Verwenden der Gravitationslinse zur Messung von Alter und Größe des Universums

Praktisches kleines Werkzeug, diese Gravitationslinse! Astronomen haben damit die Form von Sternen gemessen, nach Exoplaneten gesucht und dunkle Materie in fernen Galaxien gemessen. Jetzt wird es verwendet, um die Größe und das Alter des Universums zu messen. Forscher sagen, dass diese neue Verwendung von Gravitationslinsen eine sehr genaue Möglichkeit bietet, zu messen, wie schnell sich das Universum ausdehnt. Die Messung bestimmt einen Wert für die Hubble-Konstante, der die Größe des Universums angibt, und bestätigt das Alter des Universums als 13,75 Milliarden Jahre alt innerhalb von 170 Millionen Jahren. Die Ergebnisse bestätigen auch die Stärke der dunklen Energie, die für die Beschleunigung der Expansion des Universums verantwortlich ist.

Gravitationslinsen treten auf, wenn zwei Galaxien entlang unserer Sichtlinie am Himmel miteinander ausgerichtet sind. Das Gravitationsfeld der näheren Galaxie verzerrt das Bild der weiter entfernten Galaxie in mehrere bogenförmige Bilder. Manchmal erzeugt dieser Effekt sogar einen vollständigen Ring, der als „Einsteinring“ bezeichnet wird.
Forscher am Kavli-Institut für Teilchenastrophysik und Kosmologie (KIPAC) verwendeten Gravitationslinsen, um die Entfernungen zu messen, die Licht von einer hellen, aktiven Galaxie zur Erde auf verschiedenen Wegen zurücklegt. Durch das Verständnis der Zeit, die für die Fahrt auf den einzelnen Pfaden benötigt wurde, und der damit verbundenen effektiven Geschwindigkeiten konnten die Forscher nicht nur auf die Entfernung der Galaxie schließen, sondern auch auf die Gesamtskala des Universums und einige Details seiner Expansion.

Entfernungen im Raum zu unterscheiden ist schwierig. Ein helles Licht in der Ferne und eine viel näher liegende Dimmerquelle können so aussehen, als wären sie in derselben Entfernung. Eine Gravitationslinse umgeht dieses Problem, indem sie mehrere Hinweise auf die Entfernung des Lichts liefert. Diese zusätzlichen Informationen ermöglichen es ihnen, die Größe des Universums zu bestimmen, die von Astrophysikern häufig als Größe ausgedrückt wird, die als Hubble-Konstante bezeichnet wird.

"Wir wissen seit langem, dass Linsen in der Lage sind, die Hubble-Konstante physikalisch zu messen", sagte Phil Marshall von KIPAC. Gravitationslinsen wurden jedoch noch nie so präzise eingesetzt. Diese Messung liefert eine ebenso genaue Messung der Hubble-Konstante wie seit langem etablierte Werkzeuge wie die Beobachtung von Supernovae und des kosmischen Mikrowellenhintergrunds. "Gravitationslinsen sind als wettbewerbsfähiges Werkzeug im Toolkit des Astrophysikers erwachsen geworden", sagte Marshall.

Wenn ein großes nahe gelegenes Objekt wie eine Galaxie ein entferntes Objekt wie eine andere Galaxie blockiert, kann das Licht die Blockade umgehen. Anstatt einen einzigen Weg einzuschlagen, kann sich das Licht auf einer von zwei oder vier verschiedenen Wegen um das Objekt biegen und so die Menge an Informationen, die Wissenschaftler erhalten, verdoppeln oder vervierfachen. Da die Helligkeit des Hintergrundgalaxienkerns schwankt, können Physiker die Ebbe und Flut des Lichts auf den vier verschiedenen Pfaden messen, beispielsweise im B1608 + 656-System, das Gegenstand dieser Studie war. Der Hauptautor der Studie Sherry Suyu von der Universität Bonn sagte: „In unserem Fall gab es vier Kopien der Quelle, die als Lichtring um die Gravitationslinse erscheinen.“

Obwohl die Forscher nicht wissen, wann das Licht seine Quelle verlassen hat, können sie die Ankunftszeiten vergleichen. Marshall vergleicht es mit vier Autos, die vier verschiedene Routen zwischen Orten auf gegenüberliegenden Seiten einer Großstadt wie der Stanford University zum Lick Observatory durch oder um San Jose nehmen. Und wie Autos, die mit Verkehrsknurren konfrontiert sind, kann es auch bei Licht zu Verzögerungen kommen.

"Die Verkehrsdichte in einer Großstadt ist wie die Massendichte in einer Linsengalaxie", sagte Marshall. „Wenn Sie eine längere Strecke nehmen, muss dies nicht zu einer längeren Verzögerungszeit führen. Manchmal ist die kürzere Distanz tatsächlich langsamer. “

Die Gravitationslinsengleichungen berücksichtigen alle Variablen wie Entfernung und Dichte und liefern eine bessere Vorstellung davon, wann Licht die Hintergrundgalaxie verlassen hat und wie weit es gereist ist.

In der Vergangenheit war diese Methode der Entfernungsschätzung von Fehlern geplagt, aber Physiker glauben jetzt, dass sie mit anderen Messmethoden vergleichbar ist. Mit dieser Technik haben die Forscher einen genaueren linsenbasierten Wert für die Hubble-Konstante und eine bessere Abschätzung der Unsicherheit in dieser Konstante gefunden. Indem sie die Fehlergröße in Berechnungen reduzieren und verstehen, können sie bessere Schätzungen über die Struktur der Linse und die Größe des Universums erzielen.

Es gibt mehrere Faktoren, die Wissenschaftler bei der Bestimmung der Entfernungen mit Linsen noch berücksichtigen müssen. Zum Beispiel kann Staub in der Linse die Ergebnisse verzerren. Das Hubble-Weltraumteleskop verfügt über Infrarotfilter, die zur Beseitigung von Staubeffekten nützlich sind. Die Bilder enthalten auch Informationen über die Anzahl der Galaxien, die um die Sichtlinie liegen. Diese tragen auf einer Ebene zum Linseneffekt bei, die berücksichtigt werden muss.

Laut Marshall arbeiten mehrere Gruppen daran, diese Forschung zu erweitern, indem sie neue Systeme finden und bekannte Linsen weiter untersuchen. Den Forschern sind bereits mehr als zwanzig andere astronomische Systeme bekannt, die für die Analyse mit Gravitationslinsen geeignet sind.

Diese Ergebnisse dieser Studie wurden in der Ausgabe vom 1. März des Astrophysical Journal veröffentlicht. Die Forscher verwendeten Daten, die vom Hubble-Weltraumteleskop der NASA / ESA gesammelt wurden, und zeigten die verbesserte Präzision, die sie in Kombination mit der Wilkinson-Mikrowellenanisotropiesonde (WMAP) bieten.

Quelle: SLAC

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