Don Lincoln ist leitender Wissenschaftler am Fermilab des US-Energieministeriums, der größten Forschungsinstitution für Large Hadron Collider des Landes. Er schreibt auch über Wissenschaft für die Öffentlichkeit, einschließlich seiner jüngsten "The Large Hadron Collider: Die außergewöhnliche Geschichte des Higgs-Bosons und anderer Dinge, die Sie umhauen werden"(Johns Hopkins University Press, 2014). Sie können ihm folgenFacebook. Lincoln hat diesen Artikel zu Live Science beigetragenExpertenstimmen: Op-Ed & Insights.
Solange wir Aufzeichnungen geführt haben, hat die Menschheit den Nachthimmel bestaunt. Wir haben in den Himmel geschaut, um den Willen der Götter zu bestimmen und uns über die Bedeutung von allem zu wundern. Die bloßen 5.000 Sterne, die wir mit bloßem Auge sehen können, sind seit Jahrtausenden die Gefährten der Menschheit.
Moderne astronomische Einrichtungen haben uns gezeigt, dass das Universum nicht nur aus Tausenden von Sternen besteht, sondern aus Hunderten von Milliarden von Sternen allein in unserer Galaxie mit Billionen von Galaxien. Observatorien haben uns über die Geburt und Entwicklung des Universums unterrichtet. Und am 3. August machte eine neue Einrichtung ihre erste inhaltliche Ankündigung und trug zu unserem Verständnis des Kosmos bei. Es erlaubt uns, das Unsichtbare zu sehen, und es zeigte, dass die Verteilung der Materie im Universum ein wenig von den Erwartungen abweicht.
Der Dark Energy Survey (DES) ist eine Zusammenarbeit von etwa 400 Wissenschaftlern, die eine fünfjährige Mission zur Untersuchung entfernter Galaxien begonnen haben, um Fragen zur Geschichte des Universums zu beantworten. Es verwendet die Dark Energy Camera (DEC), die am 4-Meter-Teleskop Victor M. Blanco am Interamerikanischen Observatorium Cerro Tololo in den chilenischen Anden angebracht ist. DEC wurde in den USA in Fermilab bei Batavia, Illinois, zusammengebaut und ist eine 570-Megapixel-Kamera, die Galaxien so weit abbilden kann, dass ihr Licht ein Millionstel so hell ist wie die dunkelsten sichtbaren Sterne.
Dunkle Energie und dunkle Materie
DES sucht nach dunkler Energie, einem vorgeschlagenen Energiefeld im Universum, das eine abstoßende Form der Schwerkraft darstellt. Während die Schwerkraft eine unwiderstehliche Anziehungskraft ausübt, treibt dunkle Energie das Universum dazu, sich immer schneller auszudehnen. Seine Wirkung wurde erstmals 1998 beobachtet, und wir haben noch viele Fragen zu seiner Natur.
Durch Messung der Position und Entfernung von 300 Millionen Galaxien am südlichen Nachthimmel kann die Umfrage jedoch wichtige Aussagen über ein anderes astronomisches Rätsel treffen, das als Dunkle Materie bezeichnet wird. Es wird angenommen, dass dunkle Materie im Universum fünfmal häufiger vorkommt als gewöhnliche Materie. Es interagiert jedoch nicht mit Licht, Radiowellen oder irgendeiner Form elektromagnetischer Energie. Und es scheint sich nicht zu versammeln, um große Körper wie Planeten und Sterne zu bilden.
Es gibt keine Möglichkeit, dunkle Materie direkt zu sehen (daher der Name). Die Auswirkungen können jedoch indirekt gesehen werden, indem analysiert wird, wie schnell sich Galaxien drehen. Wenn Sie die Drehzahlen berechnen, die von der sichtbaren Masse der Galaxien unterstützt werden, werden Sie feststellen, dass sie sich schneller drehen als sie sollten. Diese Galaxien sollten auf jeden Fall auseinandergerissen werden. Nach jahrzehntelanger Forschung haben Astronomen festgestellt, dass jede Galaxie dunkle Materie enthält, die die zusätzliche Schwerkraft erzeugt, die die Galaxien zusammenhält.
Dunkle Materie im Universum
Im viel größeren Maßstab des Universums reicht es jedoch nicht aus, einzelne Galaxien zu untersuchen. Ein anderer Ansatz ist erforderlich. Dafür müssen Astronomen eine Technik anwenden, die als Gravitationslinsen bezeichnet wird.
Gravitationslinsen wurden 1916 von Albert Einstein vorhergesagt und erstmals 1919 von Sir Arthur Eddington beobachtet. Einsteins allgemeine Relativitätstheorie besagt, dass die Schwerkraft, die wir erleben, tatsächlich durch die Krümmung der Raumzeit verursacht wird. Da sich Licht in einer geraden Linie durch den Raum bewegt, sieht es für einen Betrachter so aus, als würde Licht einen gekrümmten Weg durch den Raum zurücklegen, wenn die Raumzeit gekrümmt ist.
Dieses Phänomen kann genutzt werden, um die Menge und Verteilung der Dunklen Materie im Universum zu untersuchen. Wissenschaftler, die auf eine entfernte Galaxie (die sogenannte Linsengalaxie) blicken, hinter der sich noch eine weitere Galaxie befindet (die als beobachtete Galaxie bezeichnet wird), können ein verzerrtes Bild der beobachteten Galaxie sehen. Die Verzerrung hängt mit der Masse der Linsengalaxie zusammen. Da die Masse der Linsengalaxie eine Kombination aus sichtbarer Materie und dunkler Materie ist, können Wissenschaftler mit Gravitationslinsen die Existenz und Verteilung dunkler Materie auf Skalen beobachten, die so groß sind wie das Universum selbst. Diese Technik funktioniert auch, wenn ein großer Cluster von Vordergrundgalaxien die Bilder von Clustern von noch weiter entfernten Galaxien verzerrt. Dies ist die für diese Messung verwendete Technik.
Klumpig oder nicht?
Die DES-Zusammenarbeit hat kürzlich eine Analyse veröffentlicht, die genau diese Technik verwendet. Das Team untersuchte eine Stichprobe von 26 Millionen Galaxien in vier verschiedenen Entfernungen von der Erde. Die näheren Galaxien haben diejenigen entfernt, die weiter entfernt waren. Mithilfe dieser Technik und genauer Betrachtung der Verzerrung der Bilder aller Galaxien konnten sie die Verteilung der unsichtbaren dunklen Materie und ihre Bewegung und Verklumpung in den letzten 7 Milliarden Jahren oder die Hälfte der Lebensdauer der Galaxien abbilden Universum.
Wie erwartet stellten sie fest, dass die dunkle Materie des Universums "klumpig" war. Es gab jedoch eine Überraschung - es war etwas weniger klumpig als von früheren Messungen vorhergesagt.
Eine dieser widersprüchlichen Messungen stammt aus dem verbleibenden Funksignal aus der frühesten Zeit nach dem Urknall, dem so genannten kosmischen Mikrowellenhintergrund (CMB). Das CMB enthält die Verteilung der Energie im Kosmos, als es 380.000 Jahre alt war. Im Jahr 1998 gab die Zusammenarbeit mit Cosmic Background Explorer (COBE) bekannt, dass der CMB nicht perfekt einheitlich war, sondern heiße und kalte Stellen aufwies, die sich um 1 Teil von 100.000 von der Uniform unterschieden. Die Satelliten Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) und Planck bestätigten und verfeinerten die COBE-Messungen.
In den 7 Milliarden Jahren zwischen der Emission des CMB und dem von DES untersuchten Zeitraum haben diese heißeren Regionen des Universums die Strukturbildung des Kosmos ausgelöst. Die ungleichmäßige Energieverteilung, die im CMB erfasst wurde, führte in Kombination mit der verstärkenden Schwerkraft dazu, dass einige Punkte im Universum dichter wurden und andere weniger. Das Ergebnis ist das Universum, das wir um uns herum sehen.
Das CMB sagt die Verteilung der Dunklen Materie aus einem einfachen Grund voraus: Die Verteilung der Materie in unserem Universum in der Gegenwart hängt von ihrer Verteilung in der Vergangenheit ab. Wenn es in der Vergangenheit einen Klumpen Materie gäbe, würde diese Materie nahegelegene Materie anziehen und der Klumpen würde wachsen. Wenn wir in die ferne Zukunft projizieren würden, würde sich die Verteilung der Materie heute aus demselben Grund auf die Zukunft auswirken.
Daher haben Wissenschaftler Messungen des CMB 380.000 Jahre nach dem Urknall verwendet, um zu berechnen, wie das Universum 7 Milliarden Jahre später aussehen sollte. Beim Vergleich der Vorhersagen mit den Messungen von DES stellten sie fest, dass die DES-Messungen etwas weniger klumpig waren als die Vorhersagen.
Unvollständiges Bild
Ist das eine große Sache? Könnte sein. Die Unsicherheit oder der Fehler in den beiden Messungen ist groß genug, um nicht statistisch signifikant zu widersprechen. Das bedeutet einfach, dass niemand sicher sein kann, dass die beiden Messungen wirklich nicht übereinstimmen. Es kann sein, dass die Abweichungen zufällig durch statistische Schwankungen der Daten oder kleine instrumentelle Effekte entstehen, die nicht berücksichtigt wurden.
Sogar die Autoren der Studie würden hier Vorsicht walten lassen. Die DES-Messungen wurden noch nicht von Experten begutachtet. Die Beiträge wurden zur Veröffentlichung eingereicht und die Ergebnisse auf Konferenzen vorgestellt. Feste Schlussfolgerungen sollten jedoch warten, bis die Berichte der Schiedsrichter eingehen.
Also, was ist die Zukunft? DES hat eine fünfjährige Mission, von der vier Jahre Daten aufgezeichnet wurden. Das kürzlich angekündigte Ergebnis verwendet nur die Daten des ersten Jahres. Neuere Daten werden noch analysiert. Darüber hinaus wird der vollständige Datensatz 5.000 Quadratgrad des Himmels abdecken, während das jüngste Ergebnis nur 1.500 Quadratgrad abdeckt und nur die Hälfte der Zeit zurückblickt. Somit ist die Geschichte eindeutig nicht vollständig. Eine Analyse des gesamten Datensatzes wird möglicherweise erst 2020 erwartet.
Die heute bereits erhobenen Daten könnten jedoch bedeuten, dass unser Verständnis der Entwicklung des Universums möglicherweise spannend ist. Und selbst wenn diese Spannung verschwindet, wenn mehr Daten analysiert werden, führt die DES-Zusammenarbeit weiterhin andere Messungen durch. Denken Sie daran, dass die Buchstaben "DE" im Namen für dunkle Energie stehen. Diese Gruppe wird uns irgendwann etwas über das Verhalten der Dunklen Energie in der Vergangenheit und darüber erzählen können, was wir in Zukunft erwarten können. Diese jüngste Messung ist nur der Anfang einer voraussichtlich wissenschaftlich faszinierenden Zeit.
Diese Version des Artikels wurde ursprünglich auf Live Science veröffentlicht.
