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KOSMOLOGIE: Die Suche nach der Dunklen Energie


Sterne und Weltraum - epaper ⋅ Ausgabe 8/2018 vom 13.07.2018

Ein internationales Beobachtungsprogramm, der Dark Energy Survey, sucht in den Tiefen des Universums nach der Lösung eines großen Rätsels: Welche Kraft treibt das Weltall immer schneller auseinander?


IN KÜRZE

■ Seit 20 Jahren mehren sich die Hinweise darauf, dass eine Kraft, die der Gravitation entgegenwirkt, das Universum auseinandertreibt.
■ Die Natur dieser »Dunklen Energie« ist noch rätselhaft.
■ Mit dem Dark Energy Survey, einer mehrjährigen Durchmusterung eines 5000 Quadratgrad großen Himmelsareals, suchen Astronomen in der Verteilung von Galaxien nach Hinweisen auf die Dunkle Energie.

Reidar Hahn ...

Artikelbild für den Artikel "KOSMOLOGIE: Die Suche nach der Dunklen Energie" aus der Ausgabe 8/2018 von Sterne und Weltraum. Dieses epaper sofort kaufen oder online lesen mit der Zeitschriften-Flatrate United Kiosk NEWS.

Bildquelle: Sterne und Weltraum, Ausgabe 8/2018

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... / Fermilab

Das Vier-Meter-Blanco-Teleskop auf dem Cerro Tololo in Chile (Mitte) sucht mit einer speziellen Kamera, der Dark Energy Cam, in der Verteilung von Galaxien am Himmel nach Hinweisen auf die Dunkle Energie.


Wenn wir unser Universum verstehen wollen, müssen wir manchmal in entlegene Gegenden unserer Erde reisen. Für die Mitglieder einer internationalen Forschungskollaboration ist ein Ort in den chilenischen Anden ein wichtiger Stützpunkt geworden. Hier, etwa 80 Kilometer östlich der Küstenstadt La Serena, liegt inmitten einer grandiosen Einöde auf 2200 Meter Höhe das Cerro Tololo Inter-American Observatoy. Das größte Teleskop an diesem Standort, ausgestattet mit einem Vier-Meter-Spiegel und einer Spezialkamera, ist für die Wissenschaftler des Dark Energy Survey zum primären Forschungsinstrument geworden. Mit ihm wollen sie herausfinden, was sich hinter einem der größten Rätsel der modernen Kosmologie verbirgt: der Dunklen Energie.

»Dunkel« nennen die Astronomen zunächst einmal alles, was sie nicht sehen können, weil es kein Licht aussendet. Auch die Dunkle Energie ist nicht sichtbar, aber die Astronomen wissen aus den großskaligen Bewegungen im Kosmos, dass sie existieren muss und dass sie sogar einen Großteil des Energieinhalts unseres Universums ausmacht (siehe Grafik S. 31). Diese mysteriöse Substanz soll dafür verantwortlich sein, dass sich der Kosmos – also der Raum, in dem sich alle Galaxien, Sterne und als vergleichsweise winzige Staubkörnchen auch Planeten wie unsere Erde befinden – immer schneller ausdehnt. Die Dunkle Energie beeinflusst also den Kosmos als Ganzes. Und doch weiß niemand, woraus sie besteht!

Diese beunruhigende Wissenslücke möchte das Team des Dark Energy Survey schließen. Mit Hilfe einer großen Durchmusterung (englisch: survey) des Himmels, durchgeführt im optischen und nahinfraroten Spektralbereich am eingangs erwähnten Victor-M.-Blanco-Teleskop, suchen sie nach Indizien im Universum, die auf die Natur der Dunklen Energie schließen lassen.

Dunkle Komponenten im frühen Universum

Die Gesamtheit dessen, was wir heute aus Beobachtungen, Simulationen und theoretischen Rechnungen über die Entwicklung des Universums wissen, bezeichnen wir als Standardmodell der Kosmologie (siehe SuW 8/2007, S. 38, und 9/2007, S. 36). Diesen Vorstellungen zufolge war in einer frühen Entwicklungsphase die Materie im Weltall mehr als eine Million Mal dichter als heute und so heiß, dass sich die Grundbausteine der Materie, die Elektronen und Protonen, noch nicht zu neutralen Wasserstoffatomen verbinden konnten.

In dieser Phase lag der Großteil des Energiegehalts des Kosmos noch als Strahlung vor, und zwar sowohl in Form von elektromagnetischer Strahlung (den Photonen) als auch in Form von Neutrinos, die nur schwach mit Materie in Wechselwirkung treten. Strahlung, Elektronen und Protonen waren durch Streuprozesse aneinander gekoppelt und bildeten ein energiereiches Gemisch, ein so genanntes Materie-Strahlungs-Plasma. Die Dichte dieses Plasmas war im gesamten All nur sehr kleinen Schwankungen unterworfen. Jede Art von Strukturbildung erwies sich unter den herrschenden Bedingungen als unmöglich; denn sollten sich lokal geringe Überdichten gebildet haben, die durch ihre Gravitationskraft hätten weiter wachsen können, wurde dies durch Schallwellen und den hohen Druck im Materie-Strahlungs-Plasma schon im Keim erstickt.

Andererseits wissen wir, dass sich im frühen Universum bereits Strukturen gebildet haben müssen, denn ansonsten wäre die Zeit zu knapp, um die heute beobachtete großräumige Gliederung des Weltalls in Galaxien und Galaxienhaufen zu erklären. Um diesen Widerspruch aufzulösen, nehmen Astronomen eine hypothetische Materieform an, die mit anderen Arten von Materie und Energie nur durch die Gravitationskraft in Wechselwirkung tritt: die Dunkle Materie (eine weitere dunkle Komponente neben der Dunklen Energie). Da diese nicht an elektromagnetische und andere Streuprozesse im Materie-Strahlungs-Plasma gekoppelt ist, konnten Überdichten der Dunklen Materie schon im frühen Universum durch Gravitationskollaps anwachsen.

Materie übernimmt die Kontrolle

In der weiteren Entwicklung dehnte sich das Universum aus, und die Strahlung im Materie-Strahlungs-Plasma verlor an Energie. Dieser Energieverlust der Strahlungskomponenten im Kosmos ist auf die kosmische Rotverschiebung zurückzuführen. Denn die Ausdehnung des Universums zieht auch die Wellen der Strahlung auseinander und vergrößert so ihre Wellenlänge – das heißt hin zu »röteren« Wellenlängen und somit niedrigerer Energie. Das setzte sich so lange fort, bis die Materie – sowohl die gewöhnliche Materie aus Elektronen und Protonen als auch die Dunkle Materie – zum größten Posten im Energiehaushalt des Universums geworden war. Die Phase ab diesem Zeitpunkt nennt man die materiedominierte Epoche des Universums.

SuW-Grafik, nach: Nigel Hawtin / Scientific American November 2015

Gravitationslinsen

Die Schwerkraft massereicher Regionen im Universum lenkt das Licht von Galaxien auf dem Weg zur Erde ab und verzerrt ihre Bilder im Teleskop. Die Orientierungen zweier Galaxien am Himmel sind daher nicht völlig unabhängig voneinander. Im Dark Energy Survey vermessen die Forscher die Ausrichtung vieler Millionen Galaxien und erstellen so eine Karte der unsichtbaren Materie zwischen diesen Objekten und der Erde.

Nigel Hawtin / Scientific American März 2016; Bearbeitung: SuW-Grafik

Kurz nach Beginn dieser Epoche hatten sich die negativ geladenen Elektronen und die positiv geladenen Protonen so weit abgekühlt, dass sie sich zu neutralen Atomen des Wasserstoffs zusammenlagern konnten. Damit hörte das Materie-Strahlungs-Plasma auf zu existieren, da sich fortan Strahlungsteilchen frei von Streuprozessen im All bewegen konnten. Die Lichtteilchen, die in dieser so genannten Rekombination ihre Freiheit erlangten, erreichen uns heute in Form der kosmischen Hintergrundstrahlung. Durch die Expansion des Universums hat sich ihre Wellenlänge so weit gedehnt, dass wir diese Strahlung im Mikrowellenbereich wahrnehmen. Sie ist das stark abgekühlte Relikt der einstmals heißen Strahlung, die während der Rekombinationsphase freigesetzt wurde.

Die gewöhnliche Materie, die nun auch nicht mehr im Materie-Strahlungs-Plasma gefangen war, konnte ab diesem Zeitpunkt ebenfalls beginnen, durch Gravitation Strukturen zu formen. Sie konnte dabei sogar in jene Gravitationspotenziale fallen, die zuvor schon von der Dunklen Materie gebildet worden waren. Das beschleunigte die Strukturbildung im Kosmos und sorgte dafür, dass schnell die ersten Sterne, Galaxien und Galaxienhaufen entstehen konnten.

Eine zweite Revolution

Noch vor 20 Jahren waren viele Astronomen der Ansicht, dass der Kosmos in seiner materiedominierten Phase verharrt und dass die Gravitationskräfte der Massen die Expansion des Universums immer weiter abbremsen. Beobachtungsdaten der letzten zwei Jahrzehnte zeichnen jedoch ein anderes Bild. Demnach befinden wir uns heute in einer neuen Übergangsphase des Universums. Die Materie verliert an Bedeutung, und eine neue Komponente beginnt, den Energiehaushalt des Universums zu dominieren: die Dunkle Energie.

Was diese Dunkle Energie ist, wissen wir noch nicht. Sie könnte in ihrer Wirkung entweder der ursprünglich von Albert Einstein in seinen Gleichungen der allgemeinen Relativitätstheorie eingeführten kosmologischen Konstanten entsprechen (siehe Grafik S. 29). Demnach würde die Dunkle Energie dem Raum selbst entspringen und einer zeitlich konstanten Energiedichte des Vakuums entsprechen. Sie könnte aber auch selbst ein dynamisches, also zeitlich und räumlich veränderliches Kraftfeld darstellen (zum Beispiel die so genannte Quintessenz). Oder aber – und diese Möglichkeit sollten wir Wissenschaftler nicht aus den Augen verlieren – die Gravitationsgesetze selbst wirken auf kosmischen Skalen anders als von Einsteins Theorie vorhergesagt. Gemein ist allen Vorstellungen von der Dunklen Energie, dass sie auf großen Skalen der Gravitation entgegenwirkt, also eine anti-gravitative Wirkung besitzt. Sobald die Materie durch die Ausdehnung des Kosmos genügend ausgedünnt ist, übernimmt die Antigravitation die Kontrolle und beginnt, die Expansion des Universums immer weiter zu beschleunigen.

Wir müssen uns an dieser Stelle das Zusammenspiel von Dunkler Materie, gewöhnlicher Materie und Dunkler Energie vergegenwärtigen: Hätte die Dunkle Materie nicht bereits im frühen Universum begonnen, Strukturen zu bilden, dann hätte die gewöhnliche Materie nicht schon sozusagen ins gemachte Bett fallen können. Die Bildung von Galaxien und Galaxienhaufen wäre also wesentlich langsamer vonstattengegangen. Sobald dann die von Dunkler Energie dominierte Epoche beginnt, dehnt sich der Kosmos so schnell aus, dass kaum noch neue Strukturen gebildet werden können. Ohne Dunkle Materie hätten sich also niemals die reichen Strukturen bilden können, die wir heute im Kosmos beobachten.

Anfang und Gegenwart des Kosmos verbinden

Die Aufgabe der Kosmologie ist es, eine einheitliche Theorie zu finden, die alle beobachtbaren Epochen des Universums präzise und zutreffend beschreibt. Eine solche Theorie muss zum Beispiel sowohl die Fluktuationen in der kosmischen Mikrowellenhintergrundstrahlung erklären als auch die Eigenschaften der beobachteten Verteilung von Galaxien. Diese beiden Phänomene gleichzeitig korrekt zu beschreiben, ist eigentlich ein atemberaubender Anspruch. Denn während die meisten Galaxien ihr Licht erst vor kosmologisch gesehen kurzer Zeit zu uns aussandten, ist die kosmische Hintergrundstrahlung vor etwa 13 Milliarden Jahren entstanden – in einer Zeit, in der das Universum mehr als 1000 Mal kleiner war als heute und in der seine Materiedichte um mehr als eine Million Mal größer war.

Dennoch versuchen Kosmologen auf der ganzen Welt, diesem Anspruch gerecht zu werden. Nachdem Anfang dieses Jahrhunderts der Satellit Planck bereits sehr genau die Hintergrundstrahlung vermessen hat, steht dabei nun die Struktur des späten Universums im Fokus. Beobachtet man die Amplitude der Dichtefluktuationen im Universum bei verschiedenen Rotverschiebungen (also zu verschiedenen Zeiten der kosmologischen Entwicklung), lässt sich das Strukturwachstum im Kosmos bestimmen. Dieses reagiert empfindlich auf die Anwesenheit von Dunkler Energie: Gibt es mehr dieser dunklen Komponente, dann wird das Strukturwachstum bereits zu früheren Zeiten unterdrückt. So lässt sich nicht nur die Gesamtmenge an Dunkler Energie ermitteln, sondern auch, ob die Dichte Dunkler Energie konstant ist oder sich mit der Zeit ändert. Letzteres würde dafür sprechen, dass die Dunkle Energie mehr ist als nur Einsteins kosmologische Konstante.

Der Dark Energy Survey

Mit einem internationalen Beobachtungsprogramm, dem Dark Energy Survey (DES), möchten die Astronomen die Natur der Dunklen Energie erforschen. Hierzu haben sich Forschungseinrichtungen aus den Vereinigten Staaten, dem Vereinigten Königreich, Spanien, Brasilien, der Schweiz, Australien und Deutschland zur DES-Kollaboration zusammengeschlossen. Wichtigstes Instrument ist die Dark Energy Camera (DECam), eine Kamera mit 570 Megapixel verteilt auf 74 CCD-Chips (siehe Bild). Das Auflösungsvermögen der DECam beträgt etwa 0,26 Bogensekunden pro Pixel; das Sichtfeld einer Aufnahme hat einen Winkeldurchmesser von etwa 2,2 Grad am Himmel.

Die DECam wird am 4-Meter-Teleskop Victor M. Blanco auf dem Cerro Tololo in Chile betrieben. Dort beobachtet sie über einen Zeitraum von etwa fünfeinhalb Jahren 5000 Quadratgrad des südlichen Sternhimmels (was einem Achtel des gesamten Himmels entspricht) in fünf optischen Wellenlängenbereichen.

Für insgesamt 300 Millionen Galaxien sollen so folgende Daten erfasst werden: ihre genaue Position am Himmel, eine Abschätzung der Rotverschiebung jeder Galaxie und die genaue Ausrichtung jeder Galaxie am Himmel. Letzteres ist dabei erforderlich, um so genannte Gravitationslinseneffekte zu studieren.

Homepage des DES:darkenergysurvey.org

Die Dark Energy Camera (DECam) bietet mit 62 CCD-Chips (blaugrün) eines der größten Kamerasichtfelder in der optischen Astronomie. Zwölf weitere CCDs dienen der Ausrichtung, Fokussierung und Nachführung des Teleskops.


Reidar Hahn / Fermilab

Eine Karte des Kosmos

Hier kommt nun der Dark Energy Survey (DES) ins Spiel. Unsere spezielle Kamera am Victor-M.-Blanco-Teleskop durchmustert seit 2013 ein Achtel des Himmels in mehreren Durchgängen und in mehreren Wellenlängenbereichen. Das Sichtfeld der Kamera umfasst die knapp 20-fache Fläche des Vollmonds am Himmel, und das Auflösungsvermögen beträgt 0,26 Bogensekunden pro Pixel (siehe Kasten S. 30).

Letztlich entsteht so eine Karte des uns umgebenden Kosmos. Neu ist dabei im Vergleich zu Vorgängerprojekten wie dem Sloan Digital Sky Survey eine größere optische Tiefe der Aufnahmen. Zudem liegt der Fokus auf Messungen mit Hilfe des Gravitationslinseneffekts: Durchläuft das Licht ferner Galaxien auf dem Weg zu uns die inhomogenen Gravitationsfelder des Universums, dann verzerren diese das bei uns ankommende Bild in ähnlicher Weise, wie zum Beispiel eine Glasscheibe mit inhomogener Dicke dahinter liegende Objekte verzerrt erscheinen lassen würde (siehe Grafik S. 28). Da die hierzu nötigen Gravitationspotenziale sowohl von gewöhnlicher als auch von Dunkler Materie erzeugt werden, erlaubt es der Gravitationslinseneffekt, Rückschlüsse auf die gesamte Materieverteilung im Universum zu ziehen. Die Positionen von Galaxien hingegen sind ein Indikator für die Verteilung der gewöhnlichen (baryonischen) Materie, die nur zu einem gewissen Grad mit der Dunklen Materie korreliert.

Da Galaxien in der Regel nicht exakt rund sind, lässt sich das vom Gravitationslinseneffekt erzeugte Verzerrungsfeld (das Scherungsfeld) nur im Mittel aus der Ausrichtung sehr vieler Galaxien bestimmen. Aus dem gemessenen Scherfeld lässt sich dann sozusagen eine Karte der Materieverteilung im Universum rekonstruieren (siehe Grafik S. 32). Die Positionen der im Dark Energy Survey gemessenen Galaxien ergeben zudem eine Karte der ausschließlich baryonischen Materie.


Der Gravitationslinseneffekt erlaubt Rückschlüsse auf die gesamte Materieverteilung im Universum.


Um hieraus auf die Eigenschaften des Kosmos als Ganzes rückzuschließen, ist es hilfreich, die statistischen Eigenschaften dieser Karten zu untersuchen. Interessant ist dabei insbesondere der Dichtekontrast der Materieverteilung. Je kontrastreicher die Karten sind, desto stärker muss das bisherige Strukturwachstum im Universum erfolgt sein. Der Dichtekontrast ist zudem auch eine Funktion der Auflösung, unter der die erstellten Karten betrachtet werden. Wie schnell der Kontrast mit dieser Auflösungsskala abfällt, liefert zusätzliche Informationen zu Prozessen, welche die Strukturbildung beeinflussen.

Die Amplitude und die Skalenabhängigkeit der Fluktuationen im Dichtefeld lassen sich mit so genannten Korrelationsfunktionen untersuchen. Vereinfacht gesagt messen diese, wie oft überdichte Regionen am Himmel unter einem bestimmten Abstand zueinander zu finden sind. Korrelationsfunktionen lassen sich sowohl innerhalb der Galaxien- und der Scherungskarten messen als auch zwischen den beiden Karten. Insgesamt lassen sich somit drei Arten von Korrelationsfunktionen untersuchen. Im Folgenden beziehen wir uns auf die jüngsten Messungen dieser Korrelationsfunktionen in DES-Daten. Die Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen des Dark Energy Survey nutzen aber auch andere Indikatoren, um unsere Theorien des Kosmos zu überprüfen: zum Beispiel Supernovae des Typs Ia, die in fernen Galaxien aufleuchten, die Häufigkeit massereicher Galaxienhaufen und auch so genannte baryonische akustische Oszillationen, die von Schallwellen im Materie-Strahlungs-Plasma während des frühen Universums herrühren.

Bevor sich aus Messungen dieser Art akkurate Schlussfolgerungen zu kosmologischen Theorien ziehen lassen, müssen die Wissenschaftler zunächst eine Vielzahl von Tests und Teilanalysen entwerfen und durchführen. So sind die Eigenschaften von Teleskop und Kamera genauestens zu charakterisieren, damit die gewonnenen Rohdaten korrekt interpretiert werden. Die Position jedes gefundenen Objekts am Himmel muss astrometrisch, das heißt durch Vergleich mit bekannten Sternpositionen, genau bestimmt werden. Um den Gravitationslinseneffekt zu nutzen, muss die Ausrichtung jeder Galaxie am Himmel präzise bekannt sein. Hierzu müssen die Wissenschaftler zum Beispiel genau verstehen, wie punktförmige Quellen durch die Teleskopoptik abgebildet werden: Zu welchen Beugungsmustern werden sie verformt? Aus den Helligkeiten der Galaxien in den verschiedenen optischen Bändern ist ihre jeweilige Rotverschiebung zu ermitteln – inklusive der Fehlerbereiche dieser Werte, die durch etwaige systematische und statistische Unsicherheiten zu Stande kommen.

Es gilt außerdem, aus kosmologischen Theorien Vorhersagen für die Beobachtungen abzuleiten und sie mit Hilfe hochauflösender Simulationen der kosmischen Strukturbildung zu validieren. Effekte, die sich bekanntermaßen der theoretischen Modellierung (noch) entziehen, müssen durch geeignete Parametrisierung in die Theorievorhersagen eingearbeitet werden, um unserer Unwissenheit Rechnung zu tragen. Mit Hilfe simulierter Daten muss außerdem auch untersucht werden, mit welchen statistischen Unsicherheiten die zu ziehenden kosmologischen Schlussfolgerungen behaftet sind. Am Ende sollte zudem der gesamte Analyseapparat anhand simulierter Daten überprüft werden.

Unbekanntes Universum

Nur rund fünf Prozent des Materie- beziehungsweise Energieanteils im Universum entfällt auf gewöhnliche (baryonische) Materie, die aus Atomen aufgebaut ist. Ein Viertel besteht aus Dunkler Materie, deren Natur noch unbekannt ist und die sich nur durch ihre Gravitation bemerkbar macht. Der größte Anteil – mehr als zwei Drittel – entfällt jedoch auf eine mysteriöse Komponente, die Dunkle Energie genannt wird und die für die beschleunigte Expansion des Kosmos verantwortlich ist.

SuW-Grafik

Verklumpung

Der Dark Energy Survey ermittelt, wie sich die Materie im Universum verteilt. Aus den resultierenden Karten ergeben sich Hinweise auf das Wechselspiel von Dunkler Materie und Dunkler Energie: Die Dunkle Materie sorgt durch ihre Gravitationskraft für lokale Verdichtungen der Galaxien, während die Dunkle Energie den Raum mitsamt den Galaxien darin auseinander treibt.

All diese Problemfelder muss das Team des Dark Energy Survey bearbeiten, damit der DECam-Datensatz tatsächlich zur Überprüfung kosmologischer Theorien herangezogen werden kann. Um das zu bewerkstelligen, arbeiten rund 400 Wissenschaftler in den am Dark Energy Survey beteiligten Ländern zusammen. Sie sind dazu in verschiedenen Teilarbeitsgruppen organisiert, die sich jeweils mit einem Problemkomplex befassen.

Die Struktur und Organisation dieser Gruppen ist eigens in einer Art Verfassung der DES-Kollaboration geregelt. Regelmäßige Videokonferenzen sowie Kollaborationstreffen zweimal im Jahr gewährleisten den Informationsaustausch und die Koordinierung aller Aktivitäten.

Ein Problem bei der Arbeit in solch komplexen Forschungsgemeinschaften ist das, was wir Confirmation Bias nennen, also die mehr oder weniger unbewusste Bestätigung von Vorurteilen. Angenommen, in zwei der vom Dark Energy Survey vorgenommenen Teilanalysen sind Fehler aufgetreten. Nach Ausführung der Gesamtanalyse scheinen die DES-Daten darauf hinzuweisen, dass das bisher allgemein akzeptierte Standardmodell der Kosmologie die Eigenschaften der Materieverteilung fehlerhaft beschreibt. Durch dieses Ergebnis aufgeschreckt, begibt sich die DES-Kollaboration nun auf die Suche nach Fehlern in ihrer Analyse. Schnell wird eine der fehlerhaften Teilanalysen identifiziert und korrigiert. Die erneut durchgeführte Gesamtanalyse liefert Ergebnisse, die nun gut mit dem Standardmodell vereinbar sind. Alle atmen auf, und die Ergebnisse werden publiziert. Was jedoch niemand weiß: Die zweite fehlerhafte Teilanalyse ist noch immer unkorrigiert. Wäre sie korrigiert worden, hätte die Gesamtanalyse in der Tat ergeben, dass das kosmologische Standardmodell revidiert werden muss.

Um ein solches Szenario zu vermeiden, bedient sich das DES-Team des so genannten Blindings (englisch: blenden). Hierbei werden zum Beispiel alle Daten zum kosmischen Scherungsfeld mit einem zufällig ausgewählten Faktor multipliziert und somit verfälscht. Der hierfür verwendete Zufallsalgorithmus ist nur vereinzelten Eingeweihten bekannt, und darf erst nach Abschluss aller Tests der Gesamtanalyse bekannt gegeben werden. Zusätzlich muss auch jedes Analyseprogramm so manipuliert werden, dass die von ihm bestimmten Modellparameter vor der Ausgabe um einen unbekannten Wert verschoben werden. Die Pointe dieser Blinding-Maßnahmen ist: Die Verfälschungen der Analyse dürfen erst entfernt werden, wenn sich das gesamte DES-Team auf alle Details der finalen Analyse geeinigt hat. Nachdem das Blinding entfernt wurde, darf kein einziges noch so kleines Detail mehr an der Analyse geändert werden. Die Ergebnisse müssen nun unverändert publiziert werden. Die Hoffnung hinter dieser Vorgehensweise ist, dass die Kollaboration ergebnisunabhängige Tests entwickelt, mit denen dann die einzelnen Teilschritte der Analyse überprüft und validiert werden. Außerdem soll die Interpretation der DES-Ergebnisse so auch transparenter für externe Forscher werden.

Erste Zwischenergebnisse

Im August 2017 veröffentlichte das DES-Team erste Zwischenergebnisse. Dazu wurden Daten im Umfang von 1300 Quadratgrad am Himmel ausgewertet und zum ersten Mal überhaupt alle drei Korrelationsfunktionen in einem Datensatz gemessen und gemeinsam kosmologisch analysiert. Die von der DES-Kollaboration veröffentlichten Ergebnisse umfassen insgesamt zwölf Publikationen, die jeweils die einzelnen Teilschritte der Analyse beschreiben. Es handelt sich also um die umfangreichste kosmologische Untersuchung, die je auf Grund der großskaligen Struktur des Universums bei niedrigen Rotverschiebungen durchgeführt wurde.

Dies zeigt sich auch in den Ergebnissen: Zum ersten Mal ist es gelungen, die Parameter des kosmologischen Standardmodells ähnlich genau zu bestimmen wie es bislang nur der Planck-Mission anhand der kosmischen Hintergrundstrahlung gelungen war.

Interessant ist nun unter anderem der Vergleich der beiden Datensätze: Ist das Standardmodell der Kosmologie in der Lage, mit den gleichen Parametern, also zum Beispiel unter identischen Annahmen zur Materiedichte im Universum, beide Datensätze gut zu beschreiben? Es stellt sich heraus, dass das kosmologische Standardmodell beide Beobachtungen gut beschreibt, dass sich jedoch aus den DES-Daten leicht andere Parameter dieses Modells ergeben. So deutet die DES-Analyse zum Beispiel auf einen größeren Anteil an Dunkler Energie im Universum hin als die Planck-Daten. Diese Unterschiede sind jedoch (zumindest in den jetzt publizierten Zwischenergebnissen) nicht groß genug, um als statistisch signifikant zu gelten.

Eine weitere interessante Frage ist die nach der Natur der Dunklen Energie. Der jetzt untersuchte Teildatensatz des Dark Energy Survey deutet darauf hin, dass das uns umgebende Universum sehr gut von einer einfachen konstanten Dunklen Energie, das heißt von Einsteins kosmologischer Konstante, beschrieben wird. Dies wird vor allem in der theoretischen Kosmologie einiges Kopfzerbrechen erzeugen. Effekte der Quantenmechanik sagen zwar eine konstante Dunkle Energie in Form der so genannten Vakuumenergie vorher – allerdings mit einem viel zu hohen Wert! Die in den einsteinschen Gleichungen vorkommende kosmologische Konstante müsste dann beinahe exakt den gleichen Wert, nur mit umgekehrtem Vorzeichen annehmen, um die niedrige beobachtete Dichte der Dunklen Energie zu erklären. Und eine solche Feinjustierung gilt als theoretisch schlecht motiviert.

Nach den jetzt publizierten Zwischenergebnissen wird man also mit Spannung die abschließenden Ergebnisse des vollständigen DES-Datensatzes erwarten. Insbesondere in der Frage, ob das Universum bei hohen und niedrigen Rotverschiebungen vom gleichen Standardmodell beschrieben werden kann, wird das DES-Team dann mit noch nie da gewesener Präzision beantworten können. Der Dark Energy Survey gilt außerdem als Generalprobe für eine Reihe geplanter, noch umfangreicherer Beobachtungsprogramme. Schon in naher Zukunft werden der Dark Energy Survey und seine Nachfolger dann hoffentlich Antworten auf die Frage nach der Natur der dunklen Komponenten unseres Universums liefern.

OLIVER FRIEDRICH promovierte an der Universitäts-Sternwarte München und wechselt nun an das Kavli Institute for Cosmology in Cambridge (England).


Literaturhinweise

Abbot, T. M. C. et al. (DES Collaboration): Cosmological Constraints from Galaxy Clustering and Weak Lensing. In: Physical Review D (eingereicht). arXiv:1708.01530
Chang, E. et al.: Dark Energy Survey Year 1 Results: Curved-Sky Weak Lensing Mass Map. In:s Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 475, S. 3165 – 3190, 2018
Doran, M.: Geheimnisvolle Dunkle Energie. In: Sterne und Weltraum 11/2007, S. 42 – 51
Flaugher, B. et al. (DES Collaboration): The Dark Energy Camera. In: The Astronomical Journal 150:150, 2015
Phleps, S.: Schallwellen in der Ursuppe: Der Schlüssel zur Dunklen Energie? In: Sterne und Weltraum 10/2009, S. 30 – 39
Schulz, H.: Dunkle Energie – Antrieb für die Expansion des Universums. In: Sterne und Weltraum 10/2001, S. 854 – 861 (Teil 1), und Sterne und Weltraum 11/2001, S. 948 – 955 (Teil 2)

Dieser Artikel und Weblinks unter:www.sterne-und-weltraum.de/artikel/1573268


Reidar Hahn / Fermilab