirkung der Gravitation bilden würden. Die dunkle Energie beeinflusst somit auch, wo und wie Galaxienhaufen entstehen. „Wir können viel über die Natur der dunklen Energie lernen, wenn wir die Anzahl der im Universum gebildeten Galaxien­haufen als Funktion der Zeit oder in der Beobachtungswelt als Funktion der Rotverschiebung zählen“, erklärt Klein. Allerdings sind Galaxien­haufen extrem selten und schwer zu finden, was Durch­musterungen eines großen Teils des Himmels mit den empfindlichsten Teleskopen der Welt erfordert.

Zu diesem Zweck startete im Jahr 2019 das eRosita-Röntgenteleskop unter der Leitung des Max-Planck-Instituts für extra­terrestrische Physik (MPE). Es durchmustert seitdem den Himmel auf der Suche nach Galaxien­haufen. In der eRosita Final Equatorial-Depth Survey (eFEDS), einer Mini-Durchmusterung, die der Leistungs­überprüfung der folgenden All-Sky-Durchmusterung diente, wurden zunächst rund 500 Galaxienhaufen nachgewiesen. Es ist eine der größten Stichprobe massearmer Galaxienhaufen. Sie deckt die letzten zehn Jahr­milliarden in der kosmischen Entwicklung ab. Chiu und seine Kollegen nutzten für ihre Untersuchung nicht nur die eFEDS Daten, sondern zusätzlich die optischen Daten des Hyper-Suprime-Cam Subaru Strategic Program, das von Taiwan, Japan und Princeton University geleitet wird. Die Forscher nutzten diese Daten, um die Galaxienhaufen in eFEDS zu charak­terisieren und ihre Massen mithilfe des schwachen Gravitations­linseneffektes zu messen. Die Kombination beider Datensätze ermöglichte die erste kosmologische Studie mit Galaxien­haufen, die von eRosita entdeckt wurden.

Die Ergebnisse zeigen, dass die dunkle Energie nach dem Vergleich zwischen den Daten und den theoretischen Vorhersagen 76 Prozent der gesamten Energiedichte im Universum ausmacht. Außerdem ergaben die Berechnungen, dass die Energie­dichte der dunklen Energie gleichmäßig im Raum und konstant in der Zeit zu sein scheint. „Unsere Ergebnisse stimmen gut mit anderen unabhängigen Ansätzen überein, wie zum Beispiel früheren Unter­suchungen von Galaxienhaufen sowie solchen, die schwache Gravitationslinsen und den kosmischen Mikrowellen­hintergrund verwenden“, sagt Bocquet. Bislang deuten alle Beobachtungs­ergebnisse, einschließlich der jüngsten Ergebnisse von eFEDS, darauf hin, dass die dunkle Energie durch die kosmologische Konstante beschrieben werden kann.

„Die derzeitigen Fehler bei der Bestimmung der dunklen Energie sind zwar immer noch größer, als wir es uns wünschen würden, aber bislang nutzt unsere eFEDS-Stichprobe auch nur einen Bereich von weniger als einem Prozent des gesamten Himmels“, sagt Mohr. Die erste Analyse könnte somit eine gute Grundlage für künftige Studien der eRosita-Stichprobe für den gesamten Himmel sowie für andere Haufenproben bieten.

LMU / JOL

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