Forscher des Sloan Digital Sky Survey (SDSS), die modernste Informatik auf eine Fülle neuer astronomischer Daten anwenden, berichteten heute über den ersten robusten Nachweis der kosmischen Vergrößerung in großem Maßstab, eine Vorhersage von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie für die Verteilung von Galaxien , dunkle Materie und entfernte Quasare.
Diese Ergebnisse, die zur Veröffentlichung im Astrophysical Journal angenommen wurden, beschreiben die subtilen Verzerrungen, die Licht erfährt, wenn es von entfernten Quasaren durch das Netz aus dunkler Materie und Galaxien wandert, bevor es Beobachter hier auf der Erde erreicht.
Die SDSS-Entdeckung beendet eine zwei Jahrzehnte alte Meinungsverschiedenheit zwischen früheren Vergrößerungsmessungen und anderen kosmologischen Tests der Beziehung zwischen Galaxien, dunkler Materie und der Gesamtgeometrie des Universums.
"Die Verzerrung der Formen von Hintergrundgalaxien aufgrund von Gravitationslinsen wurde erstmals vor über einem Jahrzehnt beobachtet, aber niemand konnte den Vergrößerungsteil des Linsensignals zuverlässig erfassen", erklärte der leitende Forscher Ryan Scranton von der University of Pittsburgh.
Während das Licht seine 10 Milliarden Jahre lange Reise von einem entfernten Quasar aus unternimmt, wird es durch die Anziehungskraft der Dunklen Materie und der Galaxien abgelenkt und fokussiert, ein Effekt, der als Gravitationslinse bekannt ist. Die SDSS-Forscher haben die leichte Aufhellung oder „Vergrößerung“ von Quasaren definitiv gemessen und den Effekt mit der Dichte von Galaxien und dunkler Materie entlang des Weges des Quasarlichts in Verbindung gebracht. Das SDSS-Team hat diese Vergrößerung bei der Helligkeit von 200.000 Quasaren festgestellt.
Während Gravitationslinsen eine grundlegende Vorhersage für Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie sind, fügt die Entdeckung der SDSS-Kollaboration eine neue Dimension hinzu.
"Die Beobachtung des Vergrößerungseffekts ist eine wichtige Bestätigung für eine grundlegende Vorhersage von Einsteins Theorie", erklärte SDSS-Mitarbeiter Bob Nichol von der University of Portsmouth (UK). "Es gibt uns auch eine entscheidende Konsistenzprüfung des Standardmodells, das entwickelt wurde, um das Zusammenspiel von Galaxien, Galaxienhaufen und dunkler Materie zu erklären."
Seit zwei Jahrzehnten versuchen Astronomen, diesen Aspekt der Gravitationslinse zu messen. Das Vergrößerungssignal ist jedoch ein sehr kleiner Effekt - nur wenige Prozent mehr Licht, das von jedem Quasar kommt. Das Erkennen einer so kleinen Änderung erforderte eine sehr große Stichprobe von Quasaren mit präzisen Messungen ihrer Helligkeit.
"Während viele Gruppen in der Vergangenheit Entdeckungen kosmischer Vergrößerung gemeldet haben, waren ihre Datensätze nicht groß genug oder präzise genug, um eine endgültige Messung zu ermöglichen, und die Ergebnisse waren schwer mit der Standardkosmologie zu vereinbaren", fügte Brice Menard hinzu, ein Forscher am Institut für fortgeschrittene Studien in Princeton, NJ.
Der Durchbruch gelang Anfang dieses Jahres mit einer genau kalibrierten Probe von 13 Millionen Galaxien und 200.000 Quasaren aus dem SDSS-Katalog. Die vom SDSS verfügbaren vollständig digitalen Daten lösten viele der technischen Probleme, die bei früheren Versuchen zur Messung der Vergrößerung auftraten. Der Schlüssel zur neuen Messung war jedoch die Entwicklung einer neuen Methode zum Auffinden von Quasaren in den SDSS-Daten.
"Wir haben die neuesten Ideen aus der Welt der Informatik und Statistik auf unsere Daten übertragen", erklärte Gordon Richards von der Princeton University.
Richards erklärte, dass SDSS-Wissenschaftler mithilfe neuer statistischer Techniken eine zehnmal größere Quasarprobe als herkömmliche Methoden extrahieren konnten, was die außerordentliche Präzision ermöglichte, die zum Auffinden des Vergrößerungssignals erforderlich ist. "Ohne diese Techniken wäre unsere eindeutige Erkennung des Linsensignals nicht möglich gewesen", schloss Richards.
Jüngste Beobachtungen der großräumigen Verteilung von Galaxien, des kosmischen Mikrowellenhintergrunds und entfernter Supernovae haben Astronomen veranlasst, ein „Standardmodell“ der Kosmologie zu entwickeln. In diesem Modell stellen sichtbare Galaxien nur einen kleinen Bruchteil der gesamten Masse des Universums dar, der Rest besteht aus dunkler Materie.
Um frühere Messungen des kosmischen Vergrößerungssignals mit diesem Modell in Einklang zu bringen, mussten unplausible Annahmen darüber getroffen werden, wie Galaxien relativ zur dominanten dunklen Materie verteilt sind. Dies führte einige zu dem Schluss, dass das kosmologische Grundbild falsch oder zumindest inkonsistent war. Die genaueren SDSS-Ergebnisse zeigen jedoch, dass frühere Datensätze der Herausforderung der Messung wahrscheinlich nicht gewachsen waren.
"Mit den Qualitätsdaten aus dem SDSS und unserer viel besseren Methode zur Auswahl von Quasaren haben wir dieses Problem behoben", sagte Scranton. "Unsere Messung stimmt mit dem Rest des Universums überein, und die nörgelnde Meinungsverschiedenheit ist gelöst."
"Nachdem wir nun gezeigt haben, dass wir die kosmische Vergrößerung zuverlässig messen können, wird der nächste Schritt darin bestehen, die Wechselwirkung zwischen Galaxien, dunkler Materie und Licht genauer zu untersuchen", sagte Andrew Connolly der Universität von Pittsburgh.
Originalquelle: SDSS-Pressemitteilung
