BOSS macht die bislang präziseste Messung des expandierenden Universums

Diese Illustration zeigt, wie BOSS Quasare benutzt, um das entfernte Universum zu messen. Gas absorbiert Licht von Quasaren teilweise und prägt ein ringförmiges Muster mit bekannter physischer Größe ein. Daraus wurde die Expansionsrate des Universums für den Zeitraum abgeleitet, als es nur 3 Milliarden Jahre alt war. (Illustr. by Zosia Rostomian, Lawrence Berkeley National Laboratory, and Andreu Font-Ribera, BOSS Lyman-alpha team, Berkeley Lab)
Diese Illustration zeigt, wie BOSS Quasare benutzt, um das entfernte Universum zu messen. Gas absorbiert Licht von Quasaren teilweise und prägt ein ringförmiges Muster mit bekannter physischer Größe ein. Daraus wurde die Expansionsrate des Universums für den Zeitraum abgeleitet, als es nur 3 Milliarden Jahre alt war. (Illustr. by Zosia Rostomian, Lawrence Berkeley National Laboratory, and Andreu Font-Ribera, BOSS Lyman-alpha team, Berkeley Lab)

Der Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS), der größte Bestandteil des dritten Sloan Digital Sky Survey (SDSS-III), verwendet Quasare, um Dichtevariationen im intergalaktischen Gas bei hohen Rotverschiebungen zu kartieren und die Struktur des jungen Universums nachzuzeichnen. BOSS zeichnet die Expansionsgeschichte des Universums auf, um die Natur der Dunklen Energie zu enthüllen und neue Messungen der großräumigen Struktur haben die genaueste Messung der Expansion ergeben, als die ersten Galaxien entstanden.

Die neuesten Quasar-Ergebnisse kombinieren zwei separate Analysemethoden. Eine neue Analysemethode unter Leitung des Physikers Andreu Font-Ribera vom Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) des US-Energieministeriums und seinem Team wurde Ende vergangenen Jahres veröffentlicht. Eine Analyse mit einem getesteten Ansatz, aber mit mehr Daten als bisher, wurde kürzlich von Timothée Delubac von der Eidgenössischen Technischen Hochschule Lausanne (Schweiz) und dem Centre de Saclay (Frankreich) und seinem Team veröffentlicht. Zusammengenommen bestimmen die beiden Analysen die Expansionsrate bei einer Rotverschiebung von 2,34 zu 68 Kilometer pro Sekunde pro Million Lichtjahre, wobei eine beispiellose Genauigkeit bis auf 2,2 Prozent erreicht wird.

“Das bedeutet, wenn wir auf das Universums zurückblicken, als es weniger als ein Viertel seines heutigen Alters hatte, würden wir sehen, dass zwei Galaxien, die eine Million Lichtjahre voneinander entfernt sind, mit einer Geschwindigkeit von 68 Kilometern pro Sekunde auseinanderdriften würden, während das Universum expandiert”, sagte Font-Ribera, ein Postdoktorand der Physik-Abteilung am Berkeley Lab. “Die Unsicherheit beträgt dabei nur plusminus 1,5 Kilometer pro Sekunde.” Font-Ribera präsentierte die Ergebnisse im April 2014 auf dem Treffen der American Physical Society in Savannah (Georgia).

BOSS verwendet sowohl Galaxien als auch entfernte Quasare, um baryonische akustische Oszillationen (baryon acoustic oscillation, BAO) zu messen. Das ist ein Signaturabdruck in der Art und Weise, wie die Materie verteilt ist – er ergibt sich aus den Bedingungen im frühen Universum. Während der Abdruck auch in der Verteilung der unsichtbaren Dunklen Materie präsent ist, zeigt er sich deutlich in der Verteilung der gewöhnlichen Materie, zu der Galaxien, Quasare und intergalaktischer Wasserstoff gehören.

“Vor drei Jahren verwendete BOSS 14.000 Quasare, um zu demonstrieren, dass wir die größten 3D-Karten des Universums erstellen konnten”, sagte David Schlegel vom Berkeley Lab, leitender Wissenschaftler des BOSS-Projekts. “Vor zwei Jahren, mit 48.000 Quasaren, entdeckten wir die ersten baryonischen akustischen Oszillationen in diesen Karten. Jetzt, mit mehr als 150.000 Quasaren, haben wir extrem genaue Messungen der baryonischen akustischen Oszillationen gemacht.”

Der BAO-Abdruck stimmt mit einem etwa fünfprozentigen Überschuss bei der Materieanhäufung in einer Distanz überein, die als BAO-Scale bezeichnet wird. Kürzliche Experimente, darunter BOSS und die Untersuchung des kosmischen Mikrowellenhintergrundes durch den Planck-Satelliten, bestimmen diese Distanz, wie sie im heutigen Universum gemessen wird, auf etwa 450 Millionen Lichtjahre – ein “Standardmaßstab” zur Messung der Expansion.

BAO sind eine direkte Folge von Druckwellen (Schallwellen), die sich durch das frühe Universum bewegten, als die Licht- und Materieteilchen untrennbar miteinander verbunden waren. Rund 380.000 Jahre nach dem Urknall hatte sich das Universum genug abgekühlt, damit sich das Licht entkoppeln konnte. Die Strahlung des kosmischen Mikrowellenhintergrundes bewahrt eine Aufzeichnung der frühen Dichtespitzen – dies waren die Saatkörner des nachfolgenden BAO-Abdrucks auf der Materieverteilung.

Quasare erweitern den Standardmaßstab

Vorangegangene Arbeiten von BOSS nutzten die Spektren von über einer Million Galaxien, um die BAO-Distanz mit der bemerkenswerten Genauigkeit bis auf ein Prozent zu messen. Aber jenseits Rotverschiebungen von 0,7 (etwa sechs Milliarden Lichtjahre entfernt) werden Galaxien schwächer und sind schwerer zu beobachten. Für viel höhere Rotverschiebungen wie jenen in den aktuellen
Studien (durchschnittlich 2,34) verwendete BOSS den “Lyman-Alpha-Wald”, um Spektren von entfernten Quasaren für die Berechnung der Dichte des intergalaktischen Wasserstoffs heranzuziehen.

Wenn das Licht eines entfernten Quasars das in der Sichtlinie liegende Wasserstoffgas passiert, absorbieren Gebiete mit höherer Dichte mehr Licht. Die Absorptionslinien von neutralem Wasserstoff in dem Spektrum (Lyman-Alpha-Linien) lokalisieren jedes dichte Gebiet durch ihre Rotverschiebungen. Es gibt so viele Linien in solch einem Spektrum, dass es tatsächlich einem Wald ähnelt, dem Lyman-Alpha-Wald.

Mit genug guten Quasarspektren, die nah beisammen liegen, kann die Position der Gaswolken in drei Dimensionen kartiert werden – sowohl entlang der Sichtlinie für jeden Quasar als auch quer entlang dichter Gebiete, die durch andere Quasarspektren enthüllt wurden. Aus diesen Karten wird das BAO-Signal extrahiert.

Obwohl sie von BOSS erst vor ein paar Jahren eingeführt wurde, scheint die Methode mit der Verwendung von Daten über den Lyman-Alpha-Wald – Autokorrelation genannt – jetzt fast schon traditionell zu sein. Die gerade veröffentlichten Ergebnisse von Delubac und seinen Kollegen nutzen die Spektren von annähernd 140.000 sorgfältig ausgewählten BOSS-Quasaren.

Font-Ribera und seine Kollegen bestimmen die baryonischen akustischen Oszillationen, indem sie sogar noch mehr BOSS-Quasare auf eine andere Art verwenden. Quasare sind junge Galaxien, die von massereichen Schwarzen Löchern mit Energie versorgt werden – sie sind extrem hell, extrem weit entfernt und daher hochgradig rotverschoben. Statt Spektren mit anderen Spektren zu vergleichen, setzt Font-Riberas Team die Quasare selbst zu den Spektren anderer Quasare in Beziehung. Diese Methode wird Kreuzkorrelation genannt.

“Quasare sind massereiche Galaxien und wir gehen davon aus, dass sie sich in den dichteren Bereichen des Universums befinden, wo die Dichte des intergalaktischen Gases ebenfalls höher sein sollte”, sagte Font-Ribera. “Deshalb erwarten wir, dass wir mehr absorbierendes Gas vorfinden als im Durchschnitt, wenn wir die Umgebung von Quasaren betrachten.” Die Frage war, ob die Korrelation gut genug sein würde, um den BAO-Abdruck sehen zu können.

Der BAO-Abdruck in der Kreuzkorrelation war tatsächlich stark. Delubac und sein Team kombinierten ihre Autokorrelationsergebnisse mit den Kreuzkorrelationsergebnissen von Font-Ribera und seinem Team und sie setzten der BAO-Distanz enge Grenzen. Die Autokorrelation und die Kreuzkorrelation kamen sich auch bei der Präzision ihrer Messungen der Expansionsrate des Universums näher, des sogenannten Hubble-Parameters. Bei einer Rotverschiebung von 2,34 war die kombinierte Messung äquivalent zu 68&plusm;1,5 Kilometer pro Sekunde pro Million Lichtjahre.

“Es ist die genaueste Messung des Hubble-Parameters bei einer beliebigen Rotverschiebung – sogar besser als die Messung, die wir von dem lokalen Universum mit Rotverschiebung Null haben”, sagte Font-Ribera. “Diese Ergebnisse erlauben uns, die Geometrie des Universums zu untersuchen, als es nur ein Viertel seines heutigen Alters hatte. In Kombination mit anderen kosmologischen Experimenten können wir etwas über Dunkle Energie erfahren und der Krümmung des Universums enge Grenzen auferlegen – es ist sehr flach.”

David Schlegel betonte, dass die Kreuzkorrelationsmethode während der Anfangszeit von BOSS vorgeschlagen wurde, aber “einige von uns Angst hatten, dass sie nicht funktionieren würde. Wir lagen falsch. Unsere Präzisionsmessungen sind sogar noch besser, als wir optimistisch gehofft hatten.”

Quelle: http://newscenter.lbl.gov/news-releases/2014/04/07/boss-quasars-measure-expansion/

(THK)

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