Wenn es um Genauigkeit geht, strebt jeder hundertprozentig danach, aber das Messen kosmischer Entfernungen überlässt etwas mehr dem Zufall. Vor wenigen Tagen gaben Forscher des Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS) der Welt bekannt, dass sie die Entfernung zu Galaxien in mehr als sechs Milliarden Lichtjahren Entfernung auf ein Konfidenzniveau von nur einem Prozent messen konnten. Wenn diese Ankündigung nicht aufregend erscheint, überlegen Sie, was sie für andere Studien bedeutet. Diese neuen Messungen geben einen Parameter für die Eigenschaften der allgegenwärtigen „dunklen Energie“ - der Quelle universeller Expansion.
"Es gibt nicht viele Dinge in unserem täglichen Leben, die wir mit einer Genauigkeit von einem Prozent kennen", sagte David Schlegel, Physiker am Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) und Hauptforscher von BOSS. "Ich kenne jetzt die Größe des Universums besser als die Größe meines Hauses."
Die Ergebnisse des Forschungsteams wurden auf dem Treffen der American Astronomical Society vom Astronomen der Harvard University, Daniel Eisenstein, dem Direktor des Sloan Digital Sky Survey III (SDSS-III), der weltweiten Organisation, zu der auch BOSS gehört, vorgestellt. Sie werden in einer Reihe von Artikeln beschrieben, die im letzten Monat von der BOSS-Kollaboration in Fachzeitschriften eingereicht wurden. Alle Artikel sind jetzt als Online-Preprints verfügbar.
"Die Bestimmung der Entfernung ist eine grundlegende Herausforderung der Astronomie", sagte Eisenstein. „Du siehst etwas am Himmel - wie weit ist es entfernt? Sobald Sie wissen, wie weit es entfernt ist, ist es plötzlich viel einfacher, alles andere darüber zu lernen. “
Bei der Messung von Entfernungen im Weltraum haben Astronomen viele Methoden angewendet. Das Messen von Entfernungen zu Planeten wurde mit Radar durchgeführt, hat jedoch seine Einschränkungen und das weitere Eindringen in den Weltraum bedeutet eine weniger direkte Methode. Obwohl sie sich als erstaunlich genau erwiesen haben, gibt es immer noch einen Unsicherheitsfaktor - einen, der als Prozentsatz ausgedrückt wird. Wenn Sie beispielsweise die Entfernung von einem 200 Meilen entfernten Objekt bis zu einem wahren Wert von 2 Meilen messen, haben Sie mit einer Genauigkeit von 1% gemessen. Kosmisch gesehen sind nur ein paar hundert Sterne und eine Handvoll Sternhaufen nahe genug, um ihre Entfernungen so genau vorhersagen zu können. Sie leben in der Milchstraße und sind nur wenige tausend Lichtjahre entfernt. BOSS bringt es auf das Äußerste… seine Messungen gehen weit über unsere galaktischen Grenzen hinaus, mehr als eine Million Mal weiter, und kartieren das Universum mit beispielloser Genauigkeit.
Dank dieser neuen, hochgenauen Entfernungsmessungen kommen die BOSS-Astronomen auf dem Gebiet der Dunklen Energie voran. "Wir verstehen noch nicht, was dunkle Energie ist", erklärte Eisenstein, "aber wir können ihre Eigenschaften messen. Dann vergleichen wir diese Werte mit dem, was wir angesichts unseres gegenwärtigen Verständnisses des Universums erwarten. Je besser unsere Messungen sind, desto mehr können wir lernen. “
Wie wird es gemacht? Eine Ein-Prozent-Messung in sechs Milliarden Lichtjahren zu erreichen, ist nicht so einfach wie die Messung eines Objekts des Sonnensystems oder sogar eines in unserer Galaxie enthaltenen. Hier kommt der BOSS ins Spiel. Es ist das größte der vier Projekte, aus denen sich der Sloan Digital Sky Survey III (SDSS-III) zusammensetzt, und wurde gebaut, um diese Technik zu nutzen: Messung der sogenannten „Baryon Acoustic Oscillations“ (BAOs), subtile periodische Wellen die Verteilung der Galaxien im Kosmos. Diese Wellen sind die Signatur von Druckwellen, die einst das frühe Universum zu einer Zeit durchquerten, als die Dinge so heiß und dicht waren, dass Photonen zusammen mit Baryonen marschierten - das Zeug, das die Atomkerne erzeugt. Da die Größe der Welligkeit bekannt ist, kann diese Größe nun durch Kartierung von Galaxien gemessen werden.
"Mit diesen Galaxienmessungen hat uns die Natur ein wunderschönes Lineal gegeben", sagte Ashley Ross, ein Astronom von der University of Portsmouth. „Das Lineal ist zufällig eine halbe Milliarde Lichtjahre lang, sodass wir damit Entfernungen auch aus großer Entfernung präzise messen können.
Mit seiner speziellen Instrumentierung, mit der tausend Galaxien gleichzeitig detailliert gemessen werden können, hat sich BOSS einer großen Herausforderung gestellt - der Kartierung des Standorts von mehr als einer Million Galaxien. "In einer klaren Nacht, in der alles perfekt läuft, können wir der Karte mehr als 8000 Galaxien und Quasare hinzufügen", sagte Kaike Pan, die das Beobachter-Team des 2,5-Meter-Teleskops der Sloan Foundation der SDSS-III am Apache Point Observatory in leitet New-Mexiko.
Obwohl das BOSS-Forschungsteam vor einem Jahr seine frühen Galaxienkarten vorgestellt und mit BAO-Messungen begonnen hat, decken diese neuen Daten doppelt so viel Gebiet ab und bieten eine noch genauere Messung - auch für nahegelegene Galaxien. „Wenn wir diese Messungen in zwei verschiedenen Entfernungen durchführen, können wir sehen, wie sich die Expansion des Universums im Laufe der Zeit verändert hat, was uns hilft zu verstehen, warum sie sich beschleunigt“, erklärte die Astronomin Rita Tojeiro von der Universität Portsmouth, die den Vorsitz der BOSS-Galaxienhaufen innehat Arbeitsgruppe zusammen mit Jeremy Tinker von der New York University.
Eine ähnliche Studie macht auch Mariana Vargas-Magana, eine Postdoktorandin an der Carnegie Mellon University. Um noch mehr Genauigkeit zu ermöglichen, untersucht sie alle subtilen Effekte, die die BOSS-Messungen beeinflussen könnten. "Wenn Sie versuchen, ein Prozent zu erreichen, müssen Sie über alles paranoid sein, was sogar leicht schief gehen könnte", sagte Vargas-Magana - zum Beispiel könnten geringfügige Unterschiede in der Identifizierung von Galaxien die gesamte Messung ihrer Galaxien beeinträchtigt haben Verteilung, so dass verschiedene Teile des Himmels sorgfältig überprüft werden mussten. "Glücklicherweise", sagte Vargas-Magana, "gibt es viele vorsichtige Leute in unserem Team, die unsere Annahmen überprüfen." Bis alle zufrieden sind, sind wir sicher, dass wir nichts verpasst haben. "
Gegenwärtig scheinen diese neuen BOSS-Erkenntnisse mit dem übereinzustimmen, was wir als Form der dunklen Energie betrachten - eine Konstante, die in der gesamten Geschichte des Universums zu finden ist. Laut der Pressemitteilung ist diese „kosmologische Konstante“ eine von nur sechs Zahlen, die erforderlich sind, um ein Modell zu erstellen, das mit der Größe und Struktur des Universums übereinstimmt. Schlegel vergleicht dieses Modell mit sechs Zahlen mit einer Glasscheibe, die durch Schrauben befestigt ist, die verschiedene Messungen der Geschichte des Universums darstellen. "BOSS hat jetzt einen der engsten dieser Bolzen, und wir haben ihm nur eine weitere halbe Umdrehung gegeben", sagte Schlegel. "Jedes Mal, wenn Sie die Spannung erhöhen und das Glas nicht bricht, ist das ein Erfolg des Modells."
Original-Story-Quelle: Pressemitteilung von Sloan Digital Sky Survey III. Zur weiteren Lektüre: Pressemitteilung des Max-Planck-Instituts.
