Neues Modell zeigt, was die Farbe einer Galaxie über ihre Entfernung verrät

Ein Team der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) hat ein Modell entwickelt, das Aufschluss darüber gibt, was die Farbe einer Galaxie über ihre Entfernung verrät und das zur Messung kosmischer Strukturen verwendet werden soll.

Unser Universum ist etwa 13,8 Milliarden Jahre alt. In dieser gewaltigen Zeitspanne haben sich aus den kleinsten anfänglichen Asymmetrien die großräumigen Strukturen entwickelt, die wir durch unsere Teleskope am Nachthimmel sehen können: Galaxien wie unsere eigene Milchstraße, Galaxienhaufen und sogar noch größere Materieansammlungen oder Filamente aus Gas und Staub.

Wie schnell dieses Wachstum vonstatten geht, hängt, zumindest im heutigen Universum, von einer Art Ringkampf der Naturkräfte ab: Kann die Dunkle Materie, die durch ihre Schwerkraft alles zusammenhält und weitere Materie anzieht, gegen die Dunkle Energie bestehen, die das Universum immer weiter auseinander treibt?

„Wenn wir die Strukturen am Himmel präzise vermessen können, dann können wir diesen Kampf beobachten“, sagt LMU-Astrophysiker Daniel Grün.

Hier kommen teleskopische Beobachtungsprojekte ins Spiel, die große Teile des Himmels hochpräzise in Bildern festhalten. Beispiele hierfür sind der Dark Energy Survey mit dem Blanco-Teleskop in Chile oder der jüngst in Betrieb genommene Satellit Euclid. An beiden Projekten sind LMU-Wissenschaftler seit Jahren beteiligt, auch in leitender Funktion.

Größter bisher ausgewerteter Datensatz

Obwohl es nicht immer einfach ist, die Entfernung einzelner Strukturen und Galaxien von uns genau zu bestimmen, ist dies von entscheidender Bedeutung. Denn je weiter eine Galaxie entfernt ist, desto länger hat ihr Licht den Weg zu uns zurückgelegt. Die Momentaufnahme des Universums, die durch ihre Beobachtung entsteht, ist daher älter. Eine wichtige Informationsquelle ist die beobachtete Farbe einer Galaxie, die von erdgebundenen Teleskopen wie Blanco oder Satelliten wie Euclid gemessen wird.

Eine neue Studie eines Teams um Jamie McCullough und Daniel Grün, die veröffentlicht im Journal Monatliche Mitteilungen der Royal Astronomical Societyhat den bislang größten Datensatz analysiert und bringt Licht in die Frage, was die Farbe verschiedener Galaxien tatsächlich über ihre wahre Entfernung aussagt.

Die Entfernung einer Galaxie lässt sich prinzipiell mit Hilfe der Spektroskopie genau bestimmen. Dabei misst man die Spektrallinien weit entfernter Galaxien. Da sich das Weltall insgesamt ausdehnt, scheinen diese eine längere Wellenlänge zu haben, je weiter eine Galaxie von uns entfernt ist. Das liegt daran, dass die Lichtwellen weit entfernter Galaxien auf der langen Reise zu uns gestreckt werden.

Dieser Effekt, Rotverschiebung genannt, verändert auch die scheinbaren Farben, die die Instrumente im Bild der Galaxie messen. Sie erscheinen röter, als sie in Wirklichkeit sind. Dies ähnelt dem Dopplereffekt, den wir in der scheinbaren Tonhöhe der Sirene eines Krankenwagens hören, wenn dieser an uns vorbeifährt und sich entfernt.

Keine zwei Galaxien sind gleich

Jamie McCullough ist Doktorandin an der LMU und der Stanford University. Für ihre Analyse nutzte sie spektroskopische Messungen des Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) in Verbindung mit dem bislang größten Datensatz zur präzisen Messung von Galaxienfarben (KiDS-VIKING).

Konkret kombinierten die Autoren spektroskopische Daten von DESI von insgesamt 230.000 Galaxien mit den Farben dieser Galaxien in der KiDS-VIKING-Umfrage und nutzten diese Informationen, um die Beziehung zwischen der Entfernung einer Galaxie von uns und ihrer beobachteten Farbe und Helligkeit zu bestimmen. Keine zwei Galaxien im Universum sind gleich, aber für jede Klasse ähnlicher Galaxien gibt es eine spezielle Beziehung zwischen beobachteter Farbe und Rotverschiebung.

„Wenn wir Entfernungsinformationen mit Messungen der Form von Galaxien kombinieren können, können wir aus den Lichtverzerrungen auf großräumige Strukturen schließen“, sagt Jamie McCullough.

Die Ergebnisse der Studie ermöglichen es, die tatsächliche Entfernung jeder auf Bildern von Euclid oder Dark Energy Survey beobachteten Galaxie statistisch zu bestimmen.

Durch die Analyse der beobachteten Verzerrungen der Galaxienbilder können Wissenschaftler etwas über das Verhalten kosmischer Strukturen heute und vor Milliarden von Jahren erfahren und diese besser verstehen. Dies wird Einblicke in die Evolutionsgeschichte des Universums liefern.

Um den Verlauf der Strukturbildung im Laufe der Zeit beobachten zu können, muss man nicht Milliarden von Jahren warten; es genügt, die Struktur in verschiedenen Entfernungen von der Erde zu vermessen. Mit Bildern allein ist das fast unmöglich, denn man kann nicht allein anhand des Aussehens einer Galaxie auf einem Bild auf die Entfernung zu unserer schließen.

Die Studie von Jamie McCullough enthält den Schlüssel zu diesem Problem, indem sie ein Modell dafür liefert, was uns die scheinbare „Farbe“ einer Galaxie über ihre Entfernung von uns verrät.

Beobachten, wie dunkle Materie und dunkle Energie miteinander ringen

Das Hauptziel dieser präzisen Beobachtung und Verteilung von Galaxien in verschiedenen Entfernungen besteht darin, Erkenntnisse über den großen Ringkampf zwischen den Naturkräften der dunklen Materie und der dunklen Energie zu gewinnen.

„Um wirklich zu sehen, was passiert, muss man die einzelnen Runden dieses Spiels beobachten können“, sagt Grün. Denn die Dunkle Energie steht kurz davor, aufzuholen und möglicherweise die Bildung größerer Masseansammlungen im Universum ganz zu stoppen.

„Erst dann werden wir verstehen, was dunkle Materie und dunkle Energie eigentlich sind und welche von ihnen sich letztlich durchsetzen wird.“