Das DESI-Instrument hat die gröĂte 3D-Karte unseres Universums erstellt, die es bisher gibt. Dieser Ausschnitt zeigt die Galaxien, die im ersten Jahr der fĂŒnfjĂ€hrigen DESI-Studie kartiert wurden. Die Erde liegt im Zentrum dieses schmalen Abschnitts der vollstĂ€ndigen Karte. Im vergröĂerten Bereich ist es leicht, die zugrunde liegende Struktur der Materie in unserem Universum zu erkennen.
Ihre Ergebnisse bestĂ€tigen die GĂŒltigkeit von Einsteins Gravitationstheorie, der Allgemeinen RelativitĂ€tstheorie, auf kosmologischen Skalen.
Die Gravitation hat unser Universum geformt. Durch ihre Anziehungskraft entwickelten sich winzige Dichteschwankungen in der Materieverteilung des frĂŒhen Universums und fĂŒhrten zur Bildung der Galaxien und groĂrĂ€umigen kosmischen Strukturen, die wir heute beobachten können.
Eine neue Studie, die auf Daten des âDark Energy Spectroscopic Instrumentâ (DESI) basiert, hat nachgezeichnet, wie sich diese Strukturen in den letzten 11 Milliarden Jahren entwickelten. Sie liefert damit den bislang genauesten Test der Gravitation im sehr groĂrĂ€umigen MaĂstab.
Diese neue Untersuchung der Zusammenarbeit wird in mehreren Studien auf dem Online-Archiv arXiv veröffentlicht und hier prĂ€sentiert. Sie zielt darauf ab, die GĂŒltigkeit von Einsteins Theorie der Gravitation, der Allgemeinen RelativitĂ€tstheorie, auf kosmologischen Skalen zu ĂŒberprĂŒfen. Ănderungen dieser Theorie werden als Alternativen zur Dunklen Energie vorgeschlagen, um die beschleunigte Expansion des Universums zu erklĂ€ren.
Die internationale DESI-Zusammenarbeit, die mehr als 900 Forscherinnen und Forscher aus ĂŒber 70 Institutionen weltweit umfasst, wird durch das Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) geleitet.
Diese interaktive 360-Grad-Videoaufnahme fĂŒhrt Sie durch Millionen von Galaxien, die mithilfe der DESI-Beobachtungen kartiert wurden.
Credit: Fiske Planetarium, CU Boulder und DESI-Zusammenarbeit.
Credit: Fiske Planetarium, CU Boulder und DESI-Zusammenarbeit.
Der Mechanismus, der diese beschleunigte Expansion antreibt, wird mit zwei AnsÀtzen untersucht. Der erste Ansatz nimmt die Existenz einer neuen Komponente des Universums an, der Dunklen Energie. Ziel ist es hierbei, deren Eigenschaften zu bestimmen, insbesondere ob sie sich im Laufe der Zeit verÀndern oder konstant bleiben. Der zweite Ansatz schlÀgt modifizierte Gravitationstheorien als Alternative zur Allgemeinen RelativitÀtstheorie vor, um die beschleunigte Expansion des Universums ohne Dunkle Energie zu erklÀren.
In dieser neuen Forschung, die von Pauline Zarrouk, einer Kosmologin des CNRS am Laboratoire de Physique Nucléaire et de Hautes Energies (LPNHE), mitgeleitet wurde, beobachteten die DESI-Forscher, dass sich die Gravitation im Einklang mit Einsteins Allgemeiner RelativitÀtstheorie verhÀlt.
Dieses Ergebnis validiert somit das Standardmodell des Universums und schrĂ€nkt mögliche Erweiterungen der Allgemeinen RelativitĂ€tstheorie ein. âDie Allgemeine RelativitĂ€tstheorie wurde bereits ausgiebig und prĂ€zise auf der Ebene von Sternensystemen getestet, aber es war auch notwendig zu ĂŒberprĂŒfen, ob unsere Annahmen auf viel gröĂeren Skalen funktionierenâ, erklĂ€rt Pauline Zarrouk. âDie statistische Messung der Galaxiengeschwindigkeiten im Verlauf der Universumsgeschichte ermöglicht uns eine direkte ĂberprĂŒfung der Gravitationstheorie.
Zum ersten Mal fĂŒhrten wir diese neue, komplexe Analyse mit DESI durch, um die Geschichte des Wachstums kosmischer Strukturen nachzuvollziehen. Unsere Ergebnisse zeigen, dass wir bisher im Einklang mit den Vorhersagen der Allgemeinen RelativitĂ€tstheorie auf kosmologischen Skalen liegen.â
Diese Simulation zeigt, wie die Gravitation die Position der beobachteten Galaxien beeinflusst und damit die Weise verÀndert, wie sich Materie zu kosmischen Strukturen zusammenballt. Da verschiedene Gravitationstheorien unterschiedliche Strukturen vorhersagen, können die DESI-Wissenschaftler die Beobachtungen mit den Vorhersagen vergleichen und so die Gravitation auf kosmischen Skalen testen.
Credit: Claire Lamman und Michael Rashkovetskyi / DESI-Zusammenarbeit.
Credit: Claire Lamman und Michael Rashkovetskyi / DESI-Zusammenarbeit.
Die veröffentlichten Ergebnisse bieten eine tiefgehende Analyse der Daten des ersten DESI-Jahres, die bereits im April zur Erstellung der gröĂten 3D-Karte des Universums fĂŒhrten und mögliche Anzeichen fĂŒr eine zeitliche Entwicklung der Dunklen Energie offenbarten. Die Ergebnisse von April bezogen sich auf ein bestimmtes Merkmal in der rĂ€umlichen Verteilung der Galaxien, bekannt als Baryonische Akustische Oszillationen (BAO).
Die neue Analyse erweitert den Umfang, um weitere Informationen aus den Daten zu extrahieren, indem gemessen wird, wie Galaxien und Materie auf unterschiedlichen Skalen im Raum verteilt sind. Die Studie erforderte monatelange zusĂ€tzliche Arbeit und zahlreiche wechselseitige ĂberprĂŒfungen. Wie die vorherige Studie nutzte sie eine Methode, bei der die Ergebnisse den Wissenschaftlern bis zum Abschluss verborgen blieben, um mögliche unbewusste Vorurteile in den Analysen auszuschlieĂen.
Die komplexe Analyse beruhte auf fast 6 Millionen Galaxien und Quasaren, die sich in Entfernungen von 1 bis 11 Milliarden Lichtjahren von der Erde befinden. Bereits mit nur einem Jahr an Daten lieferte DESI die bislang genaueste globale Messung des Wachstums kosmischer Strukturen und ĂŒbertraf damit frĂŒhere BemĂŒhungen, die Jahrzehnte in Anspruch nahmen.
âDank dieses enormen Datenschatzes und der Verbesserung unserer Analysen sind die mit diesem ersten Datenjahr erzielten Ergebnisse spektakulĂ€râ, erklĂ€rte Arnaud de Mattia, Kosmologe am CEA Paris-Saclay und Mitverantwortlicher der DESI-Gruppe zur Interpretation kosmologischer Daten. âWir testen mit bisher unerreichter PrĂ€zision die Wirkung der Dunklen Energie und der Allgemeinen RelativitĂ€tstheorie auf kosmischen Skalen.â
Diese Abbildung zeigt die Messungen des Wachstums kosmischer Strukturen in AbhÀngigkeit vom Rotverschiebungsfaktor, gewonnen aus den DESI-Daten des ersten Jahres. Die gestrichelte schwarze Linie zeigt die Vorhersage der Allgemeinen RelativitÀtstheorie, wÀhrend die farbigen Linien Modifikationen der Allgemeinen RelativitÀtstheorie darstellen, bei denen die Gravitation stÀrker oder schwÀcher ist als in der Allgemeinen RelativitÀtstheorie.
Credit: HĂ©ctor Gil-Marin und Pauline Zarrouk / DESI-Zusammenarbeit
Die Studie lieferte zudem neue Obergrenzen fĂŒr die Masse der Neutrinos, die einzigen fundamentalen Teilchen, deren Masse noch nicht prĂ€zise gemessen wurde. Experimente zur Neutrinophysik zeigen, dass die Summe der Massen der drei Neutrinoarten zwischen 0,06 eV/c2 und 1,35 eV/c2 liegen muss (etwa eine Million Mal leichter als ein Elektron). Im Standardmodell der Kosmologie, in dem Dunkle Energie durch eine kosmologische Konstante beschrieben wird, deuten die DESI-Ergebnisse darauf hin, dass diese Summe unter 0,07 eV/c2 (mit 95 % Wahrscheinlichkeit) liegen sollte. Dies lĂ€sst nur einen engen Spielraum fĂŒr die Neutrinomassen.
âDie DESI-Ergebnisse können jedoch auch in einem kosmologischen Modell interpretiert werden, in dem die Dunkle Energie sich im Laufe der Zeit verĂ€ndern kann, wie aktuelle Beobachtungen nahelegenâ, prĂ€zisiert Etienne Burtin, Physiker am CEA Paris-Saclay und Mitverantwortlicher der DESI-Datenanalysegruppe. âIn diesem Rahmen liegt die obere Grenze bei 0,19 eV/c2. Diese ist zwar höher, hĂ€ngt aber deutlich weniger vom verwendeten kosmologischen Modell ab und bleibt restriktiver als Ergebnisse von Neutrinophysik-Experimenten.â
DESI ist ein hochmodernes Instrument, das gleichzeitig das Licht von 5.000 Galaxien einfangen kann. Es wurde gebaut und wird betrieben mit der Finanzierung des Office of Science des US-Energieministeriums (DOE). DESI befindet sich an der Spitze des 4-Meter-Teleskops Nicholas U. Mayall der National Science Foundation (NSF) am nationalen Observatorium Kitt Peak. Das Experiment befindet sich derzeit im vierten Jahr einer fĂŒnfjĂ€hrigen Kartierung des Himmels und plant, bis zum Projektende etwa 40 Millionen Galaxien und Quasare zu vermessen.
Die DESI-Zusammenarbeit setzt ihre Beobachtungen fort und analysiert aktuell die Daten der ersten drei Beobachtungsjahre. FĂŒr das FrĂŒhjahr 2025 ist die Veröffentlichung noch prĂ€ziserer Messungen zur Expansion des Universums und deren Auswirkungen auf die Natur der Dunklen Energie geplant.
Zu den französischen Instituten, die zum DESI-Programm beitragen, gehören das Institut de recherche sur les lois fondamentales de l'Univers (Irfu, CEA-Paris-Saclay), das Laboratoire de physique nucléaire et de hautes énergies (LPNHE, CNRS / Sorbonne Université / Université Paris Cité), das Centre de physique des particules de Marseille (CPPM, CNRS / Aix-Marseille Université) und das Laboratoire d'astrophysique de Marseille (LAM, CNRS / Aix-Marseille Université / CNES).
DESI wird unterstĂŒtzt durch das Office of Sciences des US-Energieministeriums (DOE) und durch das National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC), ein Rechenzentrum des DOE Office of Science. DESI erhĂ€lt zudem UnterstĂŒtzung von der National Science Foundation (NSF) der Vereinigten Staaten, dem Science and Technologies Facilities Council (STFC) des Vereinigten Königreichs, der Gordon and Betty Moore Foundation, der Heising-Simons Foundation, dem französischen Commissariat Ă l'Ă©nergie atomique et aux Ă©nergies alternatives (CEA), dem Nationalen Rat fĂŒr Wissenschaft und Technologie Mexikos, dem spanischen Wirtschaftsministerium sowie den Mitgliedsinstitutionen von DESI.
Die DESI-Zusammenarbeit fĂŒhlt sich geehrt, wissenschaftliche Forschung auf dem Oligam Du'ag (Kitt Peak) durchfĂŒhren zu dĂŒrfen, einem Berg, der fĂŒr die Tohono O'odham Nation von besonderer Bedeutung ist.