Die Geschichte des Universums über Multiwellendaten erforschen
Die kosmische Hintergrundstrahlung ist das erste Licht, das vor etwa 14 Mrd. Jahren im Universum ausgestrahlt wurde und heute als eine elektromagnetische Mikrowellenstrahlung messbar ist. Dieses Licht durchdringt das Universum und dient als Hintergrund für die Verteilung der Galaxien im jüngeren Universum, das mit Teleskopen beobachtet wird, die auf optischen Wellenlängen oder solchen im Infrarotbereich beruhen. Das Projekt PiCOGAMBAS wurde mit Unterstützung der Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen durchgeführt mit dem Ziel, neue Methoden für gemeinsame Studien zu Kreuzkorrelationen zwischen der kosmischen Hintergrundstrahlung und Galaxiedaten zu entwickeln. „Wir haben unsere neuen Ideen mit einer Kombination aus Design und Implementierung numerischer Simulationen und statistischer Verfahren gegen aktuelle Daten getestet und nachgewiesen und tatsächliche Datenanalysen durchgeführt“, erklärt der Hauptforscher Giulio Fabbian. Das Ziel: Karten der Galaxien mit Karten der Signaturen von Galaxien in der kosmischen Hintergrundstrahlung zu korrelieren. So können Forschende die gemeinsamen, zugrundeliegenden physikalischen Prozesse im Universum im frühen und späten Stadium untersuchen, die sich auf die kosmische Hintergrundstrahlung und Galaxien auswirken.
Einblicke in das primordiale Universum
Die Polarisierung der kosmischen Hintergrundstrahlung zu beobachten, hauptsächlich sogenannter B-Moden-Signale, die aktuell das Hauptuntersuchungsobjekt sind, ist die beste Möglichkeit, die ersten Störungen in der Verteilung der dunklen Materie zu erklären, die sich kurz nach der Inflationsphase des Urknalls bildete. Diese nahm später zu und führte zur Bildung der Galaxien, wie sie heute bestehen. „Das Inflationssignal kann jedoch durch den Gravitationslinseneffekt der kosmischen Hintergrundstrahlung verdeckt werden. Durch den Effekt entstehen Schein-B-Moden, durch die es zu Verwirrung kommt. Idealerweise muss der Linseneffekt ‚aufgehoben‘ oder berücksichtigt werden, um die ursprünglichen Signale korrekt zu erfassen“, erklärt Fabbian. Dafür sind genaue Messungen der Materieverteilung im Universum notwendig, auf der der Linseneffekt der kosmischen Hintergrundstrahlung beruht. Hier kommen Galaxiedurchmusterungen ins Spiel. Das PiCOGAMBAS-Team hat neue Effekte durch Vereinfachungen bestimmt und modelliert, die für die Modellierung und Analyse der Hintergrundstrahlung, Karten des Linseneffekts und deren Kreuzkorrelationssignale verwendet werden. „Die Sorge ist, dass es durch diese Effekte zu falschen Rückschlüssen zu den Eigenschaften dunkler Energie, dunkler Materie oder der Expansion des Universums kommen könnte“, ergänzt Fabbian.
Modelle zu dunkler Materie, dunkler Energie und Inflation testen
Das PiCOGAMBAS-Team hat optische Daten der Gaia-Mission der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) mit Messungen des Linseneffekts der kosmischen Hintergrundstrahlung kombiniert und so die Expansion des Universums und die Eigenschaften dunkler Materie getestet. Über Gaia sollten ursprünglich die Bewegungen der Sterne in den Galaxien gemessen werden, aber zufällig wurden zahlreiche weit entfernte massive Galaxien entdeckt, die von supermassereichen Schwarzen Löchern (auch Quasaren) angetrieben werden. „Wir haben hart daran gearbeitet, über maschinelles Lernen und externe astronomische Daten verbleibende Sterne von diesen Quasarkandidaten zu unterscheiden“, erklärt Fabbian. Die aktuellen Daten zeigen Spannungen zwischen den Messungen im späten Universum über Galaxiedurchmusterungen von der Erde aus und den Prognosen des Lambda-CDM-Modells, das auf Beobachtungen der kosmischen Hintergrundstrahlung beruht. Mit diesem neuen hochwertigen Katalog konnte das Projektteam zeigen, dass diese kosmologischen Spannungen nicht vorhanden sind, sondern vermutlich die Beobachtungseffekte bzw. Einschränkungen bei bodengestützten Daten sind. Mit dem Katalog konnte Fabbian auch das Lambda-CDM-Modell in einer gänzlich neuen Epoche analysieren und zeigen, dass die Kosmologie, die sich aus der kosmischen Hintergrundstrahlung ableitet, über die 12 Mrd. Jahre der Geschichte des Universums konsistent zu sein scheint. „Wir haben neue Möglichkeiten und statistische Werkzeuge gefunden, um Modelle zu dunkler Materie, dunkler Energie und Inflation zu testen. Dazu gehört, kosmische Leeren (Regionen im Weltraum ohne Galaxien) mit dem Gravitationslinseneffekt zu kombinieren. „Wir haben auch Abweichungen der kosmischen Hintergrundstrahlung vom Planckschen Strahlungsgesetz und deren Korrelation mit Karten der Anisotropien untersucht“, sagt Fabbian. Diese Erkenntnisse werden in die Analyse der neuen Daten vom Euclid-Satelliten der ESA und des Simons Observatoriums einfließen. Fabbian freut sich auf die Arbeit: „Wir werden das Wissen zum Universum in den kommenden Jahren massiv ausweiten.“
Schlüsselbegriffe
PiCOGAMBAS, primordiales Universum, dunkle Materie, dunkle Energie, kosmische Hintergrundstrahlung
