Der CHIME-Teleskop misst Dunkle Energie, indem es untersucht, wie das Universum Licht streckt.

Das CHIME-Teleskop hat nun eigene Messungen verwendet, um Dunkle Energie zu entdecken, sieben Jahre nachdem das Projekt begann. Dies ist das erste Mal, dass das Instrument solche Ergebnisse unabhängig erzielt hat, ohne auf eine Überprüfung durch andere Observatorien angewiesen zu sein. Die Ergebnisse, die am Montag (28. September) in The Astrophysical Journal veröffentlicht wurden, zeigen die Fähigkeit des Teleskops, die Ausbreitung von Wasserstoffgas im frühen Kosmos zu kartieren, eine Funktion, für die es ursprünglich konzipiert wurde.

Das Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment (CHIME), das in der Nähe von Penticton, British Columbia, liegt, ist ein Array von Radioteleskopen. Es kartiert den gesamten Nordhimmel täglich. Das Design von CHIME wurde entwickelt, um die schwachen Radiosignale zu erfassen, die von Wasserstoff abgegeben werden, dem eigentlichen Stoff, aus dem Sterne entstehen, und dient so dazu, zu verfolgen, wie Materie im gesamten Raum angeordnet ist.

Seit Jahren war CHIME auf andere Teleskope angewiesen, um seine Ergebnisse zu bestätigen – ein kostspieliges und langsames Unterfangen. Die neue Studie, die fast ein Jahrzehnt zur Fertigstellung benötigte, ändert diese Vorgehensweise. Sie basiert auf Beobachtungen über 94 Nächte im Jahr 2019, die alle vor der Veröffentlichung sorgfältig geprüft wurden. Das Instrument kann Radiostrahlungen aus einer Zeit zurückverfolgen, die 3 Milliarden Jahre nach dem Urknall liegen, einer Zeit, in der das Kosmos nur einen Bruchteil seiner heutigen Größe hatte.

Das Signal, das gehalten hat

Das Team habe sich stark bemüht, eine Fehlalarmierung auszuschließen, und das Signal habe jeden Test überstanden, so Arnab Chakraborty, ein Postdoktorand an der University of Toronto und Mitautor der Studie. Er sagte in einer Erklärung, dass die Bemühungen dazu dienten, sich davon zu überzeugen, dass das Ergebnis echt sei.

Die potenziellen Vorteile sind erheblich. Die Autoren sagen, dass das Teleskop Forschern ein frisches, kostengünstiges Mittel zur Verfügung stellen könnte, um Dunkle Energie zu untersuchen, eine nur schwer verständliche Kraft hinter der beschleunigten Expansion des Universums.

Was uns Wasserstoff erzählt

Chakraborty erklärte, dass Wasserstoff das häufigste Element im Kosmos ist und als Baustein für die Sternentstehung dient. Da sein schwaches Radiosignal als Marker fungiert, zeigt es, wo sich Materie im gesamten Universum verteilt.

Die Anordnung dieser Marker birgt Hinweise darauf, wie sich das Universum zu verschiedenen Zeitpunkten seiner Geschichte ausdehnte. Die Verfolgung könnte neue Erkenntnisse darüber liefern, warum sich der Kosmos mit der Zeit schneller entwickelte – ein Rätsel, das Astronomen seit langem beschäftigt.

Eine Dekade der Arbeit ging der Veröffentlichung dieses Papiers voraus, während der das Team seine Ergebnisse sorgfältig prüfte, bevor es sie veröffentlichte. Die Beobachtungen, auf denen es basiert, umfassen 94 Nächte im Jahr 2019, und die daraus resultierende Messung von Dunkler Energie wird ausschließlich aus den eigenen Daten von CHIME abgeleitet.

Der Wert von 2 %

Eine begleitende Arbeit, die im Astrophysical Journal veröffentlicht wurde, enthält weitere Informationen darüber, wo sich Wasserstoff im Kosmos befindet. Diese Studie legt nahe, dass etwa 2 % des Wasserstoffs „neutral atomar“ sind – was bedeutet, dass die Atome ein Gleichgewicht von nur einem Proton und einem Elektron enthalten, was zu keiner gesamten elektrischen Ladung führt – was „weitgehend mit“ den Messungen anderer Teleskope übereinstimmt.

Shabbir Shaikh, der als Postdoc-Fellow an der School of Earth and Space Exploration an der Arizona State University arbeitet und Mitautor beider Arbeiten ist, kommentierte die Aussage über die Übereinstimmung mit anderen Teleskopen.

Ein großes Team, darunter Amiri, Bandura, Cliche, Dobbs, Foreman, Gray, Halpern, Hill, Hinshaw, Höfer, Joseph, Kruger, Landecker, Van Lieshout, MacEachern, Masui, Mena-Parra, Miller und Wulf, unterzeichnete die Arbeiten. Die vollständige Zitierung lautet „Detection of the Cosmological 21 cm Signal in Autocorrelation at z ∼ 1 with the Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment“, veröffentlicht im Astrophysical Journal, 1009(2), 159, mit einem DOI von doi:10.3847/1538-4357/ae9835.

Der Weg zur Unabhängigkeit

Vor der neuen Forschung musste CHIME seine eigenen Ergebnisse mit anderen Instrumenten überprüfen. Diese Vorsichtsmaßnahme war wichtig, weil CHIME den uralten Wasserstoffgas des Universums mit seinen eigenen Messwerten untersuchen wollte, unabhängig als ein separates Standard, der nicht von externen Teleskopen abhing.

Die Gruppe argumentierte, dass die Beobachtungen des Instruments ausschließlich nach ihrem eigenen Verdienst beurteilt werden sollten, ohne dass eine Bestätigung von externen Quellen erforderlich sei. Die neue Forschung demonstriert, dass dies möglich ist.

Was kommt als Nächstes

Die Forscher planen, die verbleibenden sieben Jahre der Beobachtungen von CHIME zu nutzen, um zusätzliche Daten für ihre Forschung zu Wasserstoffgas zu sammeln. Dadurch würde die Messung von Dunkler Energie über einen längeren Zeitraum erstreckt.

Die Fähigkeit des Teleskops, Dunkle Energie selbstständig zu messen, bedeutet, dass zukünftige Studien schneller und kostengünstiger durchgeführt werden können. Die Methode beruht auf den eigenen Instrumenten von CHIME, nicht auf externer Bestätigung.

Warum Dunkle Energie wichtig ist

Das Universum wächst immer schneller, und die mysteriöse Kraft, die diese Expansion antreibt, ist den Wissenschaftlern noch nicht vollständig verstanden. Jahrzehntelange Studien haben es nicht geschafft, Dunkle Energie vollständig zu erklären, obwohl die Forscher weiterhin nach verbesserten Methoden suchen, um sie zu messen.

Das Teleskop verfolgt einen neuartigen Weg, indem es die Ausbreitung von Wasserstoff im frühen Universum verfolgt, wodurch Wissenschaftler verfolgen können, wie Materie sich bewegte und wie sich die Expansion zu verschiedenen Zeitpunkten der kosmischen Geschichte verhielt.

Das 2%-Ergebnis bei neutralem atomarem Wasserstoff sticht im Vergleich zum Rest der Forschung hervor. Shaikh wies in seinen Bemerkungen auf dessen Übereinstimmung mit Beobachtungen hin, die von anderen Teleskopen gemacht wurden.

Der lange Weg zum Beweis

Es dauerte sieben Jahre, bis die Ergebnisse bestätigt werden konnten, aber die potenzielle Belohnung ist beträchtlich. Laut den Forschern könnte das Instrument den Wissenschaftlern ein kostengünstiges neues Mittel zur Untersuchung von Dunkler Energie bieten.

Das Team bewies durch seinen sorgfältigen Einsatz Erfolg. Sobald die Tests abgeschlossen waren, blieb das Signal bestehen.

Was wir bisher wissen

• Live Sciences Studie wurde am Montag (28. September) in The Astrophysical Journal veröffentlicht.
• Sie stützt sich auf Beobachtungen, die über 94 Nächte im Jahr 2019 gemacht wurden, die sorgfältig geprüft wurden, bevor sie veröffentlicht wurden.
• Das Teleskop erfasst Radiosignale bis zu 3 Milliarden Jahre nach dem Urknall.
• Etwa 2 % des Wasserstoffs liegen in neutraler atomarer Form vor, was weitgehend mit anderen Teleskopen übereinstimmt.
• Das Team plant, die weiteren sieben Jahre von CHIME-Beobachtungen in zukünftigen Forschungsarbeiten zu analysieren.

Sieben Jahre des Testbetriebs und 94 Nächte der Beobachtungen haben zu einem Meilensteinergebnis für CHIME geführt: Ein Teleskop, das ursprünglich zur Kartierung von altem Wasserstoff gebaut wurde, hat nun seine Fähigkeit unter Beweis gestellt, Dunkle Energie selbstständig zu messen.

Das Signal blieb bestehen.

Quelle: „CHIME-Teleskop erschließt neue Möglichkeit zur Erforschung der verwirrenden Ausdehnung des Universums“, Live Science.