Expansion des Universums mit beispielloser Präzision gemessen

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Ein künstlerischer Blick auf die Zusammenarbeit von Quasaren und BOAs, um die Expansion des Universums zu messen. Licht von entfernten Quasaren wird von Gas absorbiert, das mit einem Muster von BOAs aus dem frühen Universum geprägt ist. (Bildnachweis: Zosia Rostomian, Lawrence Berkeley National Laboratory und Andreu Font-Ribera, BOSS Lyman-alpha Team, Berkeley Lab)



Wissenschaftler, die mehr als 140.000 extrem helle Galaxien untersucht haben, haben die Ausdehnung des Universums mit beispielloser Genauigkeit berechnet.



Die fernen Galaxien, bekannt als Quasare , dienen als „Standardlineal“, um Dichtevariationen im Universum abzubilden. Physiker konnten ihre Berechnungen fast doppelt so weit zurückreichen wie bisher.

Mithilfe des Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS) haben zwei Physikerteams das Wissen der Wissenschaftler über die mysteriöse dunkle Energie verbessert, die das sich beschleunigende Universum antreibt. Durch die nahezu Verdreifachung der Zahl der zuvor untersuchten Quasare sowie die Implementierung einer neuen Technik konnten die Wissenschaftler die Expansionsrate auf 68 Kilometer pro Sekunde pro 1 Million Lichtjahre genauer berechnen und gleichzeitig weiter zurückblicken rechtzeitig. [ 8 verblüffende Astronomie-Mysterien ]



Andreu Font-Ribera vom Lawrence Berkeley National Laboratory des US-Energieministeriums leitete eines der beiden Teams, während Timothée Delubac von der EPFL in der Schweiz und das französische Centre de Saclay das andere anführten. Font-Ribera präsentierte die neuen Erkenntnisse im April bei einem Treffen der American Physical Society in Savannah, Georgia.

Die neue Forschung 'erkundet eine Region des Universums, die zuvor nicht erforscht wurde', sagte Font-Ribera.

Dehnen des Standardlineals



Das expandierende Universum dehnt Lichtwellen, während sie es durchqueren, ein Prozess, den Astronomen als Rotverschiebung bezeichnen. Die physikalische Entfernung eines Objekts vom Beobachter hängt davon ab, wie schnell sich das Universum ausdehnt.

Baryonische akustische Oszillationen (BAOs) sind Schallwellen, die im frühen Universum in große Materiestrukturen eingeprägt wurden. Konkurrierende Kräfte der nach innen drückenden Schwerkraft und des nach außen gerichteten, wärmebedingten Drucks verursachen Schwingungen ähnlich den Schallwellen in der baryonischen oder „normalen“ Materie im Universum.

Dunkle Materie , die nur gravitativ mit normaler Materie wechselwirkt, bleibt im Zentrum der Schallwelle, während die baryonische Materie nach außen wandert und schließlich eine Hülle mit einem festgelegten Radius bildet, der als Schallhorizont bekannt ist.



Quasare sind wie andere Galaxien von Staub umgeben. Licht, das Galaxien verlässt, strömt durch diesen Staub und enthüllt den Abdruck der BAOs. Die Untersuchung dieses Lichts ermöglicht es den Forschern, die Verteilung von Quasaren sowie des Gases im frühen Universum zu kartieren.

Durch die Verwendung von BOSS, der größten Komponente des dritten Sloan Digital Sky Survey, um BAOs zu kartieren, können Wissenschaftler bestimmen, wie Materie im frühen Universum verteilt ist. Wenn es um die Messung der Expansion des Universums geht, dienen BAOs als „Standard-Herrscher“.

'Wir glauben, seine Größe zu kennen, und seine scheinbare Größe hängt davon ab, wie weit es entfernt ist', sagte Patrick McDonald vom Canadian Institute for Theoretical Astrophysics auf der Konferenz.

Bisher haben Astronomen mit BAOs die Entfernungen zu Galaxien gemessen, um die Massenverteilung im Universum und damit die Expansionsrate des Universums zu bestimmen. Galaxien werden jedoch in größeren Entfernungen schwächer, sodass sich bisherige Studien darauf beschränkten, nur 6 Milliarden Lichtjahre in die 13,8 Milliarden Jahre lange Lebensdauer des Universums zurückzublicken.

Font-Ribera und sein Team, zu dem auch McDonald gehörte, leisteten Pionierarbeit Methode zur Messung von BAOs durch die Verwendung von Quasaren, das sind Galaxien, die aufgrund der Aktivität eines supermassiven Schwarzen Lochs in ihrem Zentrum viel heller als normal sind. Wenn Materie in das Schwarze Loch fällt, wird es extrem heiß und strahlt Licht mit viel helleren Wellenlängen und über größere Entfernungen als herkömmliche Galaxien aus. Dies ermöglichte es den Wissenschaftlern, die Massenverteilung des Universums über 12 Milliarden Jahre hinweg zu messen.

Die Forschung von Font-Ribera umfasste etwa 50.000 Quasare. Die neue Studie des Delubac-Teams hat fast dreimal so viele Quellen überprüft und die Expansionsrate mit einer Genauigkeit von 2,2 Prozent genauer berechnet. [ Sehen Sie Bilder von dunkler Materie im Universum ]

'Wenn wir auf das Universum zurückblicken, als es weniger als ein Viertel seines heutigen Alters war, würden wir sehen, dass ein Paar von Galaxien, die eine Million Lichtjahre voneinander entfernt sind, mit einer Geschwindigkeit von 68 Kilometern pro Sekunde auseinanderdriften, als die Universum expandiert“, sagte Font-Ribera in einer begleitenden Pressemitteilung.

'Die Unsicherheit beträgt plus oder minus nur eineinhalb Kilometer pro Sekunde.'

Das expandierende Universum

Im frühen zwanzigsten Jahrhundert, Astronom Edwin Hubble festgestellt, dass sich die Galaxien im Universum alle von der Milchstraße entfernen, weil sich das Universum ausdehnt. Weitere Studien führten Astronomen zu dem Schluss, dass sich die Expansionsrate eher beschleunigt als verlangsamt.

McDonald verglich den Vorgang mit einem in die Luft geworfenen Ball.

'Beschleunigung ist, als würde man den Ball hochwerfen, und er geht immer schneller nach oben', sagte McDonald. 'Keine normale anziehende Schwerkraft wird das tun.'

Astronomen stellten fest, dass eine unsichtbare Kraft, die als 'dunkle Energie' bezeichnet wird, die Beschleunigung verursacht. McDonald nennt dunkle Energie einen „Platzhalter“, weil Wissenschaftler nicht sicher sind, was genau das ist.

'Mir scheint es durchaus möglich, dass es mit einem fundamentalen Loch in unserem Verständnis der Physik zusammenhängt', sagte er.

Um dieses Loch zu schließen, müssen die Wissenschaftler weiterhin mehr über die Dunkle Energie lernen, einschließlich ihrer Rolle bei der Beschleunigung der Expansion des Universums.

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