Quasare beleuchten gespenstische Wolken aus intergalaktischem Wasserstoff, die vor 11 Milliarden Jahren den Blick auf das Universum freigaben.
Wissenschaftler des Sloan Digital Sky Survey (SDSS-III) haben die bisher größte dreidimensionale Karte des fernen Universums erstellt, indem sie das Licht der hellsten Objekte im Kosmos zur Beleuchtung von gespenstischen Wolken aus intergalaktischem Wasserstoff verwendeten. Die Karte bietet einen beispiellosen Überblick darüber, wie das Universum vor 11 Milliarden Jahren aussah.
Anze Slosar, Physikerin am Brookhaven National Laboratory des US-Energieministeriums, präsentierte die neuen Ergebnisse am 1. Mai 2011 auf einem Treffen der American Physical Society. Die Ergebnisse erscheinen in einem Artikel, der online auf dem arXiv Astrophysics Pre-Server veröffentlicht wurde.
Ein Schnitt durch die dreidimensionale Karte des Universums. Die Milchstraße befindet sich an der unteren Spitze des Keils. Schwarze Punkte, die bis zu 7 Milliarden Lichtjahren reichen, sind nahe gelegene Galaxien. Der rot schraffierte Bereich konnte mit dem SDSS-Teleskop nicht beobachtet werden. Bildnachweis: A. Slosnar und die Zusammenarbeit mit SDSS-III
Eine vergrößerte Ansicht des Kartenausschnitts aus dem vorherigen Bild. Rote Bereiche haben mehr Gas; Blaue Bereiche haben weniger Gas. Die schwarze Skala rechts unten misst eine Milliarde Lichtjahre. Bildnachweis: A. Slosnar und die SDSS-III-Zusammenarbeit
Die neue Technik, die Slosar und seine Kollegen anwenden, stellt den Standardansatz der Astronomie auf den Kopf. Slosar erklärte:
Normalerweise machen wir unsere Karten des Universums, indem wir Galaxien betrachten, die Licht aussenden. Aber hier betrachten wir intergalaktisches Wasserstoffgas, das Licht blockiert. Es ist, als würde man den Mond durch Wolken betrachten - man kann die Formen der Wolken im Mondlicht sehen, das sie blockieren.
Anstelle des Mondes beobachtete das SDSS-Team Quasare, leuchtend leuchtende Baken, die von riesigen Schwarzen Löchern angetrieben wurden. Quasare sind hell genug, um Milliarden von Lichtjahren von der Erde entfernt zu sein, aber in diesen Entfernungen sehen sie aus wie winzige, schwache Lichtpunkte. Während sich das Licht eines Quasars auf seiner langen Reise zur Erde bewegt, passiert es Wolken aus intergalaktischem Wasserstoffgas, die Licht mit bestimmten Wellenlängen absorbieren, die von den Abständen zu den Wolken abhängen. Diese lückenhafte Absorption erzeugt ein unregelmäßiges Muster auf dem Quasarlicht, das als Lyman-Alpha-Wald.
Eine Beobachtung eines einzelnen Quasars liefert eine Karte des Wasserstoffs in Richtung des Quasars, erklärte Slosar. Der Schlüssel zur Erstellung einer vollständigen dreidimensionalen Karte sind Zahlen. Er sagte:
Wenn wir Mondlicht verwenden, um Wolken in der Atmosphäre zu betrachten, haben wir nur einen Mond. Aber wenn wir 14.000 Monde am ganzen Himmel hätten, könnten wir das Licht betrachten, das von Wolken vor ihnen geblockt wird, so wie wir es tagsüber sehen können. Sie bekommen nicht nur viele kleine Bilder - Sie bekommen das große Bild.
Das große Bild auf Slosars Karte enthält wichtige Hinweise auf die Geschichte des Universums. Die Karte zeigt eine Zeit vor 11 Milliarden Jahren, als die ersten Galaxien unter der Kraft der Schwerkraft anfingen, sich zu den ersten großen Clustern zusammenzuschließen. Während sich die Galaxien bewegten, bewegte sich der intergalaktische Wasserstoff mit ihnen. Andreu Font-Ribera, ein Doktorand am Institut für Weltraumwissenschaften in Barcelona, erstellte Computermodelle, wie sich das Gas wahrscheinlich bewegte, als sich diese Cluster bildeten. Die Ergebnisse seiner Computermodelle stimmten gut mit der Karte überein.
Font-Ribera sagte:
Das zeigt uns, dass wir wirklich verstehen, was wir messen. Mit diesen Informationen können wir das Universum dann mit dem Universum jetzt vergleichen und lernen, wie sich die Dinge verändert haben.
Die Quasar-Beobachtungen stammen aus der Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS), der größten der vier Untersuchungen, aus denen SDSS-III besteht. Eric Aubourg von der Universität Paris leitete ein Team französischer Astronomen, das jeden der 14.000 Quasare einzeln visuell inspizierte. Aubourg erklärte:
Die abschließende Analyse erfolgt durch Computer. Aber wenn es darum geht, Probleme zu erkennen und Überraschungen zu finden, kann ein Mensch immer noch Dinge tun, die ein Computer nicht kann.
David Schlegel, Physiker am Lawrence Berkeley National Laboratory in Kalifornien und Hauptforscher von BOSS, sagte:
BOSS verwendet den Lyman-Alpha-Wald zum ersten Mal, um die dreidimensionale Struktur des Universums zu messen. Bei jeder neuen Technik sind die Leute nervös, ob Sie sie wirklich durchziehen können, aber jetzt haben wir gezeigt, dass wir es können.
Schlegel stellte fest, dass das neue Mapping-Verfahren neben BOSS auch für zukünftige, noch ehrgeizigere Erhebungen wie den vorgeschlagenen Nachfolger BigBOSS eingesetzt werden kann.
Wenn die BOSS-Beobachtungen im Jahr 2014 abgeschlossen sind, können Astronomen eine Karte erstellen, die zehnmal größer ist als die heute veröffentlichte, so Patrick McDonald vom Lawrence Berkeley National Laboratory und dem Brookhaven National Laboratory, die Pioniertechniken zur Messung des Universums mit dem Lyman-Alpha-Wald entwickelt haben und hat die BOSS Quasar-Umfrage mitgestaltet. Das ultimative Ziel von BOSS ist es, subtile Funktionen in Karten wie der von Slosar zu verwenden, um zu untersuchen, wie sich die Expansion des Universums während seiner Geschichte verändert hat. McDonald sagte:
Am Ende von BOSS können wir mit einer Genauigkeit von einigen Prozent messen, wie schnell sich das Universum vor 11 Milliarden Jahren ausdehnte. Angesichts der Tatsache, dass noch nie jemand die kosmische Expansionsrate in der Vergangenheit gemessen hat, ist dies eine ziemlich erstaunliche Aussicht.
Der Quasarexperte Patrick Petitjean vom Institut d'Astrophysique de Paris, ein wichtiges Mitglied des Quasar-Inspektionsteams von Aubourg, freut sich auf die anhaltende Flut von BOSS-Daten:
Noch vierzehntausend Quasare, einhundertvierzigtausend. Wenn BOSS sie findet, schauen wir sie uns gerne einzeln an. Mit so vielen Daten müssen wir Dinge finden, mit denen wir nie gerechnet haben.