Untersuchung der großräumigen Struktur des Universums

Der Astrophysiker Naoki Seto vom California Institute of Technology erklärt: „Große Winkel-CMBR-Schwankungen enthalten wertvolle Informationen über die größten räumlichen Schwankungen, sind aber auch durch die (weniger interessante) Leistung kleiner räumlicher Skalen kontaminiert. Wenn wir also die kleinen räumlichen entfernen können, können wir ein saubereres Bild der potenziell anomalen Merkmale unseres Universums erhalten. “

Es kommt darauf an, die Ablenkungen herauszufiltern. Angenommen, jemand aus einem anderen Land fragt Sie, wo Sie wohnen, und Sie beschreiben die Risse in der Einfahrt und den Winkel des Schilds auf der Stange am Ende der Straße. Nicht sehr hilfreich, sagen Sie – besonders für jemanden, der in einem ganz anderen Teil der Welt lebt. Daten von WMAP sind so. Obwohl es leichte temperaturbedingte Schwankungen des CMBR über den Himmel zeigt, sind diese Schwankungen meist mit der Streuung des CMBR durch „nahe“ Materie verbunden. Infolgedessen werden sie durch den expansiven Einfluss der Dunklen Energie, die mit Galaxien in einer Entfernung von mehreren Milliarden Lichtjahren verbunden ist, „kontaminiert“. Aus astronomischer Sicht werden CMBR-Schwankungen durch nahegelegene Risse in der Fahrbahn verursacht. Letztendlich ist es das Ziel, das „große Bild“ des gesamten Universums zu sehen. Es ist alles eine Frage des Maßstabs …

Was werden wir über das Universum lernen, das auf solch großen Variationen basiert? „Man kann interessante Inflationsverhalten untersuchen, die zu Störungen des Samens für die kosmische Struktur wie Galaxien führen können“, sagt Naoki.

Schon früh dominierte eine merkwürdige Energieform das Universum (während der sogenannten hyperinflationären Phase). In dieser Zeit spielte der attraktive Einfluss der Materie keine Rolle und der Universalballon dehnte sich unglaublich schnell aus. Später, als die Materie dominierte, bremste die Gravitation die Dinge, das Universum verlangsamte sich und der Ballon hat es möglicherweise kaum geschafft, sich überhaupt weiter auszudehnen. Nach dem Abbremsen trat ein weiterer Motor an – die mysteriöse Kraft namens „Dunkle Energie“. Der einschränkende Einfluss der Schwerkraft wurde überwunden und das Universum nahm seine Expansion wieder auf, jedoch in gemächlicherer Geschwindigkeit. In unserer gegenwärtigen Epoche haben Studien des Lichts entfernter Supernovae gezeigt, dass sich die Expansion des Universalballons wieder beschleunigt. Wir leben in einer Ära der universellen Inflation, und Fragen zur Inflation sowie die Möglichkeit, dass dunkle Energie sie antreibt, lassen sich am besten beantworten, indem wir frühere Zyklen langsamerer Expansion untersuchen.

Elena Pierpaoli, Mitarbeiterin von Naoki und Caltech, hofft, die Auswirkungen der Dunklen Energie beseitigen zu können, indem sie die Polarisation der Mikrowellenstrahlung untersucht, die aus der Richtung älterer Galaxienhaufen auf unser Sonnensystem gelangt. Eine Möglichkeit besteht darin, eine zukünftige WMAP-ähnliche Sonde mit höherer Detailauflösung zu verwenden, um Mikrowellenstrahlung aus Regionen zu sammeln, in denen der CMBR einst von entfernten Wolken freier Elektronen im Weltraum gestreut wurde. Da Elektronenstreuung natürlich dort auftritt, wo Materie gefunden wird, sind Galaxienhaufen ideale Kandidaten. Der Haken ist, dass solche Cluster weit genug entfernt sein müssen, um ein Bild der Streuung zu liefern, wie sie vor langer Zeit aufgetreten ist. Indem wir uns auf Galaxienhaufen konzentrierten, die sieben Milliarden Lichtjahre entfernt waren, konnten wir die CMBR so sehen, wie sie aus Clustern erschien, als das Universum die Hälfte seines gegenwärtigen Alters hatte. Dunkle Energie bei der Arbeit wäre damals nicht so stark wie heute.

Das resultierende Bild könnte wichtige Hinweise auf Erkenntnisse aus der WMAP-Projektgruppe liefern. Es besteht die Möglichkeit, dass das Universum auf der größten Skala ganz anders ist als ursprünglich angenommen. "Sehr grob gesagt", sagt Naoki, "haben wir erwartet, dass es im größten beobachtbaren Universum keine charakteristische Länge geben würde." Dies schließt das räumliche Spektrum der Schwankungen und die Form des Universums ein. “

Andere Forscher haben die Verwendung von Galaxienhaufen in Betracht gezogen, um auch großräumige Strukturen im Universum zu untersuchen. Diese Forscher waren jedoch nicht davon überzeugt, dass der Ansatz funktionieren würde. Naoki und Elena fanden zwei wichtige Faktoren, die in früheren Studien nicht ausreichend hervorgehoben wurden. Erstens verbanden sie die undurchsichtigen kleinen Schwankungen der CMBR-Anisotropie mit dem Einfluss der Dunklen Energie, die mit der gegenwärtigen Beschleunigungsära verbunden ist. Zweitens stellten sie fest, dass diese Verschleierung minimiert werden kann, indem Streueffekte aus 7 Milliarden Lichtjahren entfernten Galaxienhaufen genutzt werden. Zusammen könnten diese beiden Erkenntnisse es ermöglichen, die größten universellen Strukturen zu sehen, die die Dinge heute beeinflussen.

Elena: „Das Schöne an dem, was wir gezeigt haben, ist, dass die beobachtbare Menge, die wir verwenden möchten, eine Funktion ist, die sich am Himmel sehr langsam ändert. Um es beobachtend abzubilden, benötigen Sie kein hochauflösendes All-Sky-Experiment, sondern müssen Zielobjekte beobachten, die gleichmäßig über den Himmel verteilt sind. Beobachtungsmäßig ist dies eine viel einfachere Aufgabe, als mit dieser Auflösung den gesamten Himmel abzubilden. “

Leider ist es WMAP nicht möglich, den Auflösungsgrad zu erreichen, der erforderlich ist, um die in den Originaldaten angedeuteten Strukturen mit dem größten Maßstab hervorzuheben. Aus diesem Grund kann es einige Jahre dauern, bis die von Naoki, Elena und anderen Astrophysikern benötigten Informationen gesammelt werden. Die nächste Sonde, deren Start geplant ist, ist Planck der ESA im Jahr 2007. Trotz der erhöhten Empfindlichkeit und Auflösung von Planck sind die benötigten Signale so schwach, dass es schwierig sein wird, andere konkurrierende Signale aus den von entfernten Galaxienhaufen polarisierten Signalen zu eliminieren. Zukünftige bodengestützte Instrumente in großer Höhe wie ACT, APEX-SZm und SPT können jedoch die Apertur bereitstellen, die erforderlich ist, um die Regionen mit einer Größe von 1 Bogenminute aufzulösen, die zum Hervorheben der Strukturen im größten Maßstab des Universums erforderlich sind. Das Cornell-Caltech Atacama-Teleskop – ein 25 Meter großes Submillimeterwelleninstrument, das derzeit einer Machbarkeitsstudie unterzogen wird – könnte auf diese Effekte empfindlich reagieren. Die CCAT wird voraussichtlich zu Beginn des nächsten Jahrzehnts erste Photonen sammeln. Ein solches Instrument sollte in der Lage sein, Signale aufzulösen, die nur 0,5 Bogenminuten (1/60 des Monddurchmessers) voneinander entfernt sind.

Ah, was für eine Ironie! Um die größten Strukturen der vergangenen 7 Milliarden Jahre abzubilden, müssen wir noch einige Risse im Bürgersteig erkennen können…

Über den Autor:
Inspiriert vom Meisterwerk des frühen 20. Jahrhunderts: "Der Himmel durch Drei-, Vier- und Fünf-Zoll-Teleskope", begann Jeff Barbour im Alter von sieben Jahren mit Astronomie und Weltraumforschung. Derzeit verbringt Jeff einen Großteil seiner Zeit damit, den Himmel zu beobachten und die Website Astro.Geekjoy zu pflegen.

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