Verzerrte Visionen des kosmischen Mikrowellenhintergrunds – des frühesten nachweisbaren Lichts – ermöglichen es Astronomen, die Gesamtmenge sichtbarer und unsichtbarer Materie im gesamten Universum zu kartieren.
Ungefähr 85 Prozent der gesamten Materie im Universum sind dunkle Materie, die selbst für die stärksten Teleskope unsichtbar, aber durch ihre Anziehungskraft erkennbar ist.
Um dunkle Materie zu finden, suchen Astronomen nach einem Effekt namens Gravitationslinseneffekt: Wenn die Anziehungskraft dunkler Materie das Licht eines weiter entfernten Objekts beugt und verstärkt. In seiner exzentrischsten Form führt es zu mehreren bogenförmigen Bildern entfernter kosmischer Objekte.
Das Hubble-Weltraumteleskop zeigt den Effekt des Gravitationslinseneffekts, wenn Hintergrundgalaxien durch den Galaxienhaufen MACS J1206 verzerrt werden. Bildquelle: NASA
Aber hier gibt es eine Einschränkung: Um Dunkle Materie zu erkennen, muss sich ein Objekt direkt dahinter befinden. Die „Sterne“ müssen ausgerichtet werden.
In einer kürzlich von Dr. James Geach von der University of Hertfordshire im Vereinigten Königreich geleiteten Studie haben Astronomen stattdessen ihren Blick auf den kosmischen Mikrowellenhintergrund (CMB) gerichtet.
„Das CMB ist das am weitesten entfernte/älteste Licht, das wir sehen können“, sagte Dr. Geach gegenüber Universe Today. „Man kann es sich als eine Oberfläche vorstellen, die das gesamte Universum von hinten beleuchtet.“
Die Photonen der CMB werden auf die Erde geschleudert, seit das Universum erst 380.000 Jahre alt war. Ein einzelnes Photon hatte die Chance, auf viel Materie zu treffen, nachdem es die gesamte Materie im Universum entlang seiner Sichtlinie effektiv untersucht hatte.
„Unsere Ansicht des CMB ist also etwas verzerrt von seinem eigentlichen Aussehen – ein bisschen so, als würde man das Muster auf dem Boden eines Schwimmbeckens betrachten“, sagte Dr. Geach.
Indem wir die kleinen Verzerrungen im CMB bemerken, können wir die gesamte dunkle Materie im gesamten Universum untersuchen. Aber genau dies zu tun, ist äußerst anspruchsvoll.
Das Team beobachtete den Südhimmel mit dem South Pole Telescope, einem 10-Meter-Teleskop, das für Beobachtungen in der Mikrowelle entwickelt wurde. Diese große, bahnbrechende Vermessung ergab eine CMB-Karte des Südhimmels, die mit früheren CMB-Daten des Planck-Satelliten übereinstimmte.
Die charakteristischen Signaturen der Gravitationslinsenbildung durch eingreifende Materie können mit dem Auge nicht extrahiert werden. Astronomen verließen sich auf die Verwendung eines gut entwickelten mathematischen Verfahrens. Wir gehen nicht auf die bösen Details ein.
Dies erzeugte eine „Karte der gesamten projizierten Massendichte zwischen uns und dem CMB. Das ist ziemlich unglaublich, wenn man darüber nachdenkt – es ist eine Beobachtungstechnik, um die gesamte Masse im Universum bis hin zum CMB zu kartieren“, erklärte Dr. Geach.
Aber das Team beendete seine Analyse dort nicht. Stattdessen maßen sie weiterhin den CMB-Linseneffekt an den Positionen von Quasaren – mächtigen supermassereichen Schwarzen Löchern in den Zentren der frühesten Galaxien.
„Wir fanden heraus, dass Himmelsregionen mit einer großen Dichte an Quasaren ein deutlich stärkeres CMB-Linsensignal aufweisen, was darauf hindeutet, dass sich Quasare tatsächlich in großräumigen Materiestrukturen befinden“, Dr. Ryan Hickox vom Dartmouth College – Zweitautor der Studie – sagte Universum heute.
Schließlich wurde die CMB-Karte verwendet, um die Masse dieser Halos aus Dunkler Materie zu bestimmen. Diese Ergebnisse stimmten mit denen aus älteren Studien überein, die untersuchten, wie sich die Quasare im Weltraum zusammenballen, ohne dass auf die CMB Bezug genommen wurde.
Konsistente Ergebnisse zwischen zwei unabhängigen Messungen sind ein leistungsstarkes wissenschaftliches Werkzeug. Laut Dr. Hickox zeigt dies, dass „wir ein starkes Verständnis dafür haben, wie supermassereiche Schwarze Löcher in großräumigen Strukturen vorkommen, und dass Einstein (wieder einmal) Recht hatte.“
Das Papier wurde zur Veröffentlichung in den Astrophysical Journal Letters angenommen und steht zum Download bereit Hier.
