Ein Team von Wissenschaftlern hat die wissenschaftlichen Ergebnisse einer der bahnbrechend geplanten Untersuchungen des römischen Weltraumteleskops Nancy Grace der NASA vorhergesagt, die Millionen von Galaxien analysieren werden, die über Raum und Zeit verstreut sind. Die enormen, tiefen Panoramen der Mission bieten die bisher beste Gelegenheit, zwischen den führenden Theorien darüber zu unterscheiden, was die Expansion des Universums beschleunigt.
Roman wird dieses Mysterium mit mehreren Methoden erforschen, einschließlich der Spektroskopie – der Untersuchung der Farbinformationen im Licht. Diese Technik wird es Wissenschaftlern ermöglichen, genau zu messen, wie schnell sich das Universum in verschiedenen kosmischen Epochen ausdehnte, und zu verfolgen, wie sich das Universum entwickelt hat.
„Unsere Studie prognostiziert die Wissenschaft, die Romans Spektroskopie-Umfrage ermöglichen wird, und zeigt, wie verschiedene Anpassungen ihr Design optimieren könnten“, sagte Yun Wang, leitender Forschungswissenschaftler am Caltech/IPAC in Pasadena, Kalifornien, und Hauptautor der Studie. Als Roman Science Support Center wird das IPAC für die spektroskopische wissenschaftliche Datenverarbeitung der Mission verantwortlich sein, während das Space Telescope Science Institute in Baltimore für die bildgebende wissenschaftliche Datenverarbeitung, die Erstellung von Katalogen und die Unterstützung der kosmologischen Datenverarbeitungspipelines verantwortlich sein wird. „Während diese Untersuchung darauf ausgelegt ist, die kosmische Beschleunigung zu erforschen, wird sie auch Hinweise auf viele andere verlockende Geheimnisse liefern. Sie wird uns helfen, die erste Generation von Galaxien zu verstehen, uns ermöglichen, dunkle Materie zu kartieren und sogar Informationen über viel nähere Strukturen zu enthüllen nach Hause, direkt in unsere lokale Gruppe von Galaxien.“
Das römische Weltraumteleskop, dessen Start für Mai 2027 geplant ist, wird einen so gewaltigen Blick auf das Universum bieten, dass es Wissenschaftlern helfen wird, kosmische Geheimnisse auf beispiellose Weise zu untersuchen. Jedes Bild wird präzise Messungen von so vielen Himmelsobjekten enthalten, dass es statistische Studien ermöglicht, die mit Teleskopen mit schmaleren Ansichten nicht praktikabel sind.
Dieses Video löst sich zwischen sechs Würfeln auf, um die simulierte Verteilung von Galaxien bei den Rotverschiebungen 9, 7, 5, 3, 2 und 1 mit den entsprechenden kosmischen Altern zu zeigen. Wenn sich das Universum ausdehnt, nimmt die Dichte der Galaxien in jedem Würfel ab, von mehr als einer halben Million im ersten Würfel auf etwa 80 im letzten. Jeder Würfel hat einen Durchmesser von etwa 100 Millionen Lichtjahren. Galaxien versammelten sich entlang riesiger Gasstränge, die durch große Hohlräume getrennt waren, eine schaumartige Struktur, die im heutigen Universum in großen kosmischen Maßstäben widerhallte. Bildnachweis: Goddard Space Flight Center der NASA/F. Reddy und Z. Zhai, Y. Wang (IPAC) und A. Benson (Carnegie Observatories)
Nach aktuellen Plänen wird Romans Spektroskopie-Durchmusterung in etwas mehr als sieben Monaten fast 2.000 Quadratgrad oder etwa 5 % des Himmels abdecken. Die Ergebnisse des Teams zeigten, dass die Vermessung genaue Entfernungen für 10 Millionen Galaxien aus der Zeit zeigen sollte, als das Universum etwa 3 bis 6 Milliarden Jahre alt war, da Licht, das das Teleskop erreicht, seine Reise begann, als das Universum viel jünger war. Diese Messungen werden es Astronomen ermöglichen, die netzartige großräumige Struktur des Kosmos zu kartieren. Die Vermessung wird auch die Entfernungen von 2 Millionen Galaxien von noch früheren Zeiten in der Geschichte des Universums enthüllen, als es nur zwischen 2 und 3 Milliarden Jahre alt war – unerforschtes Gebiet in großräumiger kosmischer Struktur.
Den Regenbogen lesen
Nahezu alle Informationen, die wir aus dem Weltraum erhalten, stammen vom Licht. Roman wird Licht verwenden, um Bilder aufzunehmen, aber es wird auch Licht untersuchen, indem es es in einzelne Farben zerlegt. Die detaillierten Wellenlängenmuster, Spektren genannt, enthüllen Informationen über das Objekt, das das Licht emittiert hat, einschließlich der Geschwindigkeit, mit der es sich von uns entfernt. Astronomen nennen dieses Phänomen „Rotverschiebung“, denn wenn sich ein Objekt zurückzieht, werden alle Lichtwellen, die wir von ihm empfangen, gestreckt und zu röteren Wellenlängen hin verschoben.
Diese Animation zeigt die Sequenz und das Layout des Kachelmusters der High Latitude Spectroscopic Survey des Roman Space Telescope. Bildnachweis: Goddard Space Flight Center der NASA
In den 1920er Jahren nutzten die Astronomen Georges Lemaître und Edwin Hubble Rotverschiebungen, um die verblüffende Entdeckung zu machen, dass Galaxien mit sehr wenigen Ausnahmen je nach Entfernung mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten von uns und voneinander weg rasen. Indem sie bestimmen, wie schnell sich Galaxien von uns entfernen, getragen von der unerbittlichen Ausdehnung des Weltraums, können Astronomen herausfinden, wie weit sie entfernt sind – je stärker das Spektrum einer Galaxie rotverschoben ist, desto weiter entfernt ist sie.
Romans Spektroskopie-Durchmusterung wird eine 3D-Karte des Universums erstellen, indem genaue Entfernungen und Positionen von Millionen von Galaxien gemessen werden. Zu lernen, wie die Galaxienverteilung mit der Entfernung und damit der Zeit variiert, wird uns einen Einblick geben, wie schnell sich das Universum in verschiedenen kosmischen Epochen ausdehnte.
Diese Studie wird auch Entfernungen von Galaxien mit den Echos von Schallwellen kurz nach dem Urknall in Verbindung bringen. Diese Schallwellen, Baryon Acoustic Oscillations (BAO) genannt, sind aufgrund der Ausdehnung des Weltraums mit der Zeit gewachsen und haben ihre Spuren im Kosmos hinterlassen, indem sie die Galaxienverteilung beeinflusst haben. Für jede moderne Galaxie ist es wahrscheinlicher, dass wir eine andere Galaxie in etwa 500 Millionen Lichtjahren Entfernung finden, als eine etwas nähere oder weiter entfernte.
Ein Blick weiter hinaus ins Universum, in frühere kosmische Zeiten, bedeutet, dass diese bevorzugte physikalische Distanz zwischen Galaxien – die Spur von BAO-Kräuselungen – abnimmt. Dies liefert ein Maß für die Expansionsgeschichte des Universums. Galaxien-Rotverschiebungen kodieren auch Informationen über ihre Bewegung aufgrund der Schwerkraft ihrer Nachbarn, sogenannte Rotverschiebungs-Raumverzerrungen, was Astronomen hilft, die Wachstumsgeschichte großräumiger Strukturen zu verfolgen. Das Wissen darüber, wie sich der Kosmos ausgedehnt hat und wie die Struktur im Laufe der Zeit in ihm gewachsen ist, wird es Wissenschaftlern ermöglichen, die Natur der kosmischen Beschleunigung zu erforschen und Einsteins Gravitationstheorie über das Alter des Universums zu testen.
Diese sechs Würfel zeigen die simulierte Verteilung von Galaxien bei den Rotverschiebungen 9, 8, 5, 3, 2 und 1 mit den entsprechenden kosmischen Altern. Während sich das Universum ausdehnt, nimmt die Dichte der Galaxien in jedem Würfel ab, von mehr als einer halben Million oben links auf etwa 80 unten rechts. Jeder Würfel hat einen Durchmesser von etwa 100 Millionen Lichtjahren. Galaxien versammelten sich entlang riesiger Gasstränge, die durch große Hohlräume getrennt waren, eine schaumartige Struktur, die im heutigen Universum in großen kosmischen Maßstäben widerhallte. Bildnachweis: Goddard Space Flight Center der NASA/F. Reddy und Z. Zhai, Y. Wang (IPAC) und A. Benson (Carnegie Observatories)
Dunkle Energie versus modifizierte Schwerkraft
Wenn sich das Universum ausdehnt, sollte die Schwerkraft der darin enthaltenen Materie diese Expansion verlangsamen. Astronomen waren überrascht, als sie erfuhren, dass sich die Expansion des Universums beschleunigt, weil dies bedeutet, dass etwas an unserem Bild des Kosmos entweder falsch oder unvollständig ist. Das Rätsel könnte dadurch erklärt werden, dass dem Universum eine neue Energiekomponente hinzugefügt wird, die Wissenschaftler als dunkle Energie bezeichnet haben, oder es könnte darauf hindeuten, dass Einsteins Gravitationstheorie – die allgemeine Relativitätstheorie – einer Modifikation bedarf.
Die Gleichungen zu ändern, die etwas so Grundlegendes wie die Schwerkraft beschreiben, mag extrem erscheinen, aber es wurde schon einmal gemacht. Isaac Newtons Gravitationsgesetz konnte einige der Dinge, die Astronomen beobachteten, nicht erklären, wie zum Beispiel eine kleine, aber mysteriöse Bewegung in der Umlaufbahn von Merkur.
Die Astronomen erkannten schließlich, dass Einsteins allgemeine Relativitätstheorie Probleme, die aufgetaucht waren, wie die Orbitalverschiebung von Merkur, perfekt berücksichtigte. Der Wechsel von Newtons Beschreibung der Gravitation zu Einsteins beinhaltete eine Transformation der modernen Physik, indem wir die Art und Weise veränderten, wie wir Raum und Zeit betrachten – miteinander verbunden, anstatt getrennt und konstant.
Die kosmische Beschleunigung könnte ein Zeichen dafür sein, dass Einsteins Gravitationstheorie immer noch nicht ganz richtig ist. Die Allgemeine Relativitätstheorie ist auf physikalischen Skalen etwa in der Größe unseres Sonnensystems sehr gut getestet, aber weniger, wenn wir uns zu größeren, kosmologischen Skalen bewegen. Das Team simulierte Romans Leistung und demonstrierte, dass die enormen, tiefen 3D-Bilder des Universums der Mission eine der bisher besten Gelegenheiten bieten, um zwischen den führenden Theorien zu unterscheiden, die versuchen, die kosmische Beschleunigung zu erklären.
„Wir können uns in jedem Fall auf neue Physik freuen – ob wir erfahren, dass die kosmische Beschleunigung durch dunkle Energie verursacht wird, oder ob wir feststellen, dass wir Einsteins Gravitationstheorie modifizieren müssen“, sagte Wang. „Roman wird beide Theorien gleichzeitig testen.“
Das römische Weltraumteleskop Nancy Grace wird vom Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt, Maryland, verwaltet, mit Beteiligung des Jet Propulsion Laboratory und des Caltech/IPAC der NASA in Südkalifornien, des Space Telescope Science Institute in Baltimore und eines Wissenschaftsteams aus Wissenschaftlern verschiedener Forschungseinrichtungen. Die wichtigsten Industriepartner sind Ball Aerospace and Technologies Corporation in Boulder, Colorado; L3Harris Technologies in Melbourne, Florida; und Teledyne Scientific & Imaging in Thousand Oaks, Kalifornien.
Yun Wang et al., The High Latitude Spectroscopic Survey on the Nancy Grace Roman Space Telescope, Das Astrophysikalische Journal (2022). DOI: 10.3847/1538-4357/ac4973