Beispiellose Messungen Dunkler Energie: Das Bisher Umfassendste Bild Der Geschichte Des Expandierenden Universums

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Beispiellose Messungen dunkler Energie: Das bisher umfassendste Bild der Geschichte des expandierenden Universums 1

Am 4-Meter-Teleskop von Nicholas U. Mayall am Kitt Peak National Observatory des US National Trust in Arizona ist ein wissenschaftliches Instrument montiert, das eine der wichtigsten Studien durchführt, die jemals durchgeführt wurden. Es heißt DESI, was für Dark Energy Spectroscopic Instrument steht, und es führt eine fünfjährige Studie durch, um die größte 3D-Karte des Universums zu erstellen, die jemals erstellt wurde.

DESI, das Ergebnis einer internationalen wissenschaftlichen Zusammenarbeit von mehr als 900 Forschern aus mehr als 70 Institutionen auf der ganzen Welt, wird vom Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) des US-Energieministeriums verwaltet. Seit seiner Erforschung des Himmels im Jahr 2021 hat das Instrument alle 20 Minuten 5.000 Galaxien beobachtet, also insgesamt mehr als 100.000 Galaxien pro Nacht.

Astronomen führen nun eine erste Analyse der im ersten Beobachtungsjahr gewonnenen Daten durch. Anhand von Spektren naher Galaxien und entfernter Quasare konnten die Forscher die Expansionsgeschichte des Universums mit einer maximalen Genauigkeit von mehr als einem Prozent messen.

Die Ergebnisse bestätigen die Grundlagen des kosmologischen Standardmodells des Universums und liefern beispiellose Einblicke in die Natur der Dunklen Energie und ihre Auswirkungen auf die großräumige Struktur des Universums.

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Ein Fragment einer dreidimensionalen Galaxienkarte, die im ersten Betriebsjahr von DESI gesammelt wurde. Die Erde befindet sich an der Spitze und die am weitesten entfernten Galaxien liegen 11 Milliarden Lichtjahre entfernt. Jeder Punkt repräsentiert eine Galaxie. Diese Version der DESI-Karte umfasst 600.000 Galaxien, weniger als 0,1 % der gesamten Studie.

Das Universum kartieren, Galaxie für Galaxie

Um den Kosmos zu kartieren, sammelt DESI Licht von Millionen Galaxien in mehr als einem Drittel des gesamten Himmels. Durch die Aufschlüsselung des Lichts jeder Galaxie im Farbspektrum kann DESI bestimmen, wie viel Licht durch die Expansion des Universums in den Milliarden von Jahren, die es zurückgelegt hat, bevor es die Erde erreichte, verdrängt wurde. Generell gilt: Je größer die Rotverschiebung, desto weiter ist die Galaxie entfernt.

Ausgestattet mit 5.000 winzigen „Guckloch“-Robotern ist DESI in der Lage, diese Messungen in beispielloser Geschwindigkeit durchzuführen. Allein im ersten Jahr übertraf DESI alle bisherigen Studien dieser Art in Quantität und Qualität.

Die unglaublich umfassenden und präzisen Daten, die DESI im ersten Jahr sammelte, ermöglichten es Astronomen, die Expansionsrate des Universums bis vor 11 Milliarden Jahren zu messen, als der Kosmos nur ein Viertel seines heutigen Alters aufwies, und zwar mithilfe einer großräumigen Funktion Struktur des Universums namens Baryon Acoustic Oscillations (BAO).

Erforschung der Weltraumgeschichte mit BAO

BAO ist ein Restabdruck der Druckwellen, die das frühe Universum durchdrangen, als es nichts weiter als eine heiße, dichte Suppe aus subatomaren Teilchen war. Als sich das Universum ausdehnte und abkühlte, gefror die Wellen, fror die Wellen ein und ließ in den dichtesten Regionen die Keime zukünftiger Galaxien entstehen.

Dieses Muster ist in der detaillierten DESI-Karte zu sehen , die Filamente von Galaxien gruppiert und durch Lücken getrennt zeigt, in denen es weniger Objekte gibt.

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Im Hintergrund sind die Galaxien zu sehen, die im ersten Jahr der fünfjährigen DESI-Studie kartiert wurden. Die Erde befindet sich im Zentrum dieses dünnen Ausschnitts der Gesamtkarte. Der vergrößerte Ausschnitt zeigt die Tiefenstruktur der Materie in unserem Universum.

Ab einer bestimmten Entfernung werden BAOs zu schwach, um von gewöhnlichen Galaxien entdeckt zu werden. Daher untersuchen Astronomen das, was von den extrem weit entfernten und hellen bekannten galaktischen Kernen, den sogenannten Quasaren, beleuchtet wird. Während das Licht von Quasaren durch den Weltraum wandert, wird es von intergalaktischen Gaswolken absorbiert, was es Astronomen ermöglicht, Taschen dichter Materie zu kartieren. Um diese Technik umzusetzen, verwendeten die Forscher 450.000 Quasare, die größte Menge, die jemals für diese Art von Studie zusammengestellt wurde.

Dank DESIs einzigartiger Fähigkeit, Millionen naher Galaxien und entfernter Quasare zu kartieren, können Astronomen die Ausbreitung von Wellen in verschiedenen Perioden der kosmischen Geschichte messen, um zu sehen, wie sich die Skala der Dunklen Energie bei ihrer Expansion verändert hat.

Detaillierte Weltraumgeschichte

Obwohl die Geschichte der Expansion des Universums möglicherweise komplexer ist als bisher angenommen, muss die Bestätigung bis zum Abschluss des DESI-Projekts warten. Bis zum Ende der fünfjährigen Studie will DESI mehr als 3 Millionen Quasare und 37 Millionen Galaxien kartieren. Sobald neue Daten verfügbar werden, werden Astronomen ihre Ergebnisse verfeinern.

„Dieses Projekt löst einige der größten Fragen der Astronomie, etwa die Natur der mysteriösen dunklen Energie, die die Expansion des Universums vorantreibt“, sagt Chris Davis, Direktor des NOIRLab-Programms an der NSF.

Und während DESI weiterhin mit seiner Leistung beeindruckt, wissen Wissenschaftler bereits, dass seine Daten im Einklang mit zukünftigen Himmelsdurchmusterungen des Vera K. Rubin Observatory und des Nancy Grace Roman Space Observatory funktionieren werden.

Derzeit untersucht die DESI-Kollaboration die Möglichkeiten einer Modernisierung des Instruments und plant, ihre kosmologischen Studien in der zweiten Phase, DESI-II, zu erweitern.


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