Die zugrunde liegende Materie des Universums wird von Kosmologen anhand sekundärer Fingerabdrücke des kosmischen Mikrowellenhintergrunds kartiert.
Das Urplasma des jungen Kosmos kühlte so weit ab, dass sich etwa 400.000 Jahre nach dem Urknall die ersten Atome bildeten und Platz für frei fliegende vergrabene Strahlung schufen. Das kosmische Mikrowellen-Hintergrundlicht (CMB) fließt weiterhin in alle Richtungen über den Himmel und sendet ein Bild des frühen Universums, das von speziellen Teleskopen aufgenommen und sogar statisch auf alten Kathodenstrahlfernsehern gesehen wurde.
Kosmisches Mikrowellen-Hintergrundglühen
Nach der Entdeckung der CMB-Strahlung im Jahr 1965 suchten Forscher sorgfältig nach kleinen Temperaturänderungen, die den genauen Zustand des Universums enthüllten, als es nur ein schaumiges Plasma war. Forscher verwenden jetzt CMB-Daten wieder, um die massiven Strukturen aufzuzeichnen, die sich über Milliarden von Jahren entwickelt haben, während das Universum reift.
Kimmy Wu, Kosmologin am SLAC National Accelerator Laboratory, sagte: „Dieses Licht hat einen bedeutenden Teil der Geschichte des Universums erlebt, und wenn wir sehen, wie es sich verändert hat, können wir etwas über verschiedene Epochen lernen.
Das Licht des CMB wurde während seiner fast 14 Milliarden Jahre langen Reise von der gesamten Materie auf seinem Weg gedehnt, komprimiert und gebogen.
Zusätzlich zu den primären Veränderungen des CMB-Lichts beginnen Kosmologen, sekundäre Spuren zu untersuchen, die durch Wechselwirkungen mit Galaxien und anderen kosmischen Strukturen entstehen. Dank dieser Signale erhalten sie ein klareres Bild der Verteilung sowohl der gewöhnlichen Materie, also alles, was aus Atomen besteht, als auch der mysteriösen Dunklen Materie. Solche Entdeckungen helfen auch, neue kosmische Fragen zu lösen und aufzuwerfen.
„Wir beginnen zu erkennen, dass das CMB Informationen über mehr als die Anfangsbedingungen des Universums liefert. Laut dem SLAC-Kosmologen Emmanuel Schaan liefert es auch Informationen über die Galaxien selbst. Und das erweist sich als sehr effektiv.
Unbekannte Welt der Schatten
Ein Großteil der zugrunde liegenden Masse von Galaxien wird von optischen Standardvermessungen übersehen, die das von Sternen emittierte Licht verfolgen. Dies liegt daran, dass die überwiegende Mehrheit der gesamten Materie des Universums in Form von Klumpen dunkler Materie oder verstreutem ionisiertem Gas, das Galaxien verbindet, vor Observatorien verborgen ist. Die Verstärkung und der Farbton des einfallenden CMB-Lichts zeigen jedoch merkliche Effekte sowohl von dunkler Materie als auch von diffusem Gas.
Während Galaxien die Hauptdarsteller im Kosmos sind, dient laut Schaan das CMB als Hintergrundbeleuchtung.
Höhere Energie wird erreicht, wenn Lichtteilchen oder Photonen aus dem CMB von Elektronen im Gas zwischen Galaxien gestreut werden. Wenn sich diese Galaxien relativ zum expandierenden Universum bewegen, erfahren die CMB-Photonen außerdem eine zweite Energieverschiebung, die je nach Bewegung des Haufens nach oben oder unten erfolgen kann.
Sunyaev-Zeldovich (SZ)-Effekte, auch als thermische und kinematische Effekte bekannt, wurden erstmals Ende der 1960er Jahre vorhergesagt und im letzten Jahrzehnt genauer beobachtet. Dank des kombinierten Signals von SZ-Effekten, die aus CMB-Fotografien extrahiert werden können, können Wissenschaftler die Position und Temperatur aller gewöhnlichen Dinge im Universum kartieren.
Der Weg des CMB-Lichts wird beim Durchgang durch große Objekte aufgrund eines dritten Phänomens, das als schwacher Gravitationslinseneffekt bekannt ist, verzerrt, wodurch das CMB so erscheint, als würde es durch den Boden eines Weinglases gesehen. Lensing ist im Gegensatz zu SZ-Effekten empfindlich für alle Materie, ob dunkel oder nicht.
Wenn diese Effekte kombiniert werden, können Kosmologen zwischen heller und dunkler Materie unterscheiden. Um dann kosmische Entfernungen zu berechnen und sogar die Sternentstehung zu verfolgen, können Forscher diese Karten mit Bildern aus Galaxiendurchmusterungen überlagern.
Ein Team unter der Leitung von Schaan und Stefania Amodeo nutzte diese Strategie in ergänzenden Publikationen, die 2021 veröffentlicht wurden. Sie verglichen CMB-Bilder, die vom bodengestützten Atacama-Kosmologieteleskop und der Planck-Raumsonde der Europäischen Weltraumorganisation erstellt wurden, mit zusätzlichen optischen Durchmusterungen von etwa 500.000 Galaxien. Dank dieses Ansatzes konnten sie die Ausrichtung von heller und dunkler Materie messen.
Die Forschung ergab, dass das Gas in der Region im Gegensatz zu dem, was viele Modelle vermuten lassen, nicht so eng in das unterstützende Netz aus dunkler Materie eingewickelt ist. Stattdessen legen die Forschungsergebnisse nahe, dass das Gas durch Supernova-Explosionen und supermassereiche Schwarze Löcher von den Knoten der Dunklen Materie weggefegt und zerstreut wurde, bis es zu dünn und kalt war, um von herkömmlichen Observatorien entdeckt zu werden.
Wissenschaftler haben dank ihrer Entdeckung von diffusem Gas im Schatten des CMB Fortschritte bei der Lösung des Dilemmas der fehlenden Baryonen gemacht. Infolgedessen können Wissenschaftler nun die großräumige Struktur des Kosmos verfeinern, indem sie Modelle der Galaxienentwicklung und Schätzungen für die Stärke und Temperatur von Dispersionsausbrüchen verwenden.
Die beobachtete Verteilung der Materie im gegenwärtigen Universum ist gleichmäßiger als die Theorie vorhersagt, was Kosmologen in den letzten Jahren verwirrt hat. Laut Colin Hill, wenn Explosionen, die intergalaktische Gase recyceln, energiereicher sind, als Wissenschaftler glauben, wie jüngste Forschungen von Schaan, Amodeo und anderen implizierten, könnte dies ein Grund dafür sein, warum Materie gleichmäßiger im Universum verteilt ist.
Hill und seine Kollegen am Atacama Cosmology Telescope planen, in den kommenden Monaten eine aktualisierte Karte der CMB-Schatten bereitzustellen, mit einer merklichen Verbesserung sowohl der Himmelsabdeckung als auch der Empfindlichkeit.
Laut Hill haben wir erst begonnen, die Oberfläche dessen zu berühren, was diese Karte leisten kann. „Das ist ein enormer Fortschritt gegenüber früheren Technologien. Es ist schwer zu glauben, dass das echt ist.
Das Standardmodell der Kosmologie, das als Hauptrahmen für das Verständnis des Ursprungs, der Struktur und der Form des Universums dient, wurde zum großen Teil dank des CMB erstellt. Die CMB-Hintergrundbeleuchtungsforschung stellt jedoch jetzt die Gefahr dar, diese Behauptung zu untergraben.
Eiichiro Komatsu, ein Kosmologe am Max-Planck-Institut für Astrophysik, arbeitete an der Entwicklung der Theorie als Mitglied der Wilkinson Microwave Anisotropy Probe, die den CMB von 2001 bis 2010 kartierte. „Dieses Paradigma hat den Test der Präzisionsmessungen bis vor kurzem wirklich überstanden“, sagte Komatsu. „Ein neues Modell des Universums könnte an einem Scheideweg stehen“, sagt der Autor.
Komatsu und seine Kollegen haben in den letzten zwei Jahren nach Hinweisen auf eine neue Figur in der Schattentheaterszene gesucht. Die Polarisation oder Ausrichtung der CMB-Lichtwellen zeigt das Signal, das nach dem konventionellen Kosmologiemodell während des gesamten Durchgangs der Wellen durch das Universum konstant bleiben sollte.
Aber die Polarisierung könnte von dunkler Materie, dunkler Energie oder einem völlig neuen Teilchenfeld angetrieben werden, wie Sean Carroll und Kollegen vor drei Jahrzehnten vorhersagten. Ein solches Feld würde die Nettopolarisation des Lichts drehen und es Photonen verschiedener Polarisationen ermöglichen, sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten fortzubewegen – eine Eigenschaft, die als „Vogeldoppelbrechung“ bekannt ist und von verschiedenen Kristallen geteilt wird, einschließlich denen, die LCD-Panels mit Strom versorgen. Eine Drehung von etwa 2020 Grad in der Polarität des CMB wurde 0,35 vom Team von Komatsu entdeckt. Eine Folgestudie, die im Vorjahr veröffentlicht wurde, verstärkte dieses erste Ergebnis.
Wenn die Untersuchung der Polarisation oder irgendein anderes Ergebnis bezüglich der Verteilung von Galaxien bestätigt wird, wird sich herausstellen, dass das Universum nicht aus allen Richtungen für alle Beobachter gleich aussieht. Beide Ergebnisse sind für Hill und viele andere von Interesse, aber noch nicht abschließend. Es werden Nachforschungen durchgeführt, um diese Hinweise zu untersuchen und mögliche Störfaktoren auszuschließen. Einige haben sogar vorgeschlagen, ein spezielles „Backlight Astronomy“-Raumschiff zu bauen, um verschiedene Schatten genauer zu untersuchen.
Laut Komatsu glaubten die Menschen, die Kosmologie sei vor fünf bis zehn Jahren abgeschlossen. „Im Moment ändert sich diese Situation. Für uns beginnt eine neue Ära.
Quelle: quantamagazine.org / Zack Savitsky
📩 23/03/2023 13:09