The Redshift-Space Cluster-Galaxy Cross-Correlation as a Probe of Gravity on Cosmic Scales

Seit Jahrzehnten ist das drängendste Rätsel der Kosmologie die beschleunigte Expansion des Universums. Wissenschaftler wissen, dass sich der Kosmos immer schneller ausdehnt, aber sie sind uneins darüber, warum. Eine Möglichkeit ist, dass das Universum mit einer mysteriösen, abstoßenden Energie gefüllt ist, die den Raum auseinanderdrückt. Die andere ist, dass unser Verständnis der Gravitation selbst unvollständig ist. Albert Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie hat jede Test angehalten, die ihr entgegengeworfen wurde – von der Bewegung der Planeten bis hin zur Kollision von Schwarzen Löchern –, aber sie könnte auf den gewaltigen Skalen des Kosmos versagen. Wenn sich die Gravitation auf diesen riesigen Skalen anders verhält, würde dies die Gesetze der Physik umschreiben. Um die Antwort zu finden, müssen Forscher die Gravitation in Aktion beobachten, insbesondere wie sie Materie zusammenzieht, um die massiven Strukturen zu bilden, die das Universum durchsetzen.

Das Universum ist kein glatter, leerer Hohlraum; es ist ein Netz aus Filamenten und Klumpen. An den Schnittpunkten dieses Netzes sitzen Galaxienhaufen, die massivsten Strukturen überhaupt, die hunderte oder tausende von Galaxien enthalten, die durch die Gravitation zusammengehalten werden. Wenn Galaxien auf diese massiven Cluster zustürzen, beschleunigen sie, wodurch ein Materiestrom entsteht, der als Infall (Einfall) bekannt ist. In der Standardtheorie der Gravitation wird die Geschwindigkeit dieses Infalls präzise durch die Masse des Clusters bestimmt. Sollte die Gravitation jedoch in bestimmten Umgebungen stärker sein als von Einstein vorhergesagt, würden diese Galaxien schneller einfallen. Durch die Messung, wie schnell Galaxien auf Cluster zuströmen, können Astronomen testen, ob die Gravitation genau so reagiert, wie erwartet, oder ob sie Anzeichen einer „fünften Kraft“ zeigt, die die Spielregeln verändert.

Ein Team von Forschern hat nun leistungsstarke Computersimulationen genutzt, um vorherzusagen, wie gut die Beobachtungen eines neuen, massiven Teleskop-Surveys durchgeführt werden können. Die Studie konzentriert sich auf das Dark Energy Spectroscopic Instrument, oder DESI, das derzeit die Positionen und Geschwindigkeiten von Millionen von Galaxien kartiert. Die Forscher bauten ein detailliertes virtuelles Universum unter Verwendung der AbacusSummit-Simulationen, einer Suite von Supercomputer-Modellen, die die Bewegung von Dunkler Materie und Galaxien verfolgen. Sie besiedelten diese virtuelle Welt mit künstlichen Galaxien und Clustern, die die spezifischen Arten von Objekten nachahmten, die DESI beobachten wird. Ihr Ziel war es zu sehen, ob die Daten von DESI präzise genug wären, um selbst kleinste Abweichungen in der Geschwindigkeit der einfallenden Galaxien zu detektieren, was ein Signal für ein Versagen der Allgemeinen Relativitätstheorie wäre.

Die Forscher konzentrierten sich auf eine spezifische Art der Datenauswertung: die Rotverschiebungs-Raum-Kreuzkorrelation zwischen Galaxien und Clustern. In der Astronomie ist „Rotverschiebung“ ein Maß dafür, wie schnell ein Objekt aufgrund der Expansion des Universums von uns wegdriftet, aber sie wird auch durch die eigene Bewegung des Objekts durch den Raum beeinflusst. Wenn Galaxien auf einen Cluster zustürzen, verzerrt ihre Bewegung die scheinbare Form des Clusters in den Daten, indem sie ihn je nach Richtung des Flusses streckt oder staucht. Diese Verzerrung ist ein direkter Fingerabdruck der wirkenden Gravitationskraft. Das Team simulierte diesen Effekt und erstellte eine virtuelle Karte davon, wie Galaxien und Cluster angeordnet sind und wie ihre Bewegungen diese Anordnung verzerren. Sie testeten dann, wie empfindlich diese Karte gegenüber Änderungen der Stärke der Gravitation wäre, dargestellt durch einen einzelnen Faktor, der den Infall beschleunigen oder verlangsamen könnte.

Die Ergebnisse der Vorhersage sind vielversprechend. Die Studie legt nahe, dass der DESI-Survey in der Lage sein wird, die Stärke der Gravitation in diesen Regionen des Cluster-Infalls mit einer Präzision von etwa 3,3 Prozent zu messen. Diese Genauigkeit stellt einen bedeutenden Fortschritt gegenüber früheren Versuchen mit älteren Surveys dar, die durch statistisches Rauschen begrenzt waren und viele alternative Gravitationstheorien nicht ausschließen konnten. Mit dieser neuen Präzision fanden die Forscher heraus, dass DESI zwischen der Standard-Allgemeinen Relativitätstheorie und mehreren populären Theorien der modifizierten Gravitation, wie etwa der f(R)-Gravitation und der Galileon-Gravitation, mit einem hohen Maß an Zuverlässigkeit unterscheiden könnte. Speziell wären die Daten stark genug, um diese alternativen Modelle abzulehnen, falls sie wahr wären, oder sie zu bestätigen, falls das Universum sich tatsächlich anders verhält, als Einstein es vorhergesagt hat.

Eine große Herausforderung in dieser Art von Forschung besteht darin, das Signal der Gravitation von den unordentlichen Details zu trennen, wie Galaxien entstehen und in Dunkle-Materie-Halos leben. Die Forscher mussten viele Unsicherheiten berücksichtigen, wie etwa die Verteilung von Galaxien innerhalb von Clustern und wie genau man die Masse eines Clusters basierend auf dem Sichtbaren schätzen kann. Sie fanden heraus, dass diese Unsicherheiten das Bild zwar verkomplizieren, aber das Signal der Gravitation nicht verbergen. Das bedeutendste Hindernis erwies sich als die Unsicherheit im Zusammenhang zwischen den sichtbaren Eigenschaften eines Clusters und seiner wahren Masse. Wenn diese Beziehung nicht gut verstanden ist, kann sie den Effekt modifizierter Gravitation imitieren. Durch die Kombination der Messung von Galaxienbewegungen mit der Gesamtzahl der beobachteten Cluster zeigten die Forscher jedoch, dass diese Verwirrung aufgelöst werden kann, sodass das wahre Gravitationssignal klar hervortreten kann.

Die Studie untersuchte auch, wie gut der Survey die fundamentalen Eigenschaften des Universums messen kann, wie etwa die Menge der Materie, die es enthält, und wie klumpig diese Materie ist. Die Vorhersage deutet darauf darauf hin, dass dieselben Daten, die zur Prüfung der Gravitation verwendet werden, auch sehr enge Einschränkungen für diese kosmologischen Parameter liefern werden, mit einer Genauigkeit von etwa 1 Prozent. Entscheidend ist, dass die Messungen der Gravitation und die Messungen der Zusammensetzung des Universums nicht miteinander verstrickt sind; sie können unabhängig voneinander bestimmt werden. Das bedeutet, dass Wissenschaftler nicht die Menge der Materie im Universum erraten müssen, um die Gravitation zu testen, noch müssen sie eine spezifische Theorie der Gravitation annehmen, um den Inhalt des Universums zu messen.

Mit Blick auf die Zukunft betonen die Forscher, dass diese Vorhersage eine Simulation dessen ist, was passieren wird, und keine Messung dessen, was bereits geschehen ist. Der nächste Schritt besteht darin, diese Methoden auf die echten Daten anzuwenden, die DESI derzeit sammelt. Das Team plant, anspruchsvollere Werkzeuge zur Interpretation der Daten zu entwickeln, einschließlich besserer Modelle dafür, wie Cluster ausgewählt werden und wie sich Galaxien in ihnen bewegen. Sie beabsichtigen auch, diese Ideen über verschiedene Entfernungen im Universum zu testen, um zu prüfen, ob sich die Stärke der Gravitation über die Zeit verändert. Sollten die Vorhersagen Bestand haben, wird der DESI-Survey einer der direktesten und kraftvollsten Tests der Gravitation sein, der jemals durchgeführt wurde, und jene unsichtbaren Kräfte erforschen, die den Kosmos auf Skalen formen, auf denen Einsteins Theorie vielleicht endlich ihre Grenzen aufzeigt.