Jeder winzige Punkt in dieser dreidimensionalen Darstellung des Quaia-Katalogs ist ein Quasar. Der Spalt in der Mitte ist dort, wo die Ebene unserer Milchstraße den Himmel halbiert und die Sicht versperrt.(Bildnachweis: ESA/Gaia/DPAC; Lucy Reading-Ikkanda/Simons Foundation; K. Storey-Fisher et al. 2023)
Aus den Positionen von fast 1,3 Millionen Quasaren wurde eine riesige Karte des Universums erstellt; einige dieser Quasare existierten bereits 1,5 Milliarden Jahre nach dem Urknall.
Durch den Vergleich dieser neuen Karte mit dem so genannten kosmischen Mikrowellenhintergrund (CMB) konnten die Wissenschaftler die Verteilung und Dichte der Materie im Universum grob verifizieren, was weitere Anhaltspunkte dafür liefert, wie sich die großräumigen Strukturen im Universum im Laufe der kosmischen Geschichte entwickelt haben.
Die Karte basiert auf einem Katalog von 1.295.502 Quasarpositionen und Rotverschiebungen und trägt den Namen „Quaia“, ein Portmanteau aus den Wörtern „Quasar“ und „Gaia“, das sich auf die astrometrische Weltraummission Gaia der Europäischen Weltraumorganisation bezieht. Das Hauptziel von Gaia besteht darin, die Positionen und Bewegungen von bis zu einer Milliarde Sternen in unserer Milchstraßengalaxie zu kartieren – dabei werden aber auch Millionen von Hintergrundgalaxien und Quasaren beobachtet.
„Wir waren in der Lage, Messungen darüber vorzunehmen, wie sich die Materie im frühen Universum zusammenballt, die so präzise sind wie einige der Daten aus großen internationalen Vermessungsprojekten – was ziemlich bemerkenswert ist, wenn man bedenkt, dass wir unsere Daten als Bonus aus dem auf die Milchstraße fokussierten Gaia-Projekt erhalten haben“, sagte Kate Storey-Fisher vom Donostia International Physics Center in Spanien in einer Erklärung. Storey-Fisher leitete das Team, das die Karte zusammenstellte. Sie hatte das Projekt als Doktorandin an der New York University begonnen.
Quasare bieten hervorragende Anhaltspunkte für die Erstellung kosmologischer Karten. Ein Quasar ist der Kern einer aktiven Galaxie, in der ein supermassereiches Schwarzes Loch gierig riesige Mengen an Materie verschlingt. Obwohl dem Schwarzen Loch selbst kein Licht entgeht, bildet die auf es fallende Materie eine geordnete Schlange in einer spiralförmigen Akkretionsscheibe um den Schlund des Schwarzen Lochs. Diese Scheibe wird so dicht, dass die Reibung zwischen den Gasmolekülen die Temperaturen in der Region auf Millionen von Grad ansteigen lässt, während Magnetfelder geladene Teilchen in der Scheibe aufpeitschen und sie in Form von starken Jets nach außen schießen. Wenn wir die heiße Scheibe und den Jet fast frontal sehen können, scheinen sie heller zu leuchten als alles andere im Universum. Diese Leuchtkraft macht sie zu nützlichen Maßstäben, die selbst in großen kosmologischen Entfernungen relativ leicht zu erkennen sind.
Eine Infografik, die beschreibt, wie die Gaia-Daten zur Quasar-Karte beigetragen haben. (Bildnachweis: ESA/Gaia/DPAC/L. Reading-Ikkanda/Simons Foundation/K. Storey-Fisher et al. 2024)Darüber hinaus befinden sich Quasare in der Regel in den dichtesten Klumpen dunkler Materie im Universum, was insofern sinnvoll ist, als dass die Schwerkraft des umgebenden Halos dunkler Materie das gesamte Material für die Fütterungszeit des Schwarzen Lochs auf den Quasar zieht. Indem wir die leuchtkräftigsten Objekte im Universum kartieren, können wir auch das geheimnisvollste Material des Universums kartieren – die unsichtbare dunkle Materie.
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Storey-Fishers Team verglich auch die Verteilung und Dichte der dunklen Materie in ihrer Quaia-Karte mit Temperaturschwankungen im CMB, die die Verteilung und Dichte der Materie widerspiegeln, als das Universum gerade einmal 379.000 Jahre alt war. Sie fanden heraus, dass die Bereiche der Quaia-Karte, die sich auf die Dichte beziehen, in etwa mit dem übereinstimmen, was wir im CMB sehen (das so genannte Materie-Leistungsspektrum des CMB). Mit einer weiteren Verfeinerung, die möglich sein wird, wenn neue Daten von Gaia veröffentlicht werden, kann die Quaia-Karte sogar noch strengere Einschränkungen für das bieten, was wir aus dem CMB lernen können.
Ein künstlerischer Eindruck eines Quasars. (Bildnachweis: NASA/JPL-Caltech)
Es geht nicht darum, dass der Quaia-Katalog die meisten Quasare aller Zeiten oder sogar die beste Messqualität enthält, sagt Mitautor David Hogg vom Flatiron Institute’s Center for Computational Astrophysics in New York. Es ist die Tatsache, dass er uns etwas Neues zeigt.
„Dieser Quasarkatalog unterscheidet sich von allen bisherigen Katalogen dadurch, dass er uns eine dreidimensionale Karte des größten jemals vorhandenen Volumens des Universums liefert“, so Hogg. Dieses Volumen, kalibriert für die Hubble-Konstante, die beschreibt, wie sich das Universum ausdehnt, beträgt 7,67 kubische Gigaparsec (ein Parsec ist 3,26 Lichtjahre und ein Gigaparsec ist eine Milliarde Parsec oder 25 Milliarden kubische Lichtjahre).
Der Artikel, der den Quaia-Katalog und die Karte beschreibt, wurde am 18. März im Astrophysical Journal veröffentlicht, während der Vorabdruck des Artikels, der die Quaia-Karte mit dem CMB vergleicht, hier zu finden ist.
