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Moderne Kosmologie
Man hath weav'd out a net, and this net throwne
Upon the Heavens, and now they are his owne.
John Donne

Schwerkraft und Enten

Wenn man sich die Karte über die Verteilung der Galaxien im Universum anschaut, könnte man überrascht sein zu sehen, dass die Galaxien nicht einheitlich gelegen sind, sondern sich häufen. Aber es ist nicht allzu überraschend, dass die Galaxieverteilung nicht einheitlich ist; wären Galaxien gleichförmig, dann wäre das Universum wie ein großer Kristall aufgebaut. Keine bekannten physikalischen Gesetze würden zu solch einem kristallinen Universum führen.

Die Verteilung der Galaxien in einem Streifen der spektroskopischen SDSS Durchmusterung

Um zu verstehen, wie sich Galaxien häufen, denke man sich die Verteilung von Enten auf einem Teich. Während einige Enten sich selbstständig auf den Weg machen, findet man die meisten Enten den Großteil der Zeit in kleinen Gruppen aus zwei oder drei oder mehreren, die lieber zusammen unterwegs sind. Enten bevorzugen es sich zu gruppieren, und dieses Verhalten ist kein Ergebnis des Zufalls. Enten neigen dazu in der Nähe der anderen zu sein.

Genau wie Enten gruppieren sich Galaxien nicht zufällig, sondern weil sie in der Nähe voneinander sein wollen. Natürlich haben Galaxien, im Gegensatz zu Enten, kein Verlangen; die Sache die sie "wollen" lässt, ist die Schwerkraft. Da die Gravitation immer anziehend wirkt, ziehen sich die Galaxien gegenseitig an. Während das Universum also altert und sich entwickelt, würde man erwarten, dass sich die Galaxien immer stärker häufen.

Das Anhäufen wird verstanden und vermessen im Ausdruck der Statistik. Wenn zum Beispiel ein Biologe das Gruppenverhalten von Enten studieren will, muss er oder sie viele Anhäufungen von Enten zu vielen verschiedenen Zeiten auf vielen unterschiedlichen Teichen untersuchen. Wenn ein Astronom die Anhäufung von Galaxien studieren will, muss er oder sie eine sehr große systematische Durchmusterung, eine Karte, davon haben, wo Galaxien sind. Die Sloan Digital Sky Survey wird solch eine Karte bereitstellen.

Mithilfe der SDSS Karte wird es Astronomen möglich sein eine wichtige Frage über die großangelegte Struktur des Universums zu beantworten: mit was für einem großen Maßstab muss man das Universum betrachten, bis es anfängt einheitlich auszusehen?

Die Astronomen waren nicht sonderlich überrascht herauszufinden, dass unsere eigene Galaxie, die Milchstraße, ein Mitglied einer Gruppe von etwa zwanzig Galaxien war. Sie waren auch nicht überrascht, als sie entdeckten, dass unsere lokale Gruppe ein Mitglied eines Haufens von über zweitausend Galaxien war. Aber sie erwarteten, ein gut gegliedertes und sinnvolles Phänomen vorzufinden, wenn sie das Universum in einem großen Umfang betrachteten. Sie erwarteten nicht das perfekt angeordnete Universum vorzufinden, das sich die antiken Griechen ausgemalt hatten, aber sie glaubten, sobald sie über ihre lokale Nachbarschaft hinausgesehen haben, innerhalb von ein paar hundert Millionen Lichtjahren, würden die durchschnittlichen Eigenschaften des Universum vorhersehbar werden.

Die Anhäufung in drei
ansteigenden Ausmaßen:
Gruppe, Haufen,
Superhaufen

Die größten Strukturen?

Als jedoch größere und tiefere Himmelsdurchmusterung in den 80er und 90er Jahren durchgeführt wurden, waren Astronomen überrascht herauszufinden, dass es Haufen von Haufen, oder Supergalaxiehaufen gab, die riesige Wände und dünne Blätter bildeten, die große Gebiete einkreisten, mit sehr wenigen Galaxien darin, den sogenannten Leerräumen. Mit den größten bisherigen Maßstäben betrachtet, sieht die Verteilung der Galaxien wie ein gigantischer Schaum aus Seifenblasen aus.

Eine der grundlegenden astronomischen Fragen von heute ist, "Was ist die größte Struktur des Universums?" Wir haben Galaxiehaufen und Superhaufen gefunden, und sogar Haufen von Supergalaxiehaufen, aber gibt es auch Superhaufen von Superhaufen, und so weiter? In anderen Worten, bei welchem Umfang scheinen Galaxien, oder Galaxiehaufen, willkürlich verteilt zu sein?

Diese Frage ist wichtig, um die Entstehung und Entwicklung des Universums zu verstehen. Einige der grundlegendsten Vorhersagen der Theorie des frühen Universums beschäftigen sich damit, wie die Materie am Anfang verteilt war. Da die heutige Galaxieverteilung, sich aus dieser anfänglichen Verteilung heraus entwickelte, ist das jetzige Wissen über die großangelegte Verteilung und Anhäufung von Galaxien, eine der wenigen Überprüfungen, die zwischen verschiedenen Theorien des frühen Universums unterscheiden können.

Die Sloan Digital Sky Survey wurde deswegen gegründet, um genau diese wesentlichen Messungen zu machen. Indem man systematisch ein weites Gebiet in großer Entfernung beobachtet, sollten Wissenschaftler dazu in der Lage sein, die Menge der Anhäufungen in all diesen Maßstäben zu messen, und ihre Ergebnisse dafür zu verwenden, um Theorien über das frühe Universum aufzustellen.

Rauschen und Galaxiehaufen

Aber wenn die SDSS beweisen sollte, dass die Astronomen recht haben und das Universum über die größten Maßstäbe gleichförmig ist, warum bilden dann Galaxien Haufen und Superhaufen in kleineren Maßstäben? Die Antwort zu dieser Frage liegt in Prozessen, die statistisches Rauschen erzeugen, die entsprechende Beispiele im alltäglichen Leben haben.

Beispielhaft dafür ist der Ton von Störungen auf einem alten Radio, oder das Geräusch eines Wasserfalls, oder die Verbreitung von Wellen auf der Meeresoberfläche. In jedem dieser Fälle, ist jedes Mal wenn man lauscht oder zuschaut, das was man hört oder sieht anders als das was man davor gehört oder gesehen hat. Dennoch ist es offensichtlich, dass man denselben Wasserfall oder dasselbe Radio hört, oder dasselbe Meer beobachtet.

In allen diesen Fällen sind die statistischen Eigenschaften der Töne oder Wellen dieselben. Nehmen wir das Meer als Beispiel, obwohl sich die Wasseroberfläche stets verändert, hat die Verteilung der Anzahl der Wellen und ihrer Höhen wohldefinierte durchschnittliche Eigenschaften. Indem man sehr große Teile des Meeres auf einmal, oder kleine Bereiche für eine lange Zeit beobachtet, kann man die allgemeinen Eigenschaften der Meereswellen ausrechnen.


Ein Kräftespektrum, das zeigt, wie Wellen mit unterschiedlichen Wellenlängen zu einem Ganzen mitwirken. Das statistische Rauschen zeigt sich bei kürzeren Wellenlängen. Solch ein Kräftespektrum wie dieses kann dazu verwendet werden, Meereswellen zu analysieren - oder die Struktur des Universums.

Astronomen, die mit den Daten der Sloan Digital Sky Survey arbeiten, werden eine ähnliche Analyse zu den Verteilungen der Galaxien durchführen, offenbart in ihrer Karte des Universums. Genauso wie die Wellen in einem Bereich des Meeres Aufschluss über die Wassertiefe oder die Windstärke geben können, kann die Art wie sich Galaxien anhäufen Kosmologen eine Menge darüber sagen, wie die Materie im frühen Universum verteilt war, und welche physikalischen Vorgänge stattfanden, um die Galaxiehaufen seit dann zu verändern.

Das Wissen darüber, wie sich Galaxien anhäufen, kann Kosmologen ebenso über andere grundlegende Eigenschaften des Universum informieren. Zum Beispiel wird es Kosmologen möglich sein, diese Daten zu nutzen, um die Dichte des Universums auszurechnen. Die Dichte des Universums zu kennen, wird ihnen helfen, sich unter verschiedenen Theorien über dunkle Materie zu entscheiden, was ihnen ermöglichen wird das endgültige Schicksal des Universums vorherzusagen.