Korrespondierender Autor

Dr. Ariel G. Sánchez
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Astronomie • Astrophysik

Forschungsbericht (importiert) 2013 - Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik

BOSS: Präzisionskosmologie mit der großskaligen Struktur des Universums

Precision cosmology on the large-scale structure of the universe

Autoren

Sánchez, Ariel G.

Abteilungen

Optische und interpretative Astronomie

Die Entdeckung der beschleunigten Expansion des Universums hat das Gebiet der Kosmologie revolutioniert. Den Ursprung dieses Phänomens zu verstehen ist eines der bedeutendsten Probleme der heutigen Physik, zu dessen Erforschung eine neue Generation von Galaxiendurchmusterungen entwickelt wurde. Eine derzeit laufende Durchmusterung trägt den Namen Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS). Sie untersucht die großskalige Struktur des Universums mit bisher unerreichter Präzision und wird neue Erkenntnisse über die fundamentale Physik hinter der kosmischen Beschleunigung liefern.
The discovery of the accelerated expansion of the Universe has revolutionized the field of physical cosmology. Understanding the origin of this phenomenon is one of the most outstanding problems in physics today. This situation has led to the construction of a new generation of galaxy surveys, aimed at shedding light on this problem. The ongoing Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS) is an example of these surveys. BOSS is probing the large-scale structure of the Universe with unprecedented precision, providing new insights on the physics behind cosmic acceleration.

Dunkle Energie und die großskalige Struktur des Universums

In den vergangenen Jahren hat eine Fülle von exakten kosmologischen Beobachtungen gezeigt, dass unser Universum nicht nur expandiert, sondern die Rate dieser Ausdehnung sogar zunimmt [1–4]. Die Bedeutung dieser Entdeckung wurde im Jahr 2011 mit dem Nobelpreis in Physik gewürdigt. Das Verständnis des Ursprungs der kosmologischen Beschleunigung ist eines der bedeutendsten, noch offenen Probleme der modernen Physik, da dessen Klärung weitreichende Folgen für unser Wissen über die fundamentalen Naturgesetze mit sich bringt.

Im Rahmen der Allgemeinen Relativitätstheorie lässt sich die kosmische Beschleunigung auf die Zusammensetzung der gesamten Energiedichte des Universums zurückführen. Dominierend ist demnach eine Komponente mit seltsamen Eigenschaften, die Dunkle Energie getauft wurde. Sie wirkt der anziehenden Kraft der Gravitation entgegen und treibt somit die Beschleunigung der Ausdehnung des Universums an. Über die Natur dieser hypothetischen Energiedichtekomponente ist jedoch so gut wie nichts bekannt. Es wurde eine Vielzahl von Modellen vorgeschlagen, die diese Erscheinung erklären sollen, und die sich unter anderem durch die Vorhersage von unterschiedlichen Zustandgsgleichungsparametern, ωDE, unterscheiden. Dieser Wert ist definiert als das Verhältnis vom Druck der Dunklen Energie zu deren Dichte. Im kosmologischen Standardmodell ist die Dunkle Energie gerade die quantentheoretische Vakuumzustandsenergie. Sie wird mit Einsteins Kosmologischer Konstante identifiziert und besitzt demnach eine konstante Zustandsgleichung der Form ωDE = -1. Die Entdeckung einer Abweichung von diesem Verhältnis zu einer gewissen Zeit in der kosmischen Geschichte würde weitreichende Veränderungen in unserem Verständnis der Dunklen Energie zur Folge haben.

Da sich die Zustandsgleichung der Dunklen Energie auf die Art der Beschleunigung der Expansion auswirkt, ist ein erster Schritt, ihre Natur zu verstehen, eine akkurate Messung der Expansionsgeschichte des Universums. Beobachtungen der Verteilung von Galaxien im Raum können uns solche Messungen liefern, denn Galaxien bilden das „kosmische Spinnennetz“, dessen zahlreiche Strukturmerkmale wertvolle Information über unser Universum beinhalten. Auch für die Entwicklung des kosmologischen Standardmodells spielte die Beobachtung der Galaxienverteilung eine zentrale Rolle, da auch sie deutliche Hinweise auf die Existenz der Dunklen Energie geliefert hat [5]. Man erwartet, dass sich diese Hinweise in den nächsten Jahren verdichten werden.

Besonders gut geeignet zur Vermessung der Expansionsgeschichte des Universums ist die großskalige Galaxienverteilung mit der darin enthaltenen Signatur, der sogenannten baryonischen akustischen Oszillationen (BAO). Dies sind Schwankungen des kosmologischen Dichtefeldes, welche durch Schallwellen im frühen Universums hervorgerufen wurden. Diese Wellen haben gewissermaßen einen Abdruck in der Galaxieverteilung hinterlassen, welcher als ein Ausschlag in der sogenannten Korrelationsfunktion, ξ(r), auftritt. Diese Funktion misst die Wahrscheinlichkeit, Paare von Galaxien in einem bestimmten Abstand zu finden. Die Stelle, an der sich dieser Ausschlag befindet, entspricht einer besonderen Längenskala, dem Schallhorizont, der heute ungefähr 500 Million Lichtjahre beträgt. Die gleiche physikalische Größe kann auch durch präzise Vermessung des kosmischen Mikrowellenhintergrunds (MWH) erhalten werden. Dieser Strahlungshintergrund bildet das Universum zu einem Zeitpunkt von ca. 380.000 Jahren nach dem Urknall ab. Durch den Vergleich des Schallhorzionts, der sich aus dem Mikrowellenhintergrund und damit dem frühen Universum ergibt, mit der gleichen Größe, die aus der Galaxienverteilung im späteren Universum gewonnen wird, wird es möglich, die Expansionsgeschichte des Universums zu rekonstruieren und somit den Zustandsgleichungsparameter der Dunklen Energie genauer zu bestimmen.

Das BAO-Signal wurde zuerst in der räumlichen Verteilung einer Auswahl von leuchtkräftigen, roten Galaxien (luminous red galaxies, LRGs) der Sloan-Himmelsdurchmusterung (Sloan Digital Sky Survey, SDSS) durch Eisenstein et al. [6] entdeckt. In Folge wurde die Signatur in einer Vielzahl von Datensätzen mit unterschiedlichen Auswertungsmethoden erneut und mit höherer Präzision beobachtet. Wir verdanken es diesem Signal, dass die Vermessung der Galaxienverteilung einen sehr erfolgversprechenden Weg in Richtung einer genauen Messung des Zustandsgsgleichungsparameters, ωDE , und dessen zeitlicher Entwicklung weist.

BOSS: Die spektroskopische Suche nach baryonischen akustischen Oszillationen

Angesichts des Potenzials, welches die Beobachtung der großskaligen Struktur im Bezug auf neue Erkenntnisse über die Natur der Dunklen Energie besitzt, wurden mehrere bahnbrechende Programme zur Galaxiendurchmusterung entwickelt. Ein derzeit laufendes Beispiel einer solchen neuen Erfassung ist der Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS). BOSS ist eines der vier Teile des Durchmusterungsprogramms der dritten Generation von Sloan (SDSS-III) und verfolgt das Ziel, die räumlichen Koordinaten von Millionen von Galaxien zu vermessen. Diese Galaxien sind über ein Gebiet verteilt, dessen Größe einem Viertel des Gesamthimmels entspricht, und ihre Auswahl basiert auf Beobachtungen mit dem 2,5 m-Teleskop des Sloan-Programms, welches auf dem Apache Point Observatorium in New Mexico (USA) installiert ist. Dieser Datensatz wurde speziell im Hinblick auf eine hochpräzise Vermessung der kosmischen Expansionsgeschichte mittels einer genauen Bestimmung des BAO-Merkmals geschaffen.

<strong>Abb 1:</strong> Erwartete endgültige Himmelsabdeckung von BOSS (grau schattiert) für die nördliche (linkes Bild) und südliche (rechtes Bild) g Bild vergrößern
Abb 1: Erwartete endgültige Himmelsabdeckung von BOSS (grau schattiert) für die nördliche (linkes Bild) und südliche (rechtes Bild) galaktische Hemisphäre. Der farbige Bereich entspricht dem Gebiet, das in den ersten beiden Einsatzjahren beobachtet wurde, wobei die Farbe eines Punktes die Vollständigkeit abbildet (d. h. den Anteil der Galaxien in dieser Richtung, die im Katalog einbezogen wurden, an der Gesamtzahl). Dieser Datensatz ist Bestandteil der neunten Veröffentlichung von Sloan-Daten (SDSS Data Release 9, DR9).

Die graue Schattierung in Abbildung 1 zeigt die zu erwartende endgültige Himmelsabdeckung von BOSS in galaktischen Koordinaten für die nördliche (linkes Bild) und südliche Hemisphäre (rechtes Bild) an. Der farbige Bereich entspricht dem Gebiet, das in den ersten beiden Einsatzjahren beobachtet wurde, die Farbe eines Punktes der Vollständigkeit (d. h. dem Anteil der Galaxien in dieser Richtung, die im Katalog einbezogen wurden, relativ zur Gesamtzahl). Der entsprechende Datensatz ist ein Teil der neunten Veröffentlichung der Sloan-Daten (SDSS Data Release 9, DR9). Obwohl die Datenmenge nur weniger als die Hälfte der endgültigen Durchmusterung ausmacht, stellt sie bereits den größten Galaxienkatalog dar, der jemals zusammengestellt wurde. Er ist somit ideal für die Analyse der großskaligen Struktur geeignet. Die Ananlyse wurde bereits sehr detailliert durchgeführt, wodurch nun schon vorläufige Schlussfolgerungen über die kosmische Zusammensetzung vorliegen.

<strong>Abb. 2:</strong> Die Korrelationsfunktion des Galaxienkatalogs in BOSS-DR9 für große Skalen. Diese Funktion misst die Wahrscheinlichkeit Galax Bild vergrößern
Abb. 2: Die Korrelationsfunktion des Galaxienkatalogs in BOSS-DR9 für große Skalen. Diese Funktion misst die Wahrscheinlichkeit Galaxienpaare zu finden als Funktion ihres Abstands. Das Signal der akustischen Oszillationen kann deutlich als ein breiter „Buckel“ ausgemacht werden, dessen Maximum einem Paarabstand von ungefähr 500 Millionen Lichtjahren entspricht. Die genaue Bestimmung dieser Skala ist eine der erfolgreichsten Methoden um die Ausdehnungsgeschichte des Universums zu bestimmen.

Die Punkte in Abbildung 2 zeigen die im Galaxienkatalog BOSS-DR9 vermessene Korrelationsfunktion. Das Signal der baryonischen akustischen Oszillationen kann deutlich als ein breiter „Buckel“ ausgemacht werden, dessen Maximum bei einem Paarabstand von ungefähr 500 Millionen Lichtjahren liegt. Diese Auswertung liefert das derzeit genaueste Bild des BAO-Signals. Die enthaltende Information kann nun benutzt werden, um präzise Werte für die kosmologischen Parameter, wie zum Beispiel den Zustandsgleichungsparameter der Dunklen Energie, zu gewinnen.

Modelle für die Beschreibung der großskaligen Struktur

Die neuen Galaxiendurchmusterungen wie BOSS liefern der Wissenschaft hochgenaue Messergebnisse über die großskalige Galaxienverteilung. Diese Informationen bieten eine einmalige Gelegenheit, neue Schlüsse über die Natur der Dunklen Energie zu ziehen. Gleichzeitig stellen die Menge der Beobachtungsdaten und die Ansprüche an die Auswertungsgenauigkeit eine neue Herausforderung bezüglich der theoretischen Modellierung dieser Beobachtungen dar.

Die Verbindung zwischen der Beobachtung der großskaligen Struktur und den kosmologischen Modellen wird üblicherweise hergestellt, indem die vereinfachende Annahme getroffen wird, dass sich die Galaxienverteilungsfunktion unmittelbar aus der Vorhersage für die Materieverteilung mittels linearer Störungstheorie ergibt. Doch mit immer genaueren Vermessungen hat sich gezeigt, dass dieses Bild die Datenlage nicht genau genug beschreibt. Die Galaxienverteilung ist durch Effekte wie die nichtlineare Entwicklung der Dichtefluktuationen, gravitativ hervorgerufene Galaxienbewegungen und einer möglichen nichttrivialen Beziehung zwischen dem Vorhandensein von Galaxien und der zugrundeliegenden Dichte der Dunken Materie beeinflusst. Dem Anspruch der BOSS-Durchmusterung kann nur dann Genüge getan werden, wenn diese Effekte in die Modelle einbezogen werden, sodass die maximale Menge an Information aus den Daten gewonnen werden kann, ohne dabei systematische Fehler zu verursachen.

Eine Vielzahl von theoretischen Arbeiten hat sich der genaueren Modellierung der statistischen Beschreibung der Galaxienverteilung gewidmet. Neue Entwicklungen in der Störungstheorie haben das theoretische Verständnis der nichtlinearen Effekte substantiell verbessert und zu akkurateren Vorhersagen geführt. Mit diesen neuen Werkzeugen ausgestattet, können die Werte der kosmologischen Parameter aus der Vermessung der großskaligen Struktur genau und unverfälscht bestimmt werden.

Konsequenzen für die Bestimmung kosmologischer Parameter

Mit Modellen, die dem neuesten Stand der Wissenschaft entsprechen, wurde eine umfassende Analyse der Galaxienverteilung im BOSS-DR9-Datensatz durchgeführt [6]. In dieser Arbeit wurden die so gewonnen Informationen mit jüngsten Vermessungen des MWH, von Supernovae vom Type Ia (SN) und weiteren BAO-Bestimmungen aus anderen Durchmusterungen kombiniert. Mit den zusammengefassten Datensätzen wurde untersucht, in wieweit die gemessenen kosmologischen Parameter mit denen des Standardmodells sowie einer Reihe von möglichen Erweiterungen übereinstimmen. Dabei wurde besonderes Augenmerk auf die Zustandsgleichung der Dunklen Energie gelegt.

<strong>Abb 3:</strong> Konfidenzbereiche für den Anteil der Dunklen Energie an der gesamten Energiedichte im Universum und den Zustandsgleichungspara Bild vergrößern
Abb 3: Konfidenzbereiche für den Anteil der Dunklen Energie an der gesamten Energiedichte im Universum und den Zustandsgleichungsparameter ωDE. Die gestrichelte Linie zeigt die Einschränkung des Parameterraums, die sich allein durch die Vermessung des Mikrowellenhintergrunds ergibt. Die durchgezogene Kurve stellt die Einschränkung bei Einbeziehung der Verteilungsinformation von BOSS in die Analyse dar. Die BOSS-Daten schränken die Konfidenzbereiche des Zustandsgleichungsparameters signifikant ein. Die zusätzliche Berücksichtigung von weiteren BAO- und SN-Daten in die Analyse führt zur endgültigen Bestimmung von ωDE = -1,03±0,07. Dieser Wert steht in voller Übereinstimmung mit der Vorhersage des ΛCDM-Standardmodells, nämlich ωDE = −1, welche mit der gepunkteten Linie gekennzeichnet ist.

Die Ergebnisse dieser Studie zeigen, dass sich die Vermessung der Galaxienverteilung durch BOSS in voller Übereinstimmung mit dem Standardmodell befindet. Dies wird in Abbildung 3 gezeigt: Die gepunktete Linie stellt die Vorhersage für die Korrelationsfunktion dieses kosmologischen Modells dar. Sie stimmt hervorragend überein, sowohl bezüglich der Lage des BAO-Signals, als auch der gesamten Form mit der von BOSS gemessenen Korrelationsfunktion.

Abbildung 3 verdeutlicht zum einen den erlaubten Wertebereich des Anteils der Dunklen Energie an der gesamten Energiedichte im Universum, zum anderen des Zustandsgleichungsparameters ωDE [7]. Die gestrichelte Linie zeigt die Einschränkung des Parameterraums, die sich allein durch die Vermessung des Mikrowellenhintergrunds ergibt, und die noch einen großen Bereich an Werten für ωDE zulässt. Die durchgezogene Kurve stellt die Einschränkung bei Einbeziehung der Verteilungsinformation von BOSS in die Analyse dar. Die BOSS-Daten schränken die Konfidenzintervalle des Zustandsgleichungsparameters signifikant ein. Die zusätzliche Berücksichtigung von weiteren BAO- und SN-Daten in die Analyse führt zur endgültigen Bestimmung von ωDE = -1,03±0,07. Dieser Wert steht in voller Übereinstimmung mit der Vorhersage des Standardmodells, nämlich ωDE = -1, welche in Abbildung 3 mit der gepunkteten Linie gekennzeichnet ist.

Eine leuchtende Zukunft

Die bisherigen Ergebnisse zeigen, dass das kosmologische Standardmodell in der Lage ist, alle in die Analyse einbezogen Beobachtungen präzise zu beschreiben. Im Hinblick auf den unterschiedlichen Eigenschaften dieser Beobachtungen und der verschiedenen Epochen in der kosmischen Geschichte, die dabei untersucht wurden, ist dies ein wichtiger Erfolg. Die Einbeziehung der Vermessung der Galaxienverteilung durch BOSS hat den möglichen Parameterbereich des Standardmodells substanziell verkleinert, sodass die fundamentalen Parameter des Modells mit hoher Genauigkeit bestimmt werden können. Dies verdeutlicht die Aussagekraft von Beobachtungen in der gegenwärtigen Ära der Präzisionskosmologie.

Dies ist jedoch erst der Anfang: Die jetzigen Resultate basieren auf der ersten Veröffentlichung von spektroskopischen BOSS-Daten. Mit zunehmendem Volumen der Durchmusterung werden die neuen Datensätze noch genauere Einsichten über die großskalige Struktur des Universums liefern. Diese Verbesserung wird durch die Veröffentlichung der neusten Vermessungen der kosmischen Mikrowellenhintergrundstrahlung mit dem ESA-Satelliten Planck im Frühjahr 2013 ergänzt. Die Kombination dieser beiden Datensätze wird zweifelsfrei neue, stringente Bestimmungen der Parameter der kosmologischen Modelle mit sich bringen und das Standardmodell einem noch rigoroserem Test unterziehen. Dadurch wird das Tor zur Untersuchung weiterer Ergänzungen für dieses Modell geöffnet, welche bisher noch nicht erforscht wurden.

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