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Abb. 1:
Simulierte CMB-Karte (oben) und Simulation der projizierten
Dichteverteilung, ähnlich dem NVSS AGN-Katalog (unten). Wie
theoretisch erwartet, zeigen beide Karten besonders auf großen Skalen
Ähnlichkeiten. Diese künstlichen Karten zeigen nur Fluktuationen auf
Skalen über ~12 Grad, wodurch die Ähnlichkeiten sogar für das bloße
Auge sichtbar sind. Die grauen Bereiche werden in der Analyse von
echten Beobachtungsdaten ausgeschlossen (siehe Abb. 2).
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Abb. 2:
Oben: Echte Beobachtungsdaten des CMB von WMAP (7. Jahr, V-Band); und
die projizierte Dichte echter AGNs im NVSS-Katalog (unten). Grau
einfärbte Bereiche wurden in der Analyse ausgeschlossen, da hier
entweder keine Daten oder eine hohe Kontamination durch andere
astrophysikalische Quellen vorlagen. Im Gegensatz zu Abb. 1 scheint es
hier keine Ähnlichkeiten zu geben, was durch eine statistische Analyse
bestätigt wird.
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Abb. 3:
Ausmaß der winkelabhängigen Fluktionen in der Verteilung der NVSS-AGNs
für verschiedene Multipole (l). Bei kleinen Multipolen (und
dementsprechend auf großen Skalen) scheint es ein deutliches Übermaß
im Verleich zu theoretischen Vorhersagen (schwarze, durchgezogene
Linie) zu geben. Die schwarzen, roten und grünen Symbole entsprechen
AGNs bei verschiedenen minimalen Flussdichten: 2,5, 30 und 60 mJy. Der
Überschuss der roten und grünen Symbole bei hohen Multipolen (auf
kleinen Skalen) ist gut verstanden: Dieser Effekt beruht auf der
relativ kleinen Anzahl an AGNs oberhalb dieser Grenzen.
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Radiogalaxien mit aktiven galaktischen Kernen beherbergen in ihrem
Inneren ein extrem massereiches Schwarzes Loch, das Materie aus seiner
Umgebung auf sich zieht. Diese aktiven Galaxien (AGN vom englischen
“active galactic nuclei”) wurden bis zu sehr großen
Entfernungen gefunden, als das Universum weniger als die Hälfte seines
heutigen Alters hatte. Andere Beobachtungen zeigen, dass zu dieser
Zeit eine andere Komponente als Materie und Strahlung anfing das
Universum zu dominieren, die sogenannte “Dunkle Energie”,
die der gravitativen Anziehung entgegenwirkt und so die Ausdehnung des
Universums beschleunigt.
Diese Dunkle Energie wird derzeit intensiv erforscht. Groß angelegte,
derzeitige und geplante Beobachtungskampagnen bei optischen
Wellenlängen versuchen die Eigenschaften der Dunklen Energie zu
charakterisieren, indem sie untersuchen, wie diese Komponente das
Gravitationslinsensignal oder die Häufung von Galaxien beeinflusst,
oder indem sie direkt die Ausdehnungsrate zu verschiedenen
kosmologischen Epochen messen. Eine klare Vorhersage für die Dunkle
Energie ist, dass diese das Wachstum der gravitativen Potentialtöpfe
auf großen Skalen beeinflussen sollte, wenn sie tatsächlich die
Ausdehnung des Universums beschleunigt. In einem Universum mit einer
flachen Geometrie wie dem unseren sollten die Potentialtöpfe ohne
Dunkle Energie konstant bleiben: Ihr Wachstum durch die gravitative
Verstärkung von Überdichten wird gerade durch die Ausdehnung des
Raumes kompensiert. Wenn allerdings die Dunkle Materie dominiert und
die Ausdehnung des Universums beschleunigt, so sollten diese
Potentialtöpfe flacher werden, zumindest auf sehr großen Skalen.
Diese Verflachung der Potentialtöpfe sollte einen beobachtbaren Effekt
auf die Intensitätsanisotropien der kosmischen
Mikrowellenhintergrundstrahlung (CMB) haben. Diese Strahlung wurde zu
sehr frühen Zeiten ausgesandt — nur etwa 380 000 Jahre nach dem
Urknall — und muss auf ihrem Weg zu uns das gesamte sichtbare
Universum durchqueren. Insbesondere müssen die CMB-Photonen die sich
entwickelnden Potentialtöpfe durchqueren. Wenn diese während der
Durchquerungszeit flacher geworden sind, sollten die Photonen Energie
gewonnen haben, da sie einen Potentialtopf verlassen, der bei ihrem
Austritt weniger tief ist als bei ihrem Eintritt. Diese gravitative
“Blauverschiebung” des CMB ist unter dem Namen
“integrierter Sachs-Wolfe-Effekt” (ISW) bekannt.
Die Anzahl der gravitativen Potentialtöpfe ist je nach Sichtlinie am
Himmel unterschiedlich; dies bedeutet, dass der ISW-Effekt
Anisotropien in der winkelabhängigen Intensitätsverteilung des CMB
hervorrufen sollte. Wenn sich nun Galaxien und AGNs bevorzugt in genau
diesen Potentialtöpfen bilden, so sollte es eine Korrelation geben
zwischen den CMB-Anisotropien und der Verteilung der AGNs. Diese
Ähnlichkeit ist in Abbildung 1 in zwei simulierten Karten für die
Strahlung des CMB und die Dichtefluktuationen von Radiogalaxien mit
aktiven galaktischen Kernen gezeigt, nachdem kleinskalige Anisotropien
herausgefiltert wurden. Auf großen Winkelskalen (was auch großen
gravitativen Potentialtöpfen entspricht) zeigen beide Karte gewisse
Ähnlichkeiten, die durch eine statistische Analyse auch mit hoher
Signifikanz nachgewiesen werden können.
Wendet man die gleiche Statistik aber auf reale Beobachtungsdaten an,
so zeigen sich keine signifikanten Ähnlichkeiten zwischen diesen
beiden Karten. Abbildung 2 zeigt reale CMB-Daten (gemessen vom
WMAP-Satelliten) und die Winkelverteilung der Objekte im NVSS-Katalog
(NRAO VLA Sky Survey), der etwa 1,6 Millionen außergalaktische
Radioquellen enthält, von denen über 99% AGNs sein sollten.
Was aber bedeutet diese Diskrepanz? Der CMB wurde bereits vielfach mit
theoretischen Vorhersagen verglichen und bisher zeigte sich im Großen
und Ganzen eine gute Übereinstimmung. Andererseits zeigen die
Fluktuationen der NVSS-Quellen auf großen Skalen ein deutliches
Übermaß gegenüber den Vorhersagen (Abb.3). Da dieser Überschuss sich
unabhängig von verschiedenen Schwellenwerten für die Flussdichten
zeigt (d.h. auch die hellsten, am besten beobachteten Quellen zeigen
dieses seltsame Verhalten), scheint ein systematischer Effekt aufgrund
der Beobachtung unwahrscheinlich — wenn auch nicht unmöglich.
Lässt sich dieses Übermaß der Anisotropien von Radiogalaxien mit
aktiven galaktischen Kernen auf großen Skalen mit dem vergleichen, das
kürzlich im Sloan-Katalog für leuchtstarke rote Galaxien gefunden
wurde? Ist dieses Übermaß ein Zeichen für eine intrinsische,
nicht-Gauss’sche Verteilung der Materie in unserem Universum?
Können wir aus diesem Ergebnis Folgerungen für die geheimnisvolle
Dunkle Energie ableiten? Alle diese spannenden Fragen werden derzeit
untersucht.
Carlos Hernandez-Monteagudo
Weiter Informationen:
Carlos Hernandez-Monteagudo,
"Revisiting the WMAP-NVSS angular cross correlation. A skeptic's view",
Astronomy & Astrophysics, 520, 101 (2010),
arxiv:0909.4294
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