Anhand von Beobachtungen von 3.000 Quasaren, die im Rahmen des Sloan Digital Sky Survey (SDSS) entdeckt wurden, haben Wissenschaftler die bislang genaueste Messung der kosmischen Clusterbildung von diffusem Wasserstoffgas durchgeführt. Diese Quasare - 100-mal häufiger als in solchen Analysen in der Vergangenheit verwendet - befinden sich in Entfernungen von acht bis zehn Milliarden Lichtjahren und gehören damit zu den am weitesten entfernten bekannten Objekten.
Gasfilamente zwischen den Quasaren und der Erde absorbieren Licht in den Spektren des Quasars, sodass Forscher die Gasverteilung abbilden und messen können, wie klumpig das Gas auf einer Skala von einer Million Lichtjahren ist. Der Grad der Verklumpung dieses Gases kann wiederum grundlegende Fragen beantworten, z. B. ob Neutrinos Masse haben und wie die Natur der Dunklen Energie aussieht, von der angenommen wird, dass sie die beschleunigte Expansion des Universums antreibt.
"Wissenschaftler haben lange Zeit die Häufung von Galaxien untersucht, um etwas über Kosmologie zu lernen", erklärte Uros Seljak von der Princeton University, einer der SDSS-Forscher. „Die Physik der Galaxienbildung und -clusterung ist jedoch sehr kompliziert. Insbesondere weil der größte Teil der Masse des Universums aus dunkler Materie besteht, ergibt sich eine Unsicherheit aus unserem Unverständnis über die Beziehung zwischen der Verteilung von Galaxien (die wir sehen) und der dunklen Materie (die wir nicht sehen können) aber die kosmologischen Modelle sagen voraus). “ Es wird angenommen, dass die in den Quasarspektren gezeigten Gasfilamente sehr ähnlich wie die dunkle Materie verteilt sind, wodurch diese Quelle der Unsicherheit beseitigt wird.
"Wir wissen seit mehreren Jahren, dass Quasarspektren ein einzigartiges Instrument zur Untersuchung der Verteilung dunkler Materie im frühen Universum sind, aber die Quantität und Qualität der SDSS-Daten haben diese Vision Wirklichkeit werden lassen", sagte David Weinberg von der Ohio State University , ein Mitglied des SDSS-Teams. "Es ist erstaunlich, dass wir vor 10 Milliarden Jahren so viel über die Struktur des Universums lernen können."
Seljak und seine Mitarbeiter am SDSS kombinierten die Analyse der Quasarspektren mit Messungen von Galaxienhaufen, Gravitationslinsen und Wellen im kosmischen Mikrowellenhintergrund, die von der Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) der NASA beobachtet wurden. Dies gibt die bisher beste Bestimmung für die Anhäufung von Materie im Universum von Skalen von einer Million Lichtjahren bis zu vielen Milliarden Lichtjahren. Diese umfassende Ansicht ermöglicht einen detaillierten Vergleich mit theoretischen Modellen für die Geschichte und die Bestandteile des Universums.
„Dies ist der bislang strengste Test für die Vorhersagen des kosmologischen Inflationsmodells. Die Inflation verläuft mit Bravour “, fügte Seljak hinzu.
Die Inflationstheorie besagt, dass das Universum unmittelbar nach dem Urknall eine Zeit extrem schneller Beschleunigung durchlief, in der winzige Schwankungen in Raum-Zeit-Falten von astronomischer Größe umgewandelt wurden, die letztendlich beim Verklumpen astronomischer Objekte beobachtet werden konnten. Die Inflationstheorie sagt eine sehr spezifische Abhängigkeit des Grads der Clusterbildung mit der Skalierung voraus, die die aktuelle Analyse stark unterstützt. Andere Szenarien wie die Theorie des zyklischen Universums machen sehr ähnliche Vorhersagen und stimmen ebenfalls mit den neuesten Ergebnissen überein.
Frühe Analysen des WMAP-Teams und anderer hatten auf Abweichungen der kosmischen Clusterbildung von der Inflationsvorhersage hingewiesen. Wenn dies richtig wäre, hätte dies eine umfassende Überarbeitung des aktuellen Paradigmas für den Ursprung der Struktur im Universum erforderlich gemacht.
"Die neuen Daten und die entsprechende Analyse verbessern die Beobachtungsgenauigkeit dieses Tests erheblich", sagte Patrick McDonald von der Princeton University und einer der Autoren des Befundes. "Die neuen Ergebnisse stimmen nahezu perfekt mit der Inflation überein."
"Die Anhäufung von Materie ist ein präziser und leistungsfähiger Test kosmologischer Modelle, und die vorliegende Analyse steht im Einklang mit unseren früheren Studien und erweitert diese", stimmte Adrian Pope von der Johns Hopkins University zu, der eine frühere Analyse der Anhäufung von SDSS-Galaxien leitete .
Die neue Analyse liefert auch die besten Informationen über die Masse des Neutrinos. Terrestiale Experimente - die 2002 zum Nobelpreis für Physik führten - haben definitiv gezeigt, dass Neutrinos Masse haben, aber diese Experimente konnten nur den Massendifferenz zwischen den drei verschiedenen bekannten Arten von Neutrinos messen. Das Vorhandensein von Neutrinos würde die kosmische Clusterbildung auf Millionen-Lichtjahr-Skalen beeinflussen, genau auf den Skalen, die mit den Quasarspektren untersucht wurden.
Die neue Analyse legt nahe, dass die leichteste Neutrinomasse weniger als das Zweifache der zuvor gemessenen Massendifferenz betragen muss. Die neuen Messungen eliminieren auch die Möglichkeit einer zusätzlichen massiven Neutrinofamilie, die durch einige terrestrische Experimente vorgeschlagen wurde.
"Die Kosmologie, die Wissenschaft der ganz Großen, kann uns über die Eigenschaften grundlegender Teilchen wie Neutrinos berichten", sagte Lam Hui vom Fermi National Accelerator Laboratory des US-Energieministeriums, der eine unabhängige Analyse dieser durchgeführt hat Daten, zusammen mit Scott Burles vom MIT und anderen.
Die neue Analyse bietet auch weitere Unterstützung für die Existenz von Dunkler Energie und legt nahe, dass die Dunkle Energie zeitlich unverändert bleibt. Diese Analyse bietet die besten Grenzen für die bisherige zeitliche Entwicklung.
"Bisher gibt es keine Hinweise darauf, dass sich die Dunkle Energie im Laufe der Zeit ändert, und die Möglichkeit, dass das Universum in Zukunft durch einen großen Riss auseinandergerissen wird, wird durch diese neuen Ergebnisse erheblich verringert", sagte Alexey Makarov von der Princeton University, der dies ebenfalls tat Teil dieser Forschung.
Originalquelle: SDSS-Pressemitteilung
