Eine Illustration zeigt einen CT-Scan des Universums mit „Schnitten“ des Kosmos, wie er sich entwickelt (Bildnachweis: Robert Lea (erstellt mit Canva))
Eine leistungsstarke Kombination von Daten aus zwei sehr unterschiedlichen astronomischen Untersuchungen hat es Forschern ermöglicht, einen „kosmischen CT-Scan“ der Entwicklung des Universums zu erstellen.
Diese Schnappschüsse zeigen, dass das Universum durch Kräfte wie die Schwerkraft neu geformt wurde und im Gegenzug weniger klumpig geworden ist. Mit anderen Worten: Das Universum ist komplizierter geworden als erwartet. Das Team, das hinter diesen Ergebnissen steht, nutzte die sechste und letzte Datenveröffentlichung des Atacama Cosmology Telescope (ACT) in Kombination mit den Daten des Jahres 1 des Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI), um zu diesen Schlussfolgerungen zu gelangen. Diese leistungsstarke Datenkombination ermöglichte es den Forschern, die kosmische Zeit zu überlagern, so als würden sie alte kosmische Fotografien über aktuelle Bilder des Universums stapeln und so eine multidimensionale Perspektive des Kosmos schaffen.
„Dieser Prozess ist wie ein kosmischer CT-Scan, bei dem wir durch verschiedene Schnitte der kosmischen Geschichte blicken und verfolgen können, wie sich die Materie in verschiedenen Epochen verklumpt hat“, sagte der Co-Leiter des Teams, Mathew Madhavacheril von der University of Pennsylvania, in einer Erklärung. „Es gibt uns einen direkten Einblick, wie sich der Gravitationseinfluss der Materie über Milliarden von Jahren verändert hat.“
Inhaltsübersicht
Die Geschichte des alten kosmischen Lichts
Um diesen so genannten CT-Scan des Universums erstellen zu können, musste das Team auf Licht zurückgreifen, das fast so lange existiert wie der Kosmos selbst. Mit solch altem Licht ist es möglich, die Veränderungen zu verfolgen, die das Universum durch die Schwerkraft im Laufe von etwa 13,8 Milliarden Jahren erfahren hat.
„ACT, das etwa 23 % des Himmels abdeckt, zeichnet ein Bild von den Anfängen des Universums, indem es ein weit entferntes, schwaches Licht verwendet, das seit dem Urknall unterwegs ist“, sagte der Co-Leiter des Teams, Joshua Kim, ein Doktorand in der Madhavacheril-Gruppe, in der Erklärung. „Formal wird dieses Licht kosmischer Mikrowellenhintergrund (CMB) genannt, aber wir nennen es manchmal einfach das Babybild des Universums, weil es eine Momentaufnahme ist, als es etwa 380.000 Jahre alt war.“
Der CMB ist das Restlicht eines Ereignisses, das kurz nach dem Urknall stattfand und als „letzte Streuung“ bezeichnet wird. Dies geschah, als sich das Universum so weit ausgedehnt und abgekühlt hatte, dass Elektronen und Protonen die ersten neutralen Wasserstoffatome bilden konnten. Das Verschwinden der freien Elektronen bedeutete, dass die Photonen, auch Lichtteilchen genannt, sich frei bewegen konnten, ohne endlos gestreut zu werden. Mit anderen Worten: Das Universum wurde plötzlich von undurchsichtig zu durchsichtig. Heute wird dieses erste Licht als CMB gesehen, auch bekannt als die „Oberfläche der letzten Streuung“.
Ein Bild des CMB, das vom Planck-Teleskop aufgenommen wurde, zeigt winzige Variationen, die für Kosmologen aufschlussreich sein können (Bildnachweis: ESA und die Planck Collaboration)
Obwohl das CMB oft als „kosmisches Fossil“ bezeichnet wird, ist es seit Milliarden von Jahren nicht völlig unverändert geblieben. Die Ausdehnung des Universums hat dazu geführt, dass sich seine Photonen zu längeren Wellenlängen verlagert und Energie verloren haben. Die Temperatur des CMB liegt jetzt einheitlich bei minus 454 Grad Fahrenheit (minus 270 Grad Celsius).
Da Masse das Gefüge der Raumzeit verformt und so die Schwerkraft hervorruft, hat sich das Licht des CMB beim Vorbeiflug an großen, dichten und schweren Strukturen wie Galaxienhaufen verformt. Dies ist vergleichbar mit einem Gittermuster auf dem Boden eines leeren Schwimmbeckens, das durch die Zugabe von Wasser verzerrt wird.
Dieser Prozess wird als „Gravitationslinsen“ bezeichnet. Albert Einstein schlug ihn erstmals als Teil seiner allgemeinen Relativitätstheorie vor. Durch die Beobachtung, wie sich das CMB im Laufe der Zeit verformt und verzerrt hat, können Wissenschaftler viel über die Entwicklung der Materie über Milliarden von Jahren lernen.
Wo liegt die Verklumpung des Universums?
Während die ACT-Daten einen Schnappschuss des CMB in seinen kosmischen Baby-Bildern einfangen, liefert DESI den Wissenschaftlern eine neuere Aufzeichnung eines „erwachsenen“ Universums.
DESI tut dies, indem es die dreidimensionale Struktur des Universums abbildet, indem es die Verteilung von Millionen von Galaxien, insbesondere von leuchtenden roten Galaxien (LRGs), kartiert. Anhand dieser Galaxien als „kosmische Landmarken“ können die Wissenschaftler rekonstruieren, wie sich die Materie im Laufe der kosmischen Zeit verteilt hat. „Die LRGs von DESI sind wie ein neueres Bild des Universums, das uns zeigt, wie die Galaxien in unterschiedlichen Entfernungen verteilt sind“, so Kim. „Wenn man die Lensing-Karten von ACT CMB und die LRG-Daten von DESI zusammennimmt, ist das wie ein Fotoalbum, das die Entwicklung eines Kindes zu einem Erwachsenen zeigt, nur eben für den Kosmos.
Eine künstlerische Darstellung der Daten des Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) aus dem ersten Jahr, die einen Ausschnitt aus der größeren 3D-Karte zeigt, die DESI während seiner fünfjährigen Durchmusterung erstellt. (Bildnachweis: DESI Kollaboration/KPNO/NOIRLab/NSF/AURA/P. Horálek/R. Proctor)
Beim Durchstöbern dieses kosmischen Fotoalbums fiel dem Team eine kleine Diskrepanz auf. Die vom Team berechnete „Verklumpung“ der Materie in späteren Epochen des Kosmos stimmt nicht mit den theoretischen Vorhersagen überein. Obwohl die Diskrepanz nicht groß genug ist, um anzunehmen, dass eine völlig neue Physik im Spiel ist, deutet sie darauf hin, dass sich die kosmischen Strukturen nicht ganz so entwickelt haben, wie es die Modelle für das frühe Universum nahelegen würden. Die Ergebnisse deuten auch darauf hin, dass sich das strukturelle Wachstum des Universums in einer Weise verlangsamt haben könnte, die die derzeitigen Modelle nicht vollständig erklären können.
„Wir haben festgestellt, dass die Geschichte der Strukturbildung größtenteils bemerkenswert gut mit den Vorhersagen der Einsteinschen Gravitation übereinstimmt“, so Madhavacheril. „Wir sahen einen Hinweis auf eine kleine Diskrepanz in der Menge der erwarteten Klumpenbildung in jüngeren Epochen, etwa vor vier Milliarden Jahren, was interessant sein könnte, weiter zu verfolgen.“
Die Forscher, die hinter dieser Arbeit stehen, beabsichtigen, diese Untersuchungen fortzusetzen, allerdings unter Verwendung von leistungsfähigeren Teleskopen, die ihnen präzisere Messungen ermöglichen sollen.
Die Forschungsergebnisse des Teams wurden am 10. Dezember 2024 im Journal of Cosmology and Astroparticle Physics veröffentlicht.
