Die Wissenschaftler der Zusammenarbeit „Dark Energy Spectroscopic Instrument“ (DESI, Spektroskopisches Instrument für Dunkle Energie) gaben bekannt, dass sie die Entstehungsgeschichte der Strukturen im Universum über einen Zeitraum von 11 Milliarden Jahren nachvollziehen konnten. Dies gelang mithilfe einer Stichprobe von 6 Millionen Galaxien, die im ersten Betriebsjahr des Instruments beobachtet wurden.
Das DESI-Instrument hat die größte 3D-Karte unseres Universums erstellt, die es bisher gibt. Dieser Ausschnitt zeigt die Galaxien, die im ersten Jahr der fünfjährigen DESI-Studie kartiert wurden. Die Erde liegt im Zentrum dieses schmalen Abschnitts der vollständigen Karte. Im vergrößerten Bereich ist es leicht, die zugrunde liegende Struktur der Materie in unserem Universum zu erkennen. Ihre Ergebnisse bestätigen die Gültigkeit von Einsteins Gravitationstheorie, der Allgemeinen Relativitätstheorie, auf kosmologischen Skalen.
Die Gravitation hat unser Universum geformt. Durch ihre Anziehungskraft entwickelten sich winzige Dichteschwankungen in der Materieverteilung des frühen Universums und führten zur Bildung der Galaxien und großräumigen kosmischen Strukturen, die wir heute beobachten können.
Eine neue Studie, die auf Daten des „Dark Energy Spectroscopic Instrument“ (DESI) basiert, hat nachgezeichnet, wie sich diese Strukturen in den letzten 11 Milliarden Jahren entwickelten. Sie liefert damit den bislang genauesten Test der Gravitation im sehr großräumigen Maßstab.
Diese neue Untersuchung der Zusammenarbeit wird in mehreren Studien auf dem Online-Archiv arXiv veröffentlicht und
hier präsentiert. Sie zielt darauf ab, die Gültigkeit von Einsteins Theorie der Gravitation, der Allgemeinen Relativitätstheorie, auf kosmologischen Skalen zu überprüfen. Änderungen dieser Theorie werden als Alternativen zur Dunklen Energie vorgeschlagen, um die beschleunigte Expansion des Universums zu erklären.
Die internationale DESI-Zusammenarbeit, die mehr als 900 Forscherinnen und Forscher aus über 70 Institutionen weltweit umfasst, wird durch das Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) geleitet.
Diese interaktive 360-Grad-Videoaufnahme führt Sie durch Millionen von Galaxien, die mithilfe der DESI-Beobachtungen kartiert wurden.
Credit: Fiske Planetarium, CU Boulder und DESI-Zusammenarbeit.
Der Mechanismus, der diese beschleunigte Expansion antreibt, wird mit zwei Ansätzen untersucht. Der erste Ansatz nimmt die Existenz einer neuen Komponente des Universums an, der Dunklen Energie. Ziel ist es hierbei, deren Eigenschaften zu bestimmen, insbesondere ob sie sich im Laufe der Zeit verändern oder konstant bleiben. Der zweite Ansatz schlägt modifizierte Gravitationstheorien als Alternative zur Allgemeinen Relativitätstheorie vor, um die beschleunigte Expansion des Universums ohne Dunkle Energie zu erklären.
In dieser neuen Forschung, die von Pauline Zarrouk, einer Kosmologin des CNRS am Laboratoire de Physique Nucléaire et de Hautes Energies (LPNHE), mitgeleitet wurde, beobachteten die DESI-Forscher, dass sich die Gravitation im Einklang mit Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie verhält.
Dieses Ergebnis validiert somit das Standardmodell des Universums und schränkt mögliche Erweiterungen der Allgemeinen Relativitätstheorie ein. „Die Allgemeine Relativitätstheorie wurde bereits ausgiebig und präzise auf der Ebene von Sternensystemen getestet, aber es war auch notwendig zu überprüfen, ob unsere Annahmen auf viel größeren Skalen funktionieren“, erklärt Pauline Zarrouk. „Die statistische Messung der Galaxiengeschwindigkeiten im Verlauf der Universumsgeschichte ermöglicht uns eine direkte Überprüfung der Gravitationstheorie.
Zum ersten Mal führten wir diese neue, komplexe Analyse mit DESI durch, um die Geschichte des Wachstums kosmischer Strukturen nachzuvollziehen. Unsere Ergebnisse zeigen, dass wir bisher im Einklang mit den Vorhersagen der Allgemeinen Relativitätstheorie auf kosmologischen Skalen liegen.“
Diese Simulation zeigt, wie die Gravitation die Position der beobachteten Galaxien beeinflusst und damit die Weise verändert, wie sich Materie zu kosmischen Strukturen zusammenballt. Da verschiedene Gravitationstheorien unterschiedliche Strukturen vorhersagen, können die DESI-Wissenschaftler die Beobachtungen mit den Vorhersagen vergleichen und so die Gravitation auf kosmischen Skalen testen.
Credit: Claire Lamman und Michael Rashkovetskyi / DESI-Zusammenarbeit.
Die veröffentlichten Ergebnisse bieten eine tiefgehende Analyse der Daten des ersten DESI-Jahres, die bereits im April zur Erstellung der größten 3D-Karte des Universums führten und mögliche Anzeichen für eine zeitliche Entwicklung der Dunklen Energie offenbarten. Die Ergebnisse von April bezogen sich auf ein bestimmtes Merkmal in der räumlichen Verteilung der Galaxien, bekannt als Baryonische Akustische Oszillationen (BAO).
Die neue Analyse erweitert den Umfang, um weitere Informationen aus den Daten zu extrahieren, indem gemessen wird, wie Galaxien und Materie auf unterschiedlichen Skalen im Raum verteilt sind. Die Studie erforderte monatelange zusätzliche Arbeit und zahlreiche wechselseitige Überprüfungen. Wie die vorherige Studie nutzte sie eine Methode, bei der die Ergebnisse den Wissenschaftlern bis zum Abschluss verborgen blieben, um mögliche unbewusste Vorurteile in den Analysen auszuschließen.
Die komplexe Analyse beruhte auf fast 6 Millionen Galaxien und Quasaren, die sich in Entfernungen von 1 bis 11 Milliarden Lichtjahren von der Erde befinden. Bereits mit nur einem Jahr an Daten lieferte DESI die bislang genaueste globale Messung des Wachstums kosmischer Strukturen und übertraf damit frühere Bemühungen, die Jahrzehnte in Anspruch nahmen.
„Dank dieses enormen Datenschatzes und der Verbesserung unserer Analysen sind die mit diesem ersten Datenjahr erzielten Ergebnisse spektakulär“, erklärte Arnaud de Mattia, Kosmologe am CEA Paris-Saclay und Mitverantwortlicher der DESI-Gruppe zur Interpretation kosmologischer Daten. „Wir testen mit bisher unerreichter Präzision die Wirkung der Dunklen Energie und der Allgemeinen Relativitätstheorie auf kosmischen Skalen.“
Diese Abbildung zeigt die Messungen des Wachstums kosmischer Strukturen in Abhängigkeit vom Rotverschiebungsfaktor, gewonnen aus den DESI-Daten des ersten Jahres. Die gestrichelte schwarze Linie zeigt die Vorhersage der Allgemeinen Relativitätstheorie, während die farbigen Linien Modifikationen der Allgemeinen Relativitätstheorie darstellen, bei denen die Gravitation stärker oder schwächer ist als in der Allgemeinen Relativitätstheorie.
Credit: Héctor Gil-Marin und Pauline Zarrouk / DESI-Zusammenarbeit
Die Studie lieferte zudem neue Obergrenzen für die Masse der Neutrinos, die einzigen fundamentalen Teilchen, deren Masse noch nicht präzise gemessen wurde. Experimente zur Neutrinophysik zeigen, dass die Summe der Massen der drei Neutrinoarten zwischen 0,06 eV/c
2 und 1,35 eV/c
2 liegen muss (etwa eine Million Mal leichter als ein Elektron). Im Standardmodell der Kosmologie, in dem Dunkle Energie durch eine kosmologische Konstante beschrieben wird, deuten die DESI-Ergebnisse darauf hin, dass diese Summe unter 0,07 eV/c
2 (mit 95 % Wahrscheinlichkeit) liegen sollte. Dies lässt nur einen engen Spielraum für die Neutrinomassen.
„Die DESI-Ergebnisse können jedoch auch in einem kosmologischen Modell interpretiert werden, in dem die Dunkle Energie sich im Laufe der Zeit verändern kann, wie aktuelle Beobachtungen nahelegen“, präzisiert Etienne Burtin, Physiker am CEA Paris-Saclay und Mitverantwortlicher der DESI-Datenanalysegruppe. „In diesem Rahmen liegt die obere Grenze bei 0,19 eV/c
2. Diese ist zwar höher, hängt aber deutlich weniger vom verwendeten kosmologischen Modell ab und bleibt restriktiver als Ergebnisse von Neutrinophysik-Experimenten.“
DESI ist ein hochmodernes Instrument, das gleichzeitig das Licht von 5.000 Galaxien einfangen kann. Es wurde gebaut und wird betrieben mit der Finanzierung des Office of Science des US-Energieministeriums (DOE). DESI befindet sich an der Spitze des 4-Meter-Teleskops Nicholas U. Mayall der National Science Foundation (NSF) am nationalen Observatorium Kitt Peak. Das Experiment befindet sich derzeit im vierten Jahr einer fünfjährigen Kartierung des Himmels und plant, bis zum Projektende etwa 40 Millionen Galaxien und Quasare zu vermessen.
Die DESI-Zusammenarbeit setzt ihre Beobachtungen fort und analysiert aktuell die Daten der ersten drei Beobachtungsjahre. Für das Frühjahr 2025 ist die Veröffentlichung noch präziserer Messungen zur Expansion des Universums und deren Auswirkungen auf die Natur der Dunklen Energie geplant.
Zu den französischen Instituten, die zum DESI-Programm beitragen, gehören das Institut de recherche sur les lois fondamentales de l'Univers (Irfu, CEA-Paris-Saclay), das Laboratoire de physique nucléaire et de hautes énergies (LPNHE, CNRS / Sorbonne Université / Université Paris Cité), das Centre de physique des particules de Marseille (CPPM, CNRS / Aix-Marseille Université) und das Laboratoire d'astrophysique de Marseille (LAM, CNRS / Aix-Marseille Université / CNES).
DESI wird unterstützt durch das Office of Sciences des US-Energieministeriums (DOE) und durch das National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC), ein Rechenzentrum des DOE Office of Science. DESI erhält zudem Unterstützung von der National Science Foundation (NSF) der Vereinigten Staaten, dem Science and Technologies Facilities Council (STFC) des Vereinigten Königreichs, der Gordon and Betty Moore Foundation, der Heising-Simons Foundation, dem französischen Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA), dem Nationalen Rat für Wissenschaft und Technologie Mexikos, dem spanischen Wirtschaftsministerium sowie den Mitgliedsinstitutionen von DESI.
Die DESI-Zusammenarbeit fühlt sich geehrt, wissenschaftliche Forschung auf dem Oligam Du'ag (Kitt Peak) durchführen zu dürfen, einem Berg, der für die Tohono O'odham Nation von besonderer Bedeutung ist.
Quelle: CNRS IN2P3