Ein neues Weltraumteleskop namens Euclid, eine Mission der ESA (Europäische Weltraumorganisation) mit wichtigen Beiträgen der NASA, soll im Juli starten, um herauszufinden, warum sich die Expansion des Universums beschleunigt. Wissenschaftler nennen die unbekannte Ursache dieser kosmischen Beschleunigung „dunkle Energie“. Bis Mai 2027 wird das römische Weltraumteleskop Nancy Grace der NASA gemeinsam mit Euclid dieses Rätsel auf noch nie dagewesene Weise erforschen.
„25 Jahre nach seiner Entdeckung bleibt die beschleunigte Expansion des Universums eines der dringendsten Rätsel der Astrophysik“, sagte Jason Rhodes, ein leitender Wissenschaftler am Jet Propulsion Laboratory der NASA in Südkalifornien. Rhodes ist stellvertretender Projektwissenschaftler für Roman und US-wissenschaftlicher Leiter für Euclid. „Mit diesen kommenden Teleskopen werden wir dunkle Energie auf unterschiedliche Weise und mit weitaus größerer Präzision messen, als es bisher möglich war, und so eine neue Ära der Erforschung dieses Mysteriums einleiten.“
Wissenschaftler sind sich nicht sicher, ob die beschleunigte Expansion des Universums durch eine zusätzliche Energiekomponente verursacht wird oder ob sie darauf hindeutet, dass unser Verständnis der Schwerkraft in irgendeiner Weise geändert werden muss. Astronomen werden Roman und Euklid nutzen, um beide Theorien gleichzeitig zu testen, und Wissenschaftler erwarten, dass beide Missionen wichtige Informationen über die zugrunde liegende Funktionsweise des Universums ans Licht bringen.
Euklid und Roman sind beide darauf ausgelegt, die kosmische Beschleunigung zu untersuchen, verwenden jedoch unterschiedliche und komplementäre Strategien. Bei beiden Missionen werden 3D-Karten des Universums erstellt, um grundlegende Fragen zur Geschichte und Struktur des Universums zu beantworten. Zusammen werden sie viel stärker sein als einzeln.
Euklid wird einen weitaus größeren Bereich des Himmels beobachten – etwa 15.000 Quadratgrad oder etwa ein Drittel des Himmels – sowohl im infraroten als auch im optischen Wellenlängenbereich des Lichts, jedoch mit weniger Details als Roman. Es wird 10 Milliarden Jahre zurückblicken, bis das Universum etwa 3 Milliarden Jahre alt war.
Romans größte Kerndurchmusterung wird in der Lage sein, das Universum in viel größerer Tiefe und Präzision zu erforschen, aber auf einer kleineren Fläche – etwa 2.000 Quadratgrad oder einem Zwanzigstel des Himmels. Seine Infrarotsicht wird den Kosmos enthüllen, als er 2 Milliarden Jahre alt war, und eine größere Anzahl schwächerer Galaxien offenbaren. Während Euklid sich ausschließlich auf die Kosmologie konzentrieren wird, wird Roman auch nahegelegene Galaxien untersuchen, Planeten in unserer Galaxie finden und erforschen, Objekte am Rande unseres Sonnensystems untersuchen und vieles mehr.
Die Jagd nach dunkler Energie
Das Universum dehnt sich seit seiner Geburt aus – eine Tatsache, die der belgische Astronom Georges Lemaître im Jahr 1927 und Edwin Hubble im Jahr 1929 entdeckten. Wissenschaftler gingen jedoch davon aus, dass die Schwerkraft der Materie im Universum diese Expansion allmählich verlangsamen würde. In den 1990er Jahren entdeckten Wissenschaftler bei der Untersuchung einer bestimmten Art von Supernova, dass die Dunkle Energie vor etwa 6 Milliarden Jahren begann, ihren Einfluss auf das Universum zu verstärken, und niemand weiß, wie oder warum. Die Tatsache, dass es immer schneller wird, bedeutet, dass unserem Bild vom Kosmos etwas Grundlegendes fehlt.
Roman und Euklid werden getrennte Ströme überzeugender neuer Daten bereitstellen, um Lücken in unserem Verständnis zu schließen. Sie werden versuchen, die Ursache der kosmischen Beschleunigung auf verschiedene Weise herauszufinden.
Zunächst werden sowohl Roman als auch Euklid die Ansammlung von Materie mithilfe einer Technik namens schwacher Gravitationslinse untersuchen. Dieses Lichtbeugungsphänomen tritt auf, weil alles mit Masse das Gefüge der Raumzeit verzerrt; Je größer die Masse, desto größer die Verzerrung. Auch Bilder einer entfernten Quelle, die durch Licht erzeugt werden, das sich durch diese Verzerrungen bewegt, sehen verzerrt aus. Wenn es sich bei den näheren „Linsen“-Objekten um massereiche Galaxien oder Galaxienhaufen handelt, können Hintergrundquellen verschwommen erscheinen oder mehrere Bilder erzeugen.
Weniger konzentrierte Masse, wie etwa Klumpen dunkler Materie, kann subtilere Effekte erzeugen. Durch die Untersuchung dieser kleineren Verzerrungen werden Roman und Euclid jeweils eine 3D-Karte der Dunklen Materie erstellen. Das wird Hinweise auf die kosmische Beschleunigung liefern, da die Anziehungskraft der Dunklen Materie, die wie ein kosmischer Klebstoff wirkt, der Galaxien und Galaxienhaufen zusammenhält, der Expansion des Universums entgegenwirkt. Die Zählung der dunklen Materie des Universums über die kosmische Zeit hinweg wird Wissenschaftlern helfen, den Push-and-Pull-Einfluss in die kosmische Beschleunigung besser zu verstehen.
Die beiden Missionen werden auch die Art und Weise untersuchen, wie sich Galaxien in verschiedenen kosmischen Zeitaltern zusammenballten. Wissenschaftler haben anhand von Messungen im nahen Universum ein Muster in der Art und Weise entdeckt, wie sich Galaxien ansammeln. Für jede heutige Galaxie ist die Wahrscheinlichkeit, eine andere Galaxie in etwa 500 Millionen Lichtjahren Entfernung zu finden, etwa doppelt so hoch wie die Wahrscheinlichkeit, dass wir etwas näher oder weiter entfernt sind.
Dieser Abstand ist im Laufe der Zeit aufgrund der Raumausdehnung gewachsen. Durch einen Blick weiter ins Universum, in frühere kosmische Zeiten, können Astronomen die bevorzugte Entfernung zwischen Galaxien in verschiedenen Epochen untersuchen. Zu sehen, wie es sich verändert hat, wird die Expansionsgeschichte des Universums offenbaren. Zu sehen, wie sich die Galaxienhaufenbildung im Laufe der Zeit verändert, wird auch einen genauen Test der Schwerkraft ermöglichen. Dies wird Astronomen helfen, zwischen einer unbekannten Energiekomponente und verschiedenen modifizierten Gravitationstheorien als Erklärungen für die kosmische Beschleunigung zu unterscheiden.
Roman wird eine zusätzliche Untersuchung durchführen, um viele entfernte Supernovae vom Typ Ia zu entdecken – eine besondere Art explodierender Sterne. Diese Explosionen haben ihren Höhepunkt bei einer ähnlichen Eigenhelligkeit. Aus diesem Grund können Astronomen bestimmen, wie weit die Supernovae entfernt sind, indem sie einfach messen, wie hell sie erscheinen.
Astronomen werden mithilfe von Roman das Licht dieser Supernovae untersuchen, um herauszufinden, wie schnell sie sich scheinbar von uns entfernen. Durch den Vergleich, wie schnell sie sich in unterschiedlichen Entfernungen zurückziehen, können Wissenschaftler die kosmische Expansion im Laufe der Zeit verfolgen. Dies wird uns helfen, besser zu verstehen, ob und wie sich dunkle Energie im Laufe der Geschichte des Universums verändert hat.
Ein starkes Paar
Die Untersuchungen der beiden Missionen werden sich überschneiden, wobei Euklid wahrscheinlich das gesamte Gebiet beobachten wird, das Roman scannen wird. Das bedeutet, dass Wissenschaftler die sensibleren und präziseren Daten von Roman nutzen können, um Korrekturen an Euklids Daten vorzunehmen und die Korrekturen auf das viel größere Gebiet von Euklid auszudehnen.
„Euclids erster Blick auf die weite Himmelsregion, die er untersuchen wird, wird die Wissenschaft, Analyse und den Vermessungsansatz für Romans tieferen Tauchgang beeinflussen“, sagte Mike Seiffert, Projektwissenschaftler für den NASA-Beitrag zu Euclid am Jet Propulsion Laboratory der NASA.
„Zusammen werden Euklid und Roman viel mehr bewirken als die Summe ihrer Teile“, sagte Yun Wang, ein leitender Forschungswissenschaftler am Caltech/IPAC in Pasadena, Kalifornien, der wissenschaftliche Gruppen zur Galaxienhaufenbildung sowohl für Euklid als auch für Roman geleitet hat. „Die Kombination ihrer Beobachtungen wird den Astronomen ein besseres Gefühl dafür vermitteln, was tatsächlich im Universum vor sich geht.“