Die leuchtende Milchstraße und Hunderte von Sternen erstrecken sich über den Himmel hinter der Silhouette des Rubin-Observatoriums.(Bildnachweis: Bruno C. Quint)
Da sich unser Universum wie ein unzerstörbarer Ballon in alle Richtungen ausdehnt – dank der dunklen Energie, einer Kraft, die dem menschlichen Auge völlig verborgen bleibt -, versucht Dillon Brout, ein Astrophysiker, dem Ganzen einen Sinn zu geben.
Brout möchte die seltsame Korrelation zwischen dem unsichtbaren und dem sichtbaren Universum aufdecken, verstehen, wie das Gewebe der Raumzeit fließt, und vielleicht endlich die Wahrheit über das enthüllen, was den Kosmos dazu veranlasst, sich mit jedem Tag schneller und schneller auszudehnen.
Um dies zu erreichen, sammelt er Supernovas.
Bei der Auswahl der Supernovae, die ins Regal gestellt werden sollen, ist Brout jedoch nicht an allen interessiert. Diese Sternexplosionen werden normalerweise in zwei Hauptkategorien unterteilt: Typ 2 und Typ 1a. Brout will die vom Typ 1a, und seine Überlegungen sind eigentlich ganz einfach:
„Sie sind nicht alle genau gleich, aber sie sind sich sehr ähnlich“, sagt er gegenüber kosmischeweiten.de.
Im Grunde genommen muss man, um all die oben erwähnten Rätsel des Weltraums zu lösen, einige Entfernungen auf kosmologischen Skalen messen. Nur dann kann man zum Beispiel wissen, wie weit und wie schnell die dunkle Energie den Raum zur Expansion gezwungen hat. Rechnet man von dort aus zurück, erfährt man vielleicht auch etwas über die Natur der dunklen Energie selbst. Doch um selbst solch große Entfernungen und schwer fassbare Konzepte zu messen, um herauszufinden, wie weit wir zurückblicken können und wie viel weiter sich dieser Punkt zurückbewegt, braucht man immer noch so etwas Einfaches wie ein Lineal.
Glücklicherweise sind Supernovae des Typs 1a aufgrund ihrer standardisierten Helligkeit und ihres allgemeinen Verhaltens wie die Zecken auf einem Lichtjahre langen Lineal, das durch den Weltraum rast. Aus diesem Grund werden sie von Astronomen auch gerne als „Standardkerzen“ bezeichnet. Sie sind perfekte Leuchttürme, die uns den Weg weisen, wenn wir unsere Gleichungen kalibrieren und nach Antworten suchen. Je mehr wir haben, desto besser.
Eine Visualisierung einer Supernova vom Typ 1a. (Bildnachweis: NASA)
Auf der Suche nach Effizienz und Genauigkeit füllt Brout seine Supernova-Sammlung auf, indem er Algorithmen des maschinellen Lernens einsetzt, die so viele Supernovas des Typs 1a wie möglich ausfindig machen. (Ein weiterer Grund, warum die Standardisierung des Typs 1a hilfreich ist. Konsistente Algorithmen lieben Konsistenz.)
Er ist Teil der Dark Energy Survey-Kollaboration, und Anfang dieses Monats gab das Team bekannt, dass es seinen Algorithmen gelungen ist, 1.500 dieser leuchtenden natürlichen Marker zu entdecken – in nur fünf Jahren. Das ist eine ziemlich große Sache. Zum Vergleich: Laut Brout brauchten Wissenschaftler 30 Jahre regulärer Typ-1a-Suche (d. h. mit einem zuverlässigen Spektrographen), um die letzten 1.500 Objekte zu finden. DES hat dasselbe Ergebnis in etwa einem Sechstel dieser Zeitspanne erzielt.
„Einer der wichtigsten Punkte, die DES so besonders gemacht haben, ist, dass es so viele Bereiche am Himmel abdeckt“, sagte Brout und fügte hinzu, dass er seinen Algorithmen genug vertraut, um sagen zu können, dass eine Gegenprüfung der gleichen Parameter mehr oder weniger nicht notwendig ist.
Aber die Dinge werden sich bald stark beschleunigen.
Obwohl DES eine beeindruckende Anzahl von Typ 1a-Sternen gefunden hat, hat das zugehörige Instrument, die Dark Energy Camera, nur 30 Quadratgrad des Himmels abgedeckt. Das ist ein relativ kleiner Teil, sagt Brout. Hereinspaziert: Das Rubin-Observatorium.
Oder, genauer gesagt, der Legacy Survey of Space and Time, der ab dem nächsten Jahr zum Teil mit der hochmodernen LSST-Kamera erstellt wird.
Die Kuppel des Blanco-Teleskops, in der sich die Kamera für dunkle Energie befindet. (Bildnachweis: Reidar Hahn, Fermilab)
„LSST wird den gesamten beobachtbaren südlichen Nachthimmel beobachten“, sagte Brout. „Man wird von DES, das 1.500 entdeckt, zu LSST, das eine Million Alarme entdeckt, übergehen, und wir werden diese hoffentlich mithilfe von maschinellem Lernen und anderen Algorithmen herausfiltern, um einige 100.000 Supernovae vom Typ 1a zu erhalten.“
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Eine spezifische Frage, die auf eine Antwort wartet
Glücklicherweise ist das Rubin-Observatorium offiziell auf dem besten Weg, noch in diesem Jahr fertiggestellt zu werden, und das LSST wird seine Reise Anfang bis Mitte nächsten Jahres von der Spitze eines chilenischen Gipfels aus antreten, sagte Victor Krabbendam, der Leiter des Bauprojekts des Observatoriums, auf der 243. „Wir befinden uns etwa 10 Jahre vor der eigentlichen Bauphase“, sagte er. „Die Sonne geht unter und wir nähern uns dem Ziel.
Und tatsächlich hat Brout bereits ein bestimmtes Rätsel, das darauf wartet, mit dem LSST gelöst zu werden.
Mit ihrer in diesem Monat bekannt gegebenen großen Ausbeute von 1.500 Supernovae des Typs 1a haben Brout und seine Forscherkollegen gewissermaßen bestätigt, was wir derzeit über die so genannte „kosmologische Konstante“ wissen, die man sich als den Wert vorstellen kann, der die dunkle Energie in den Gleichungen für die Expansion des Universums darstellt. Sie erklärt den Teil der Beschleunigung, den die normale Physik nicht vollständig erklären kann. Diese „Bestätigung“ mag zunächst enttäuschend klingen, aber in gewisser Weise ist sie ein guter Fortschritt. Es bedeutet, dass eine der präzisesten Berechnungen der Expansion des Universums uns sagt, dass wir wahrscheinlich mit allem, was wir bisher über die dunkle Energie wissen, richtig liegen.
Interessanter ist jedoch, dass die Arbeit des Teams auch auf ein seltsames Muster hindeutet. „Wir haben einen Abschnitt in dem Papier, der alle verfügbaren Sonden für dunkle Energie kombiniert, nicht nur Supernova, und was wir sehen, ist, dass viele von ihnen auf einen etwas größeren Wert der ‚Zustandsgleichung‘ der dunklen Energie hinweisen, was bedeuten würde, dass es sich nicht um eine kosmologische Konstante handelt.“
Mit anderen Worten, das würde bedeuten, dass es keinen Wert gibt, der die dunkle Energie pauschal darstellt. Vielleicht ist sie flexibel.
„Einer der Hauptvorteile dieser neuen LSST-Analyse ist, dass wir viel mehr Supernovae im nahen Universum finden, und das liegt daran, dass wir einen so großen Bereich des Himmels abdecken“, sagte Brout. „Wenn man darüber nachdenkt, ist das nahe Universum das Universum, in dem wir aufgrund der Lichtgeschwindigkeit die Galaxien viel näher sehen, als sie heute sind. Wenn man sich das ferne Universum ansieht, sieht man das Universum, als es viel jünger war.“
Das ist wichtig, erklärt er, weil man annimmt, dass die Wirkung der dunklen Energie im jüngeren Universum am stärksten ist. Warum? Hier wird es wirklich merkwürdig.
„Wir denken, dass die dunkle Energie eine Eigenschaft des Raums selbst ist“, sagte Brout. „Das ist sozusagen das, was die kosmologische Konstante verkörpert, nämlich die Energie des leeren Raums.
Wenn die dunkle Energie eine Eigenschaft des leeren Raums ist, würde das bedeuten, dass es heute mehr dunkle Energie im Universum gibt als in der Vergangenheit. Das liegt daran, dass sich das Universum ausdehnt und dadurch mehr „Raum“ schafft.
„Wir glauben, dass sie sich nicht verdünnt, wenn sich das Universum ausdehnt“, sagte Brout, „das bedeutet, dass man im Verhältnis zur Menge der Materie im Universum und der dunklen Materie im Universum immer mehr dunkle Energie erhält.“
An dieser Stelle fragen Sie sich vielleicht, so wie ich es tat: Wie bitte, was? Ich dachte, das Universum ist abgeschlossen? Woher kommt die neue dunkle Energie? Sie kann doch nicht einfach so auftauchen, oder?
„Das ist die Millionen-Dollar-Frage“, sagte Brout. „Ist es nur eine Eigenschaft des Raums? Ist dies eine grundlegende Eigenschaft des Universums? Dass mit der Ausdehnung des Raums selbst natürlich auch mehr dunkle Energie entsteht?“
Und um dieser Frage auf den Grund zu gehen, steht bald eine millionenschwere Kamera zur Verfügung.
2025’s goldene Sternwarte
Es gibt noch vier wichtige Schritte, bevor Brout die Tage bis zum ersten Licht von LSST zählen kann. Zunächst muss das Rubin-Team einige wichtige Spiegel einsatzbereit machen. Dann muss die Mannschaft das für das Simonyi-Teleskop erforderliche Glas besorgen – das Berichten zufolge sogar ohne die richtige Glaskomponente durch Tests geflogen ist – und anschließend die Inbetriebnahmekamera montieren. Schließlich wird die rund 200 Millionen Dollar teure LSST-Kamera, die derzeit an der Westküste zusammengebaut wird, ihren Platz erhalten.
LSST-Kamera und SLAC-Kamerateam, fotografiert im LSST-Reinraum am 16. Januar 2024. (Bildnachweis: Jacqueline Ramseyer Orrell/SLAC National Accelerator Laboratory)
„Man muss es immer noch von Kalifornien zum Gipfel bringen. Es ist ein sehr empfindliches Instrument. Es ist insofern etwas Besonderes, als es eine 200 Millionen Dollar teure Kamera ist – unersetzlich“, so Krabbendam gegenüber kosmischeweiten.de.
„Es ist eine riesige Kamera“, sagte er. „Sie hat 3,2 Gigapixel für eine Brennebene.“
Ein Gigapixel entspricht einer Milliarde Pixel; eine Standard-DSLR-Kamera arbeitet mit Megapixeln, also Millionen von Pixeln. Um dies zu verdeutlichen, sollten Sie sich vor Augen führen, dass eine Million Sekunden 12 Tagen entsprechen; eine Milliarde Sekunden sind 31 Jahre. Stellen Sie sich also vor, dass eine Kamera mit dieser Auflösung den gesamten beobachtbaren Südhimmel abtastet.
Deshalb wird das Observatorium, das mit etwa 500 Millionen Dollar der National Science Foundation und einigen 100 Millionen Dollar des Energieministeriums gebaut wurde – letzteres ist besonders an Studien zur dunklen Energie wie Brouts interessiert -, so sehnlichst erwartet.
So sehnsüchtig erwartet.
Update 2/1: 1 Million Sekunden entspricht 12 Tagen, dieser Artikel wurde entsprechend aktualisiert.
