Antworten auf grundlegende Fragen zum frühen Universum
Seit Tausenden von Jahren stellt sich die Menschheit die Frage nach den Ursprüngen unseres Universums. Die Beobachtungen der letzten Jahrzehnte haben bei der Enträtselung dieses komplexen und grundlegenden Puzzles nur die ersten Schritte gemacht. Doch mit jedem neuen Puzzlestück tun sich weitere Fragen auf. Das Standardmodell des kosmischen Urknalls beschreibt, wie das frühe Universum vor fast 14 Milliarden Jahren seinen Anfang nahm und sich (vom frühesten Moment an) durch eine Periode exponentieller, beschleunigter Expansion, bekannt als Inflation, ausdehnte. In den weiteren Milliarden Jahren bildeten sich allmählich großräumige Strukturen wie Galaxienhaufen und Galaxien. Sie wurden durch die Gravitationsinstabilität der dunklen Materie geformt, einem hypothetischen Bestandteil des Kosmos, der nur durch die Schwerkraft mit normaler Materie interagiert.
Die Natur der dunklen Materie verstehen
Vor mehreren Milliarden Jahren traten wir in eine neue Phase der Expansion ein, die durch die dunkle Energie – eine rätselhafte und unsichtbare Energieform – angetrieben wurde. Erkenntnisse über solche dunklen Entitäten könnten dazu beitragen, Antworten auf verschiedene grundlegenden Fragen über die Geschichte unseres Universums zu finden. Das Projekt PiCOGAMBAS, ein internationales Unterfangen von Wissenschaftlern der Universität Cardiff(öffnet in neuem Fenster) im Vereinigten Königreich und der Simons-Stiftung(öffnet in neuem Fenster) in den USA, wollte neue Erkenntnisse über die Natur der Inflation, der dunklen Energie und der dunklen Materie gewinnen. Eine Quelle für Antworten ist die kosmische Mikrowellenhintergrundstrahlung (CMB), Überbleibsel des aus dem Urknall resultierten Lichts. Dieses Licht – das wir als elektromagnetische Mikrowellenstrahlung wahrnehmen – passiert auf seinem Weg zu uns große kosmische Strukturen und hinterlässt deutliche Abdrücke in den Lichtteilchen der CMB. Das Projekt PiCOGAMBAS wurde durch ein Programm im Rahmen der Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen(öffnet in neuem Fenster) finanziert.
Bündelung des Raumfahrt-Know-hows von USA und EU
Das Projekt nutzte neue Datensätze, die von Partnerinstitutionen in Europa und den USA zur Verfügung gestellt wurden, darunter eine neue Generation von CMB-Versuchen des Simons-Observatoriums und Galaxiendurchmusterungen durch Missionen der Europäischen Weltraumorganisation(öffnet in neuem Fenster) wie Euclid und Gaia. Diese einzigartige Bündelung von Know-how ermöglichte es den Forschern, neue Methoden zu entwickeln, um Daten aus Beobachtungen der CMB zu untersuchen und diese mit bestehenden Galaxiendurchmusterungen abzugleichen. Dadurch konnte das Team die Eigenschaften der im Universum verteilten Materie und ihre Entwicklung untersuchen. Die Arbeit umfasste die Entwicklung und Kombination von numerischen Simulationen, statistischen Verfahren und neuen Formen der Datenanalyse. Dies half dem transatlantischen Team bei der Analyse der CMB und dem besseren Verständnis über das Auftreten von Gravitationslinsen hinsichtlich der Mikrowellenhintergrundstrahlung.
Weitere Zusammenarbeit
Die Kombination aus präzisen Messungen, die von der Simons-Stiftung vorangetrieben wurden, und optischen Daten der ESA-Mission Gaia, halfen den Forschern dabei, die Expansionsgeschichte des Universums zu ergründen und die Eigenschaften der dunklen Materie genauer zu untersuchen. Ein wichtiges Ergebnis dieser Zusammenarbeit war die Analyse der so genannten B-Modi, also der polarisierten CMB-Strahlung. Das Team fand heraus, dass die Beobachtung von B-Modi unser Verständnis über die Entstehung von Störungen in der Verteilung der dunklen Materie während der kosmologischen Inflation verbessern kann. Dies ist von entscheidender Bedeutung, da ebendiese Schwankungen die Bildung der großen Strukturen im Universum herbeigeführt haben. Die Ergebnisse des Projekts haben gezeigt, dass die kosmologischen Daten der CMB über die gesamte Geschichte des Universums hinweg konsistent zu sein scheinen. Die neuen Methoden ermöglichen es den Forschern dabei, Modelle für dunkle Materie, dunkle Energie und Inflation zu untersuchen. Das Team hofft, dass die weitere Zusammenarbeit unser Wissen über das frühe Universum kontinuierlich voranbringen wird.