Außerhalb des für den Menschen sichtbaren Universums bestehen etwa 95 % seiner Zusammensetzung aus unsichtbarer dunkler Materie und dunkler Energie. Sie emittieren weder Licht noch sind sie direkt nachweisbar, aber sie beeinflussen still und leise die Entwicklung von Galaxien und großräumigen Strukturen durch Schwerkraft und kosmische Expansion. Kürzlich führte ein internationales Team aus der University of Chicago und anderen Institutionen mit der Dark Energy Camera (DECam) eine statistische Analyse schwacher Verzerrungen in den Formen von Hunderten Millionen Galaxien durch und zeichnete eine neue Karte des „unsichtbaren Universums“, das etwa ein Drittel des gesamten Himmels abdeckt, und lieferte wichtige Beweise für die Überprüfung der aktuellen gängigen kosmologischen Modelle.

Diese Studie basiert auf den Beobachtungen des Dark Energy Survey (DES) von 2013 bis 2019. Dessen Dark Energy Camera, die am 4-Meter-Blanco-Teleskop am Cerro Tololo InterAmerican Observatory in Chile installiert ist, hat die Formen von mehr als 150 Millionen Galaxien genau vermessen, die etwa 5.000 Quadratgrad des Himmels abdecken, was einem Achtel des gesamten Himmels entspricht. Zuvor spielten diese Daten eine zentrale Rolle beim Testen des kosmologischen Standardmodells der „kalten dunklen Materie“ (ΛCDM). Die neuesten Ergebnisse beziehen außerdem eine große Anzahl von Bildern in die Analyse ein, die von der Kamera aufgenommen wurden, sich aber ursprünglich nicht im offiziellen DES-Vermessungsgebiet befanden, wodurch sich die Anzahl der Galaxien, die für die Erforschung schwacher Gravitationslinsen verwendet werden können, fast verdoppelt.

In einer neuen Analyserunde vermaß das Forschungsteam die Formen von mehr als 100 Millionen Galaxien und schätzte ihre Entfernungen von der Erde anhand der Rotverschiebung ihrer Spektren ab. Dadurch erfasste es gleichzeitig die Projektionsverteilung und dreidimensionale Tiefeninformationen von Galaxien am Himmel. Wenn das Licht dieser Galaxien durch das Universum wandert, wird es durch die Schwerkraft der Materie auf seinem Weg leicht „gezogen“ und erscheint auf der Abbildung von Erdteleskopen als extrem feine Formscherung. Dieser Effekt wird als „schwache Gravitationslinse“ bezeichnet und ist ein wichtiges Werkzeug, um die Verteilung der Materie im Universum abzuleiten und den Grad der Klumpen dunkler Materie sowie die Rolle der dunklen Energie zu untersuchen.

In dieser Arbeit, die als „DECADE“-Projekt zur kosmischen Scherung bezeichnet wird, verwendeten Wissenschaftler diese Form- und Abstandsdaten, um das ΛCDM-Modell anzupassen, wobei sie sich darauf konzentrierten, ob die Wachstumsrate der kosmischen Struktur im Laufe der Zeit mit den Modellvorhersagen übereinstimmt. Die Forschungsergebnisse zeigen, dass die mithilfe dieses unabhängigen Datensatzes ermittelten „Klumpigkeits“-Parameter des Universums mit früheren Messungen des schwachen Linseneffekts übereinstimmen und auch gut mit den Parametern des frühen Universums übereinstimmen, die aus der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung abgeleitet wurden. Es wurden keine Beweise für „offensichtliche Spannungen zwischen dem späten Universum und dem frühen Universum“ gefunden, die in den letzten Jahren umstritten waren.

Das Team kombinierte außerdem die Messungen der schwachen Linse von DECADE mit den Original-DES-Daten, um eine Probe der Galaxienlinsenanalyse zu erstellen, die die bisher größte Anzahl an Galaxien und den größten Himmelsbereich abdeckt, insgesamt etwa 270 Millionen Galaxien, die etwa 13.000 Quadratgrad des Himmels abdecken, was etwa einem Drittel des gesamten Himmels entspricht. Dank einer so großen Stichprobe können Forscher bei ihrer Analyse eine konservativere Qualitätskontrollstrategie anwenden, indem sie nur die glaubwürdigsten Datenpunkte mit den kleinsten systematischen Fehlern verwenden und dennoch hochpräzise Randbedingungen erhalten, die für einen direkten Vergleich mit den Ergebnissen des kosmischen Mikrowellenhintergrunds ausreichen.

Diese Arbeit wurde von Forschern als „eine unkonventionelle Untersuchung schwacher Linsen“ beschrieben, da sie eine große Anzahl historischer Bilder verwendete, die zuvor von der astronomischen Gemeinschaft für andere wissenschaftliche Ziele aufgenommen und in Archiven verstreut waren, und nicht einen langfristigen, speziellen Beobachtungsplan, der von Anfang an für schwache Linsen konzipiert war. Bei herkömmlichen Lösungen wird eine große Anzahl von Fotos verworfen, die bestimmte strenge Bildqualitätsstandards nicht erfüllen. Allerdings hat das DECADE-Team unter der Prämisse, systematische Fehler strikt zu testen, lockerere Screening-Bedingungen eingeführt und bewiesen, dass selbst Daten, die nicht „für Linsen geboren“ sind, dennoch eine robuste kosmologische Analyse unterstützen können, solange sie einer sorgfältigen Kalibrierung und Qualitätsbewertung unterzogen werden.

Die Dunkelenergiekamera selbst ist mit 62 ultrahochempfindlichen CCD-Detektoren ausgestattet, die den tiefen Raum des Universums in beispielloser Tiefe fotografieren können. Es ist eine der Kerneinrichtungen für die aktuelle Forschung zu schwachen Linsen und dunkler Energie. In diesem Projekt arbeiteten Wissenschaftler der University of Chicago, des Fermilab, des National Supercomputing Applications Center der University of Illinois sowie des Argonne National Laboratory, der University of Wisconsin-Madison und anderer Institutionen zusammen, um eine gemeinsame Kraft für Datenabruf, manuelle Überprüfung der Bildqualität, Formmessmethoden und kosmologische statistische Analyse zu bilden und diese „wiederentdeckten“ Archivbeobachtungen in neue kosmologische Waffen umzuwandeln.

Der neu veröffentlichte Katalog geformter Galaxien wurde der wissenschaftlichen Gemeinschaft zugänglich gemacht und erregte schnell die Aufmerksamkeit der Kosmologie- und Astronomiegemeinschaften. Es wurde in vielen Bereichen eingesetzt, beispielsweise bei der Untersuchung von Zwerggalaxien und der Kartierung der Massenverteilung des Universums. Die Forscher sagten, dass mit dem Start größerer Projekte wie dem „Heritage Survey of Time and Space“ (Rubin LSST) des Vera Rubin Observatory in Zukunft diese Erfahrung zeigt, dass die gute Nutzung aller verfügbaren Bilder statt nur „perfekter“ Proben voraussichtlich die Messgenauigkeit der Eigenschaften von Dunkler Materie und Dunkler Energie deutlich verbessern und klarere Hinweise zum Verständnis dieses „zu 95 % unsichtbaren Universums“ liefern wird.

Zusammengestellt von /ScitechDaily