Das Diagramm zeigt, wie das Südpol-Teleskop den kosmischen Mikrowellenhintergrund nutzt, um die Verteilung der dunklen Materie zu beobachten (Bildnachweis: ZHAODI PAN/ARGONNE NATIONAL LABORATORY)
Altes kosmisches Licht, das das Universum seit etwa 400.000 Jahren nach dem Urknall gleichmäßig erfüllt, könnte wie eine Schatzkarte wirken, die Wissenschaftler zu den Geheimnissen der dunklen Materie führt.
Der kosmische Mikrowellenhintergrund (Cosmic Microwave Background, CMB) bezeichnet das erste Licht, das sich frei durch das Universum bewegte. Seine Reise begann, nachdem sich der Weltraum so weit ausgedehnt und abgekühlt hatte, dass Elektronen und Protonen die ersten Atome bilden konnten, was bedeutete, dass die Elektronen nicht mehr endlos Photonen streuten und das Universum sofort von undurchsichtig zu durchsichtig wurde.
Das CMB, oder die „Oberfläche der letzten Streuung“, wie es manchmal genannt wird, wurde von einer neuen, verbesserten Kamera namens SPT-3G aufgenommen. SPT-3G befindet sich auf dem Südpol-Teleskop und war in der Lage, das Phänomen nach fünf Jahren Betrieb zu erfassen, wobei diese ersten Daten auf spannende zukünftige Entwicklungen hindeuten.
„Das CMB ist eine Schatzkarte für Kosmologen“, sagte Zhaodi Pan, Hauptautor der Studie und Wissenschaftler am Argonne National Laboratory, in einer Erklärung. „Seine winzigen Temperatur- und Polarisationsschwankungen bieten ein einzigartiges Fenster in die Anfänge des Universums.“
Wie jeder Pirat weiß, brauchen alle guten Schatzkarten einen Schlüssel, um sie zu lesen. Im Falle dieser kosmischen Schatzkarte erschließt sich die Verteilung der dunklen Materie erst im Lichte von Albert Einsteins Gravitationstheorie von 1915: Die Allgemeine Relativitätstheorie.
Ein Bild des CMB, das vom Planck-Teleskop aufgenommen wurde, zeigt winzige Schwankungen, die für Kosmologen aufschlussreich sein können. (Bildnachweis: ESA und die Planck-Kollaboration)
Lesen einer kosmischen Karte mit Einstein
Astronomen glauben, dass alle Galaxien von massiven Halos aus dunkler Materie umhüllt sind; tatsächlich ist diese mysteriöse Form der Materie so allgegenwärtig, dass sie 68 % der gesamten Materie im Universum ausmacht.
Da die dunkle Materie jedoch nicht aus Atomen besteht, die sich aus Elektronen, Protonen und Neutronen zusammensetzen – kollektiv als Baryonen bekannt -, interagiert sie nicht mit Licht. Dennoch hat die dunkle Materie eine Masse, und das bedeutet, dass sie mit der Schwerkraft wechselwirkt.
Hier kommt die allgemeine Relativitätstheorie ins Spiel. Einsteins Gravitationstheorie besagt, dass alle Objekte mit Masse eine Krümmung in der Raumzeit verursachen, dem vereinten vierdimensionalen Gebilde, das sich aus den drei Dimensionen des Raums und der einen Dimension der Zeit zusammensetzt.
Eine Infografik, die erklärt, wie Gravitationslinsen funktionieren. (Bildnachweis: NASA, ESA & L. Calçada)
Wenn das Licht einer Hintergrundquelle diese durch die Masse verursachte Krümmung des Raums passiert, wird seine Bahn abgelenkt. Bei massereichen Objekten wie Galaxien kann das Hintergrundlicht so stark gekrümmt werden, dass die Galaxien oder Sterne, von denen es stammt, am Himmel verschoben erscheinen. In extremen Fällen kann das Licht, das dieses Zwischenobjekt passiert, unterschiedlich stark gekrümmte Bahnen um das Objekt herum nehmen, was bedeutet, dass eine Quelle manchmal sogar an mehreren Punkten im selben Bild erscheinen kann.
Dieser Effekt wird Gravitationslinseneffekt genannt und von Instrumenten wie dem James-Webb-Weltraumteleskop mit großem Erfolg genutzt, um schwache Galaxien im frühen Universum zu sehen. Eine subtilere Version dieses Effekts, das Gravitationsmikrolinsensing, kann genutzt werden, um mehr über das Objekt zu erfahren, das die Linse bildet – in diesem Fall die dunkle Materie.
Um ein Bild von einem Netz aus dunkler Materie im gesamten Universum zu erhalten, benötigen die Wissenschaftler jedoch eine Lichtquelle, die ebenso weit im Kosmos verbreitet ist. Das macht das CMB zum idealen Licht für eine solche epische Untersuchung der dunklen Materie in Form von Linsen.
Mondaufgang am Südpolteleskop mit Polarlichtern über dem Kopf. Das SPT-3G des Teleskops ist auf der Suche nach noch älterem Licht in Form des CMB. (Bildnachweis: Aman Chokshi)
Das SPT-3G war besonders gut in der Lage, das Fehlen von Interferenzen in der trockenen, stabilen Atmosphäre und der abgelegenen Lage des Südpolteleskops auszunutzen. Dabei lieferte die Untersuchung weitere Beweise für Einsteins allgemeine Relativitätstheorie,
„Je mehr wir über die Verteilung der dunklen Materie erfahren, desto näher kommen wir dem Verständnis ihrer Natur und ihrer Rolle bei der Entstehung des Universums, in dem wir heute leben“, sagte Pan.
Auch wenn die neue Analyse das Ergebnis von nur wenigen Monaten Betrieb im Jahr 2018 ist, sind die CMB-Lensing-Messungen in diesem Bereich bereits konkurrenzfähig.
„Einer der wirklich aufregenden Teile dieser Studie ist, dass das Ergebnis aus Daten stammt, die im Wesentlichen aus der Zeit stammen, als wir gerade mit den Beobachtungen mit dem SPT-3G begonnen haben – und das Ergebnis ist bereits großartig“, sagte Amy Bender, Forschungsautorin und Physikerin in Argonne, in der Erklärung. „Wir haben noch fünf weitere Jahre an Daten, an deren Analyse wir gerade arbeiten, so dass dies nur ein Vorgeschmack auf das ist, was noch kommen wird.“
Auch mit einer speziellen Gruppe von Computern im Argonne Laboratory Computing Resource Center ist die Analyse der monatelangen Daten der SPT-3G-Kamera eine mühsame Arbeit, die Jahre dauert.
Zukünftige Ergebnisse der Kamera könnten den Wissenschaftlern helfen, ein anderes langjähriges kosmisches Rätsel zu lösen: die Natur der dunklen Energie, der unbekannten Kraft, die die beschleunigte Expansion des Universums antreibt.
„Jedes Mal, wenn wir mehr Daten hinzufügen, finden wir mehr Dinge, die wir nicht verstehen“, schloss Bender. „Wenn man die Schichten dieser Zwiebel abzieht, lernt man immer mehr über sein Instrument und auch über die wissenschaftliche Messung des Himmels.“
Die ersten Ergebnisse der SPT-3G-Kamera wurden letztes Jahr in der Zeitschrift Physical Review D veröffentlicht.
