Schlagwort: Rotverschiebung

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Baryonische akustische Schwingungen von SDSS-III

Diese künstlerische Darstellung zeigt ringförmige Verdichtungen in der Verteilung von Galaxien im fernen Universum. Damals war das Universum halb so alt wie heute.

Illustrationscredit: Zosia Rostomian (LBNL), SDSS-III, BOSS

Wie groß erscheinen Dinge, wenn sie weit entfernt sind? Wenn man durch das Universum späht, sagt uns die Antwort auch etwas über seine gemittelte Gravitationsgeschichte und seine Zusammensetzung.

Die Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS) der Sloan Digital Sky Survey-III (SDSS-III) vermaß leichte wiederkehrende Steigerungen der Galaxiendichte. Sie sind bis zu sechs Milliarden Lichtjahre entfernt. Die Rotverschiebung beträgt 0,7. Damals war das Universum etwa halb so alt wie jetzt.

Die Dichteschwankungen werden als Baryonische akustische Oszillation (BAO) bezeichnet. Man vermutet, dass sie im frühen Universum in einer bekannten Größenordnung entstanden sind. Die BOSS-Messungen dieser Größenordnung legen einen großen Anteil an Dunkler Energie im Universum nahe. Sie bestätigen somit frühere Hinweise auf diese ungewöhnliche Zusammensetzung.

Diese Illustration zeigt verstärkte BAOs im fernen Universum.

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Flug durch das Hubble Ultra Deep Field

Videocredit: NASA, ESA, F. Summers, Z. Levay, L. Frattare, B. Mobasher, A. Koekemoer und das HUDF-Team (STScI)

Wie sieht es aus, wenn man durch das ferne Universum fliegt? Ein Team Weltraumforschender wollte das herausfinden. Dazu schätzten sie die relativen Entfernungen von mehr als 5000 Galaxien in einem der am weitesten entfernten Galaxienfelder, die je fotografiert wurden: dem Hubble Ultra Deep Field (HUDF).

Licht braucht extrem lange, um das Universum zu durchqueren. Daher sind die meisten Galaxien im Video noch im Prozess der Entstehung. Das Universum hatte damals nur einen Bruchteil seines aktuellen Alters erreicht. Viele Galaxien sind daher ungewöhnlich geformt, wenn man sie mit aktuellen Galaxien vergleicht. Hier existieren noch keine voll entwickelten Spiralgalaxien wie unsere Milchstraße oder die Andromedagalaxie.

Gegen Ende des Videos fliegen wir an den fernsten Galaxien im HUDF vorbei. Deren gemessene Rotverschiebung beträgt mehr als 8. Diese frühe Galaxienklasse mit geringer Leuchtkraft enthielt wahrscheinlich sehr energiereiche Sterne. Ihr Licht verwandelte einen Großteil der verbleibenden gewöhnlichen Materie im Universum von kaltem Gas in heißes, ionisiertes Plasma.

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Rotverschiebungs-Wertetabelle unseres Universums

Die umfangreiche Grafik listet Werte der Rotverschiebung. Beschreibung im Text.

Bildcredit: Sergey V. Pilipenko (LPI, MIPT)

Wie weit ist „Rotverschiebung z=6“ entfernt? Zwar sind Menschen mit Entfernung und Zeit vertraut. Doch was man bei astronomischen Objekten misst, ist eigentlich die Rotverschiebung. Das ist eine Farbabweichung, die davon abhängt, wie sich die Energiedichte in unserem Universum entwickelt hat.

In den letzten Jahren führten kosmologische Messungen zu einer Einigung darüber, welche Energieformen unser Universum durchdringen. Daher konnte man eine einfache Tabelle erstellen, in der die beobachtete kosmologische Rotverschiebung z mit dem Standardkonzept von Zeit und Entfernung in Relation gesetzt wurde. Das gilt auch für die hochgerechnete Zeit, die vergangen ist, seit das Universum entstand.

So eine Tabelle ist oben dargestellt. Die Rotverschiebung z kann man in der ersten und in der letzten Spalte ablesen. Das entsprechende Alter des Universums in Milliarden Jahren steht in der mittleren Spalte. Die Bedeutung der übrigen Spalten ist in einer technischen Abhandlung beschrieben.

Sterne in unserer Galaxis haben eine kosmologische Rotverschiebung z=0. Doch die fernsten Supernovae ereignen sich anscheinend außerhalb einer Rotverschiebung z=1. Damit explodierten sie laut dem Diagramm, als das Universum etwa die Hälfte des heutigen Alters erreicht hatte. Die fernsten Gammablitze, die man bisher beobachtet hat, ereignen sich außerhalb einer Rotverschiebung z=6. Damals war das Universum weniger als eine Milliarde Jahre alt. Das sind weniger als 10 Prozent seines jetzigen Alters.

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Planck kartiert den kosmischen Mikrowellenhintergrund

Auf schwarzem Hintergrund ist eine ovale Karte abgebildet. Die Grundfarbe ist Hellblau, sie ist von orange-roten und blauen Flecken überzogen.

Bildcredit: Europäische Weltraumagentur ESA, Planck Collaboration

Woraus besteht unser Universum? Um das herauszufinden, startete die ESA den Satelliten Planck. Dieser kartierte leichte Temperaturunterschiede in der ältesten bekannten Oberfläche so detailreich wie nie zuvor. Es ist der Himmelshintergrund, der vor Milliarden Jahren zurückblieb, als unser Universum erstmals für Licht durchlässig wurde.

Der kosmische Mikrowellenhintergrund in alle Richtungen beobachtbar. Es ein komplexer Bildteppich, der heiße und kalte Muster zeigt. Diese Muster sind nur dann zu beobachten, wenn das Universum aus bestimmten Arten von Energie besteht, die sich in einer gewissen Weise entwickelte.

Die Ergebnisse wurden letzte Woche veröffentlicht. Sie bestätigen erneut, dass ein Großteil des Universums hauptsächlich aus geheimnisvoller und fremdartiger Dunkler Energie besteht. Sogar ein Großteil der restlichen Materie ist eigenartig dunkel.

Außerdem zeigen die Planck-Daten, dass das Universum 13,81 Milliarden Jahre alt ist. Damit ist es nur wenig älter, als mit zahlreichen anderen Instrumenten geschätzt wurde. Zu diesen früheren Instrumenten zählt etwa der WMAP-Satellit der NASA. Die Ausdehnungsrate des Universums beträgt 67,3 (+/- 1,2) km/s/Mpc. Das ist etwas weniger, als früheren Schätzungen ergaben.

Einige Besonderheiten dieser Himmelskarte bleiben rätselhaft. Es ist ungeklärt, warum die Temperaturschwankungen auf einer Himmelshälfte anscheinend etwas größer sind als auf der anderen Seite.

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Im Nachleuchten festgehalten

Links ist ein Gammastrahlenblitz, der mit einem Spektrum markiert ist. Von dem Blitz geht diagonal nach oben ein Strahl aus, der durch zwei Galaxien verläuft. Hinter jeder Galaxie ist ein weiteres Spektrum angebracht.

Illustrationscredit: ESO, L. Calçada; Forschungsteam: Sandra Savaglio (MPE) et al.

Diese künstlerische Darstellung zeigt zwei ferne Galaxien im Nachleuchten von GRB090323. Die Galaxien entstanden etwa 2 Milliarden Jahre nach dem Urknall. GRB090323 war ein Gammastrahlenblitz, sein Licht durchquerte fast das ganze Universum.

Der Ausbruch wurde im März 2009 vom Gammastrahlen-Weltraumteleskop Fermi entdeckt. Der Gammablitz strahlte durch seine Heimatgalaxie und eine weitere Galaxie in der Nähe. Diese Anordnung wurde aus dem Spektrum des Nachleuchtens geschlossen.

Das Nachleuchten des Blitzes verblasst langsam. Das Spektrum des Nachleuchtens wurde mit einer Einheit des Very Large Telescope (VLT) der Europäischen Südsternwarte beobachtet. Es lieferte ein überraschendes Ergebnis, nämlich dass die fernen Galaxien mehr schwere Elemente enthalten als die Sonne. Sie weisen die höchste Anreicherung an schweren Elementen auf, die je im frühen Universum beobachtet wurde.

Schwere Elemente reichern ältere Galaxien im lokalen Universum an. Sie sind in früheren Sterngenerationen entstanden. Somit haben diese jungen Galaxien im Vergleich zu unserer Milchstraße eine ungeheure Sternbildungsrate und chemische Entwicklung durchlaufen.

Der Ort des Ausbruchs liegt in der Illustration links. Das Licht wandert vom Ausbruch aus durch die Galaxien rechts daneben. Dunkle Absorptionslinien im Spektrum des Nachleuchtens zeigen die Elemente in den Galaxien. Diese Spektren sind als Einschübe dargestellt. Sternforschende auf dem Planeten Erde sind etwa 12 Milliarden Lichtjahre außerhalb des rechten Bildrandes.

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Film: sich der Lichtgeschwindigkeit nähern

Bildcredit und Bildrechte: Antony Searle und Craig Savage (ANU)

Wie sieht es aus, wenn man fast mit Lichtgeschwindigkeit reist? Es gäbe seltsame visuelle Effekte. Einige sind in dieser relativistisch genauen Animation zu sehen. Durch die relativistische Aberration würden Objekte vor euch scheinbar Gruppen bilden. Durch den Dopplereffekt würden die Farben von vor euch liegenden Objekten ins Blaue und von Dingen hinter euch ins Rote verschoben.

Auf ähnliche Weise würde sich die Welt vor euch scheinbar ungewöhnlich schnell bewegen. Zugleich scheint es, als würde die Welt hinter euch verlangsamt. Objekte an den Seiten werden scheinbar gedreht. Das würde es ermöglichen, normalerweise verborgene Oberflächen zu sehen.

Weil die konstante Bewegung relativ ist, würden dieselben Effekte auftreten, wenn ihr euch nicht bewegt und die ganze Welt auf euch zurast.

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Das nahe Universum

Die Karte der 2MASS-Durchmusterung der Rotverschiebung zeigt den ganzen Himmel. Waagrecht auf der ovalen Karte verläuft die Milchstraße, am Rand sind viele bekannte Objekte gelistet und mit Pfeilen auf der Karte markiert.

Credit: 2MASS, T. H. Jarrett, J. Carpenter und R. Hurt

Beschreibung: Wie sieht das Universum in unserer Umgebung aus? Diese Karte zeigt fast 50.000 Galaxien im nahe gelegenen Universum, die mit der Zwei-Mikron-Ganzhimmelsdurchmusterung (2MASS) im Infrarotlicht entdeckt wurden. Das Ergebnis ist eine unglaubliche Tapisserie aus Galaxien. Sie zeigt die Grenzen, innerhalb derer das Universum entstand und entwickelte.

Das dunkle waagrechte Band in der Bildmitte entsteht durch den Staub in der Ebene unserer Milchstraße. Jeder Punkt, der etwas von der galaktischen Ebene entfernt ist, zeigt jedoch eine Galaxie, deren Farbe die Entfernung zeigt. Blauere Punkte stehen für näher gelegene Galaxien in der 2MASS-Durchmusterung, rötlichere Punkte zeigen die weiter entfernten Galaxien, sie weisen eine Rotverschiebung von etwa 0,1 auf.

Am Rand sind Strukturen mit Namen beschriftet. Viele Galaxien sind durch Gravitation aneinander gebunden und bilden Haufen. Diese Haufen bilden ihrerseits lose Superhaufen. Diese wiederum sind manchmal von sogar noch größeren Strukturen überlagert.

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Lyman-Alpha-Emitter

Links ist eine Abbildung eines gelblich verschwommenen Nebels, rechts eine Illustration: Au seiner waagrechten scheibenartigen Struktur treten nach oben und unten gelbe Auswürfe aus.

Credit: NASA / ESA, CXC, JPL-Caltech, STScI, NAOJ, J.E. Geach (Univ. Durham) et al.; Illustration: NASA/CXC/M.Weiss

Der linke Bildteil zeigt eine gewaltige Wolke aus Wasserstoff. Sie wird als Lyman-Alpha-Klecks bezeichnet und ist mehrere hunderttausend Lichtjahre groß. Im Bild wurden Daten kombiniert, die mit Teleskopen im All und auf der Erde gewonnen wurden, und zwar in Röntgenstrahlung, in sichtbarem Licht und in Infrarot. Die gigantische amöbenartige Struktur sah vor etwa 12 Milliarden Jahren so aus. Damals war das Universum ungefähr 2 Milliarden Jahre alt.

Lyman-Alpha-Emitter heißen so, weil sie starke Strahlung in der Lyman-Alpha-Emissionslinie von Wasserstoff emittieren. Normalerweise liegt die Lyman-Alpha-Emission im ultravioletten Bereich des Spektrums. Doch Lyman-Apha-Kleckse sind so weit entfernt, dass ihr Licht in sichtbare (längere) Wellenlängenbereiche rotverschoben ist.

Röntgendaten sind blau dargestellt. Sie zeigen die Anwesenheit eines sehr massereichen schwarzen Loches. Es wird im Zentrum einer aktiven Galaxie gespeist, die sich im Klumpen befindet. Die Illustration im rechten Bildfeld zeigt, dass Strahlung und Ausfluss der aktiven Galaxie vermutlich die Quelle sind, die den Wasserstoff im Klumpen aktiviert und aufheizt.

Lyman-Alpha-Kleckse zeigen vielleicht eine frühe Phase der Galaxienbildung, bei der die Aufheizung so groß war, dass sie ein weiteres rasches Anwachsen aktiver Galaxien und ihrer extrem massereichen schwarzen Löcher begrenzte.

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