Ein Blick in die Natur unseres Universums, angetrieben von BAOs

- Swetha Srinivasan

Geführt von Tafheem Ahmad Masudi und Sukant Khurana

Wie groß ist unser Universum? Endet es irgendwo? Wird es für immer weitergehen?

Diese Fragen wurden von so vielen Menschen, von so vielen Zivilisationen im Laufe der Geschichte gestellt. Es wurden Antworten auf diese Fragen gesucht, und dies sind einige der verwirrendsten und dennoch interessantesten Fragen, die es je gab.

Bildnachweis: phys.org

Nehmen wir an, das Universum ist endlich. Wohin würde dann unsere Hand gehen, wenn wir sie aus der Kante herausstrecken würden? Dies wurde von den Griechen in Betracht gezogen. Sie hatten auch das Gefühl, dass ein unendliches Universum unmöglich sei. Dies hinterließ ein Paradoxon.

In den frühen 1800er Jahren argumentierte Heinrich Oblers, dass das Universum nicht unendlich sein kann. Denn wenn wir zum Himmel aufblicken wollen und wenn er unendlich ist, muss sich ein Stern in unserer Sichtlinie befinden. Obwohl die scheinbare Größe winzig sein mag, bleibt die Helligkeit der kleinen Oberfläche konstant. Wenn das Universum mit Sternen gefüllt wäre, müsste auch der Nachthimmel hell sein. Da es am Nachthimmel dunkle Flecken gibt, muss das Universum endlich sein. Nachdem Newton die Schwerkraft entdeckt hatte, wusste er, dass es sich um eine universelle, anziehende Kraft handelte. Wenn das Universum endlich wäre, würde es der Schwerkraft unterliegen und auf sich selbst zusammenbrechen.

Laut Einstein sollte sich das Universum entweder ausdehnen oder zusammenziehen. Seine Gleichungen verlangten eine solche Lösung. Er fügte jedoch eine Konstante ein, die als kosmologische Konstante bezeichnet wurde und die Auswirkungen der Schwerkraft in großem Maßstab aufhob. Er ging davon aus, dass das Universum statisch ist, was schließlich zu seinem größten Fehler wurde.

Die große Entdeckung

1929 machte Edwin Hubble eine kritische Entdeckung. Er maß die relativen Entfernungen von Galaxien, indem er die Helligkeit von variablen Cepheid-Sternen maß. Er maß auch die Rotverschiebungen dieser Galaxien. Die Darstellung der Rotverschiebungen gegenüber der Entfernung erwies sich als linear. Die Rotverschiebungen nahmen linear mit der Entfernung zu. Die mögliche Erklärung war, dass sich das Universum ausdehnt.

Die Astronomen erkannten dann, dass das Universum, wenn es sich ausdehnt, in der Vergangenheit kleiner gewesen sein muss und in der frühesten Zeit nur ein kleiner Fleck gewesen sein muss. Dies erklärt die Urknalltheorie der Evolution des Universums (skyserver.sdss.org)

Bildnachweis: LiveScience

Das Schicksal des Universums

All diese Diskussionen erfordern eine kleine Notiz darüber, was das Schicksal des Universums sein kann. Es gibt drei mögliche Optionen.

Wenn die Dichte des Universums größer als eine kritische Dichte ist, übernimmt die Schwerkraft, die Expansion stoppt und das Universum kollabiert auf sich selbst, was im Volksmund als Big Crunch bekannt ist. Ein solches Universum ist ein geschlossenes Universum.

Wenn die Dichte des Universums genau der kritischen Dichte entspricht, ist das Universum grundsätzlich flach. Es dehnt sich zwar aus, aber nach sehr langer Zeit wird die Expansionsrate Null.

Wenn die Dichte geringer als eine kritische Dichte ist, dehnt sich das Universum weiter aus, es ist ein offenes Universum. Dies kann zu einem großen Riss führen.

Was treibt diese Expansion an?

Es gibt keinen solchen Punkt, der als Zentrum des Universums bezeichnet wird und von dem aus sich die Entitäten ausdehnen. Die Dinge bewegen sich nicht vom Zentrum weg, sondern voneinander weg. Der Raum erweitert sich. Wir sehen es nicht in unserem Sonnensystem oder nennenswert in unserer Galaxie, weil die Schwerkraft über solchen Regionen stark genug ist. Aber auf kosmologischer Ebene bewegen sich die Dinge voneinander weg, und die Geschwindigkeit, mit der die Expansion stattfindet, ist nicht konstant, sondern nimmt zu. Die Dinge bewegen sich immer schneller voneinander weg.

Der größte Teil unseres Universums ist dunkle Energie, und es wird gesagt, dass diese dunkle Energie die Expansion antreibt.

Bildnachweis: SciTechDaily

In jüngster Zeit gab es viele Entwicklungen, um dieses mysteriöse Phänomen zu entschlüsseln. Das Baryon Acoustic Oscillations-Programm und das Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS) haben große Fortschritte erzielt.

Von BAOs und Quasaren

Baryon Acoustic Oscillations (BAO) sind gefrorene Relikte, die aus dem Universum vor der Entkopplung übrig geblieben sind. Sie sind ideale Lineale für die kosmologischen Entfernungsmessungen des 21. Jahrhunderts. Die vorgelegten Schätzungen sind zum ersten Mal fest in der gut verstandenen linearen Physik verwurzelt. (Bruce und Renee)

Das frühe Universum bestand aus heißem, dichtem Plasma. Dies schloss Baryonen und Elektronen ein. Baryonen sind massive Elementarteilchen, die aus drei Quarks bestehen. Neutronen und Protonen sind Baryonen (astro.ucla).

Da das Plasma so dicht war, konnten sich die Photonen nicht frei durch den Raum bewegen, da sie einer Thomson-Streuung ausgesetzt waren, so dass die Photonen im Wesentlichen an die vorhandene Materie gekoppelt waren.

Im Laufe der Zeit kühlte das Plasma ab und Elektronen verbanden sich mit Protonen, um Wasserstoff zu bilden. Da Photonen weniger mit neutraler Materie interagieren, konnten sie sich nun frei bewegen. Der Raum wurde für Photonen transparent. Die Photonen wurden entkoppelt.

Betrachten Sie nun eine Störung, die aus einem dichten Bereich des Urplasmas stammt, bevor die Entkopplung stattfand. Diese enthält dunkle Materie, Baryonen und Photonen. Das Plasma ist bis auf diesen dichten Bereich gleichmäßig.

Hoher Druck treibt die Baryon-Photon-Flüssigkeit mit mehr als der halben Lichtgeschwindigkeit nach außen. Die dunkle Materie interagiert nur gravitativ und bildet so das Zentrum des betrachteten Wellenkugelbereichs, während sich die Baryonen und Photonen aufgrund des Drucks sphärisch nach außen bewegen. Während der Entkopplung entkoppeln sich die Photonen von den Baryonen und entweichen der sich bewegenden Kugel, wobei sie schnell herausströmen. Die Baryonenkugel wird in dieser Entfernung fixiert, sie bleibt stehen, nachdem sie den Antriebsdruck verloren hat. Da keine Photon-Baryon-Wechselwirkung mehr besteht, ist die einzige vorhandene Kraft die Gravitationskraft der Dunklen Materie. Infolgedessen werden die Baryonen langsam in Richtung Zentrum gezogen. Es stellt sich ein Gleichgewicht ein und schließlich gibt es sowohl in der äußeren als auch im inneren Kern überdichte Regionen. Diese äußere Hülle wird Schallhorizont genannt. Diese werden als Anisotropien in der CMB-Strahlung (Cosmic Microwave Background Radiation) und in der räumlichen Verteilung von Galaxien angesehen. Diese Schwankungen haben sich zu heutigen Wänden und Hohlräumen von Galaxien entwickelt, was bedeutet, dass diese Baryon-Skala für akustische Schwingungen (BAO) heute bei Galaxien sichtbar ist.

Das BAO-Programm beinhaltet im Wesentlichen das Finden eines Tracers des Massendichtefeldes und das Berechnen seiner 2-Punkt-Funktion. Die Merkmale der 2-Punkt-Funktion entsprechen dem Schallhorizont. Wenn man den Winkel kennt, den dieser Abstand einschließt, misst man d (z). Im Vergleich zum Wert bei z ~ 103 können wir die Entwicklung der dunklen Energie einschränken (astro.berkeley.edu)

Bildnachweis: www.astro.ucla.edu

Mithilfe des Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS) haben zwei Physikerteams das Verständnis der Wissenschaftler für die mysteriöse dunkle Energie, die das beschleunigende Universum antreibt, verbessert.

Zu diesem Zweck werden Quasare verwendet. Quasare sind astronomische Objekte mit sehr hoher Leuchtkraft, die in den Zentren einiger Galaxien gefunden werden und durch Gasspiralen mit hoher Geschwindigkeit in ein extrem großes Schwarzes Loch angetrieben werden. Die hellsten Quasare können alle Sterne in den Galaxien, in denen sie sich befinden, überstrahlen, wodurch sie auch in Entfernungen von Milliarden von Lichtjahren sichtbar werden. Quasare gehören zu den entferntesten und leuchtendsten bekannten Objekten (Britannica).

Bildnachweis: Beliebte Mechanik

Supermassive Schwarze Löcher, die Radiogalaxien und Quasare antreiben, spielen eine herausragende Rolle bei der Entwicklung von Galaxien. Die Quasare sind von Staub umgeben. Licht, das Galaxien verlässt, strömt durch diesen Staub und enthüllt den Abdruck der BAOs.

Mit diesen Daten haben Astronomen die bisher genaueste Karte von Galaxien im fernen Universum erstellt, die ein Fenster in die Vergangenheit und möglicherweise in die dunkle Energie bietet.

BOSS verwendet ein speziell entwickeltes Instrument namens Spektrograph am 2,5-Meter-SDSS-Teleskop am Apache Point Observatory in New Mexico. Das Projekt zielt darauf ab, in sechs Jahren mehr als eine Million Galaxien zu beobachten (space.com).

Eine Illustration des Konzepts der akustischen Baryonenschwingungen, die im frühen Universum eingeprägt sind und noch heute in Galaxienuntersuchungen wie BOSS Credit: sgss3.org zu sehen sind

Vergleich des Leistungsspektrums von SDSS-II-LRGs und BOSS DR9 CMASS-Galaxien. Durchgezogene Linien zeigen die am besten passenden Modelle. Bildnachweis: Anderson et al. 2012

Diese akustischen Baryonenschwingungen wurden nun in der Verteilung von Galaxien gemessen.

Unter Verwendung der akustischen Skala als physikalisch kalibriertes Lineal wird der Winkeldurchmesserabstand mit einer Genauigkeit von 1% bei Rotverschiebungen von z = 0,3 und z = 0,55 gemessen. BOSS wird auch die Verteilung der Quasarabsorptionslinien und die kosmische Expansionsrate H (z) messen. Diese Messungen werden anspruchsvolle Tests für Theorien der Dunklen Energie und den Ursprung der kosmischen Beschleunigung liefern. (sdss3.org)

Wir sehen also, dass das Studium von BAOs einen neuen Weg und einen neuen Weg der Erforschung geebnet hat. Sie bieten ein besseres Verständnis der Funktionsweise des Universums, seiner Natur und seines Verhaltens. Tag für Tag bewegen wir uns langsam aber sicher darauf zu, die Wahrheiten und wunderbaren Geheimnisse des Universums zu entdecken (oder zu „ununiversieren“).

Verweise

· Https://www.space.com/15101-dark-energy-distant-galaxy-map.html

· Http://www.sdss3.org/surveys/boss.php

· Https://www.space.com/26279-universe-expansion-measurement-quasars-boss.html

· Http://www.astro.ucla.edu/~wright/glossary.html#BAO

· Http://www.loc.gov/rr/scitech/mysteries/universe.html

· Https://edition.cnn.com/2014/04/08/tech/innovation/universe-expansion-astronomers/index.html

· Http://www.astro.ucla.edu/~wright/BAO-cosmology.html

· Http://skyserver.sdss.org/dr1/en/astro/universe/universe.asp

· Http://w.astro.berkeley.edu/~mwhite/bao/

· Https://www.britannica.com/science/quasar

· Journal of Astronomical History and Heritage, 17 (3), 267–282 (2014), Die Entdeckung von Quasaren und ihre Folgen, KI Kellermann

· Baryon Acoustic Oscillations, Bruce A. Bassett und Renee Hlozek, Dark Energy, Ed. P. Ruiz-Lapuente, 2010