Neue Ergebnisse des Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) deuten darauf hin, dass die unbekannte Kraft, die die Ausdehnung des Universums beschleunigt, nicht das ist, was wir bisher angenommen haben. Dies könnte bedeuten, dass unser bestes Modell zur Entwicklung des Universums – das Standardmodell der Kosmologie – möglicherweise nicht korrekt ist.
Die kürzlich veröffentlichten DESI-Daten stammen aus den ersten drei Beobachtungsjahren des Instruments, das am Nicholas U. Mayall 4-Meter-Teleskop im Kitt-Peak-Nationalobservatorium montiert ist. Es arbeitet weiterhin daran, die größte jemals erstellte 3D-Karte des Universums zu erstellen. Bis DESI seine fünfjährige Mission im nächsten Jahr abschließt, wird das Instrument das Licht von schätzungsweise 50 Millionen Galaxien und quasarbetriebenen Schwarzen Löchern gemessen haben, zusätzlich zum Sternenlicht von über 10 Millionen Sternen.
Die Fähigkeit von DESI, gleichzeitig Licht von 5.000 Galaxien einzufangen, macht es zum idealen Instrument, um eine groß angelegte Untersuchung durchzuführen, die ausreichend umfangreich ist, um die Eigenschaften der dunklen Energie zu erforschen. Diese neue Analyse konzentriert sich auf Daten aus den ersten drei Jahren der DESI-Beobachtungen und umfasst fast 15 Millionen der am besten vermessenen Galaxien und Quasare.
Ein Ausschnitt der DESI-Daten kartiert Himmelsobjekte von der Erde (Mitte) bis zu Milliarden von Lichtjahren entfernt. Zu den Objekten gehören nahe gelegene helle Galaxien (gelb), leuchtend rote Galaxien (orange), Emissionslinien-Galaxien (blau) und Quasare (grün). Die großräumige Struktur des Universums ist im eingefügten Bild sichtbar, das die dichteste untersuchte Region zeigt und weniger als 0,1 % des gesamten Volumens der DESI-Erhebung darstellt. (Bildnachweis: DESI Collaboration /DOE /KPNO /NOIRLab /NSF /AURA /C. Lamman)
„Das Universum hört nie auf, uns zu verblüffen und zu überraschen“, sagte DESI-Projektwissenschaftler Arjun Dey in einer Stellungnahme. „Indem sie die sich entwickelnden Strukturen des Gewebes unseres Universums in bisher unerreichter Weise enthüllen, verändern DESI und das Mayall-Teleskop unser Verständnis von der Zukunft des Universums und der Natur selbst.“
Dunkle Energie ist der Platzhalterbegriff für den Aspekt des Universums, der dazu führt, dass sich das Gefüge der Raumzeit immer schneller ausdehnt und Galaxien mit zunehmender Geschwindigkeit voneinander entfernt.
Man geht davon aus, dass es etwa 70 % der Materie und Energie des Universums ausmacht. Die mysteriöse „Substanz“, die als dunkle Materie bezeichnet wird, macht weitere 25 % aus, während die gewöhnliche Materie – bestehend aus Sternen, Planeten, Monden, unseren Körpern und der Katze nebenan – lediglich 5 % ausmacht. Im Grunde genommen ist alles, was wir über das Universum verstehen, einschließlich der gesamten Chemie und Biologie, in diesen 5 % enthalten!
Die derzeitige „beste Vermutung“ zur Identität der Dunklen Energie ist die kosmologische Konstante, die Vakuumenergie des Raums, die in das sogenannte Standardmodell der Kosmologie oder das Lambda-Cold-Dark-Matter-Modell (LCDM) integriert ist. Dieses Modell basiert jedoch auf der Annahme, dass die Dunkle Energie, dargestellt durch den griechischen Buchstaben Lambda (Λ), im Laufe der Zeit konstant bleibt.
Vakuumenergie beschreibt die Dichte von Teilchen, die ständig entstehen und wieder verschwinden. Obwohl es verrückt klingt, dass „etwas“ aus „nichts“ entsteht, kann man sich das so vorstellen, als hätte das Universum eine Art Überziehungsmöglichkeit. Paare virtueller Teilchen dürfen sich etwas Energie vom Kosmos „ausleihen“, um zu existieren – unter der Bedingung, dass sie diese Energie zurückzahlen, indem sie sich treffen und gegenseitig vernichten.
Ein Ausschnitt der DESI-Daten kartiert Himmelsobjekte von der Erde (Mitte) bis zu Milliarden von Lichtjahren entfernt. Zu den Objekten gehören nahe gelegene helle Galaxien (gelb), leuchtend rote Galaxien (orange), Emissionslinien-Galaxien (blau) und Quasare (grün). Die großräumige Struktur des Universums ist im eingefügten Bild sichtbar, das die dichteste untersuchte Region zeigt und weniger als 0,1 % des gesamten Volumens der DESI-Erhebung darstellt. (Bildnachweis: DESI Collaboration /DOE /KPNO /NOIRLab /NSF /AURA /C. Lamman)
Die DESI-Ergebnisse stellen das Bild der dunklen Energie, wie es im LCDM-Modell entwickelt wurde, für sich genommen nicht infrage. Erst wenn die DESI-Daten mit anderen Messungen des Kosmos verglichen werden, zeigen sich Probleme mit der kosmologischen Konstante.
DESI deutet an, und nicht zum ersten Mal, dass die dunkle Energie nicht konstant ist, sondern sich im Laufe der Zeit verändert. Genauer gesagt scheint dieser beschleunigende „Druck“ nachzulassen.
Diese Messungen umfassen unsere Beobachtungen eines „fossilen“ Lichts, das von einem Ereignis kurz nach dem Urknall übrig geblieben ist, dem sogenannten „letzten Streuen“. Damals hatte sich das Universum so weit ausgedehnt und abgekühlt, dass Elektronen sich mit Protonen verbinden und die ersten neutralen Atome bilden konnten.
Das plötzliche Verschwinden freier Elektronen ermöglichte es Photonen, den Teilchen, aus denen Licht besteht, sich frei zu bewegen. Mit anderen Worten: Es war, als hätte sich ein universeller Nebel gelichtet, und das Universum wurde durchsichtig. Dieses erste Licht wird als „kosmische Mikrowellenhintergrundstrahlung“ oder „CMB“ bezeichnet und kann auch heute noch beobachtet werden.
Winzige Variationen oder „Falten“ wurden durch Schwankungen in der Materiedichte des frühen Universums, sogenannte baryonische akustische Oszillationen (BAO), in die kosmische Hintergrundstrahlung (CMB) „eingefroren“. Als das Universum weiter expandierte, vergrößerten sich auch diese Falten. Daher können BAO-Falten als ein Standardmaßstab für die Ausdehnung des Universums dienen, wobei ihre Größe zu verschiedenen kosmischen Zeiten variiert. Diese Variation entsteht durch die Geschwindigkeit, mit der das Universum zu diesen Zeiten expandierte.
Die Messung der BAO zeigt die Stärke der dunklen Energie im Laufe der kosmischen Geschichte auf. DESI kann dies präziser als jedes andere Instrument erfassen.
Ein Ausschnitt der DESI-Daten kartiert Himmelsobjekte von der Erde (Mitte) bis zu Milliarden von Lichtjahren entfernt. Zu den Objekten gehören nahe gelegene helle Galaxien (gelb), leuchtend rote Galaxien (orange), Emissionslinien-Galaxien (blau) und Quasare (grün). Die großräumige Struktur des Universums ist im eingefügten Bild sichtbar, das die dichteste untersuchte Region zeigt und weniger als 0,1 % des gesamten Volumens der DESI-Erhebung darstellt. (Bildnachweis: DESI Collaboration /DOE /KPNO /NOIRLab /NSF /AURA /C. Lamman)
Als die DESI-Daten mit Beobachtungen von Typ-Ia-Supernovae verglichen wurden, deuteten sich auch Veränderungen in der Dunklen Energie selbst an. Diese kosmischen Explosionen entstehen, wenn Weiße Zwerge von einem Begleitstern „überfüttert“ werden. Das gestohlene Material sammelt sich auf der Oberfläche des stellaren Überrests, bis es zu einer thermonuklearen Kettenreaktion kommt.
Typ-Ia-Supernovae sind in Bezug auf ihre Lichtabstrahlung so einheitlich, dass Astronomen sie als „Standardkerzen“ zur Messung kosmischer Entfernungen nutzen können. Tatsächlich spielten Typ-Ia-Supernovae eine entscheidende Rolle bei der Entdeckung, dass sich die Ausdehnung des Universums beschleunigt – ein Phänomen, das 1998 zur Erkenntnis der Dunklen Energie führte.
Ein Ausschnitt der DESI-Daten kartiert Himmelsobjekte von der Erde (Mitte) bis zu Milliarden von Lichtjahren entfernt. Zu den Objekten gehören nahe gelegene helle Galaxien (gelb), leuchtend rote Galaxien (orange), Emissionslinien-Galaxien (blau) und Quasare (grün). Die großräumige Struktur des Universums ist im eingefügten Bild sichtbar, das die dichteste untersuchte Region zeigt und weniger als 0,1 % des gesamten Volumens der DESI-Erhebung darstellt. (Bildnachweis: DESI Collaboration /DOE /KPNO /NOIRLab /NSF /AURA /C. Lamman)
Diese Entfernungsmessungen sind dank eines Phänomens namens „Rotverschiebung“ möglich. Dies tritt auf, wenn sich die Wellenlänge des Lichts dehnt, während es durch das sich ausdehnende Universum reist. Je länger das Licht unterwegs war, desto stärker verschiebt es sich zum langwelligen „roten Ende“ des elektromagnetischen Spektrums. Das bedeutet, dass die Messung der Rotverschiebung einer sehr bekannten und konstanten Lichtquelle, einer sogenannten Standardkerze, Entfernungsmessungen ermöglicht.
DESI-Daten können auch mit Beobachtungen des sogenannten „Gravitationslinseneffekts“ kombiniert werden. Dieser Effekt beschreibt die Verzerrung des Lichts ferner Galaxien durch massereiche Objekte im Vordergrund. Durch diese Kombination lässt sich die Signatur der sich entwickelnden Dunklen Energie sichtbar machen.
Die Entwicklung der dunklen Energie ist noch nicht robust genug, um als „Entdeckung“ betrachtet zu werden. Allerdings führen verschiedene Kombinationen der Daten mit anderen Beobachtungen dazu, dass dieses Konzept immer näher an den sogenannten „Goldstandard“ in der Physik für solche Bestimmungen heranrückt.
Am Mittwoch, dem 19. März, präsentierte die DESI-Kollaboration nicht nur die neuesten Ergebnisse zur dunklen Energie, sondern gab auch bekannt, dass ihr Data Release 1 (DR1) nun für jedermann zugänglich ist. Die Daten können über das National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) erkundet werden.
DR1 umfasst Daten zu 18,7 Millionen kosmischen Objekten. Darunter befinden sich etwa 4 Millionen Sterne, 13,1 Millionen Galaxien und 1,6 Millionen Quasare.
Ein Ausschnitt der DESI-Daten kartiert Himmelsobjekte von der Erde (Mitte) bis zu Milliarden von Lichtjahren entfernt. Zu den Objekten gehören nahe gelegene helle Galaxien (gelb), leuchtend rote Galaxien (orange), Emissionsliniengalaxien (blau) und Quasare (grün). Die großräumige Struktur des Universums ist im eingefügten Bild sichtbar, das die dichteste untersuchte Region zeigt und weniger als 0,1 % des gesamten Volumens der DESI-Erhebung darstellt. (Bildnachweis: DESI Collaboration /DOE /KPNO /NOIRLab /NSF /AURA /C. Lamman)
Luz Ángela García Peñaloza, ehemaliges Mitglied des DESI-Teams und Kosmologin an der Universidad ECCI in Kolumbien, ist eine von vielen Wissenschaftlern, die von den neuen DESI-Ergebnissen begeistert sind. Besonders freut sie, dass DR1 nun der gesamten astronomischen Gemeinschaft zur Verfügung steht.
„Ich bin auch wirklich begeistert, dass DESI nun die Rotverschiebungsdaten von etwa 19 Millionen Galaxien und Quasaren veröffentlicht hat. Wir haben die Anzahl der identifizierten Galaxien in weniger als 10 Jahren um eine Größenordnung erhöht!“, sagte García Peñaloza. „Das faszinierendste Ergebnis ist, dass verschiedene Beobachtungsdaten – eine Kombination aus BAO von DESI und CMB-Daten von Planck sowie die drei wichtigsten Datensätze der Leuchtkraftentfernungen von Typ-Ia-Supernovae – immer stärker auf ein sich entwickelndes Dunkle-Energie-Modell hindeuten. Dies spricht gegen die kosmologische Konstante.“
Dies passt immer besser zu anderen unabhängigen kosmologischen Tests, die offenbar neue Möglichkeiten eröffnen, um dunkle Energie und die beschleunigte Ausdehnung des Universums zu erforschen und zu untersuchen.
Die Verfügbarkeit der DR1-Daten ermöglicht es Astronomen außerhalb der DESI-Kollaboration, nun in diesen umfangreichen Datensatz einzutauchen, der zwischen Mai 2021 und Juni 2022 gesammelt wurde.
„Unsere Ergebnisse bieten fruchtbaren Boden für unsere theoretischen Kollegen, die neue und bestehende Modelle untersuchen. Wir sind gespannt, was sie daraus entwickeln werden“, sagte Michael Levi, DESI-Direktor und Wissenschaftler am Berkeley Lab. „Egal, welche Natur die dunkle Energie hat – sie wird die Zukunft unseres Universums prägen.“
Es ist wirklich bemerkenswert, dass wir mit unseren Teleskopen in den Himmel blicken und versuchen können, eine der größten Fragen der Menschheit zu beantworten.
Derweil bereitet sich die DESI-Kollaboration darauf vor, zusätzliche Analysen des neuen Datensatzes durchzuführen, um noch mehr Erkenntnisse zu gewinnen. Gleichzeitig sammelt DESI selbst im vierten Betriebsjahr weiterhin Daten.
„Einfach unglaublich“, schloss García Peñaloza. „Was für eine Zeit, um zu leben und Kosmologe zu sein!“
Die DESI-Daten werden in einer Reihe von Artikeln behandelt, die hier verfügbar sind.
