Was ist die Digital Sky Survey?

Einfach gesagt, die Sloan Digital Sky Survey ist die ehrgeizigste astronomische Durchmusterung, die jemals unternommen wurde. Die Durchmusterung wird ein Viertel des gesamten Himmels detailliert kartografieren, und dabei die Positionen und absolute Helligkeiten von Hunderten von Millionen himmlischer Objekte festlegen. Sie wird auch die Entfernungen zu mehr als einer Million Galaxien und Quasaren messen.

Die SDSS behandelt faszinierende, grundlegende Fragen über das Universum. Mithilfe der Durchmusterung wird es den Astronomen möglich sein die großangelegten Muster der Galaxien zu sehen: Seiten und Leerräume durch das ganze Universum. Die Wissenschaftler haben viele Ideen darüber, wie sich das Universum entwickelt haben könnte, und verschiedene Muster von großangelegten Strukturen aus unterschiedlichen Theorien. Die Sloan Digital Sky Survey wird uns sagen, welche Theorien richtig sind - oder ob wir mit völlig neuen Ideen aufkommen müssen.

Das Universum kartografieren

Karten zu machen, ist eine zentrale Tätigkeit des menschlichen Wissens. Das letzte Jahrzehnt war Zeuge einer Explosion in Maßstab und Dichte der Unternehmungen der Kartenmacher, mit Bereichen so ungleich wie Vererbungslehre, Meeresforschung, Neurowissenschaft und Oberflächenphysik, die die Stärke der Computer anwendeten, um enorme und komplexe neue Territorien aufzuzeichnen und zu verstehen. Die Möglichkeit gewaltige Datenmengen in kurzen Zeit aufzunehmen und aufzuschließen, verändert das Bild der Wissenschaft. Die Sloan Digital Sky Survey wird diese moderne Anwendung des umfassenden Kartografierens zu der Kosmographie bringen, der Wissenschaft von der Kartografierung und der Einvernehmung des Universums.

Die SDSS wird die größte Karte der menschlichen Geschichte machen. Sie wird uns ein dreidimensionales Bild des Universums geben, von einen Umfang, der hundertmal größer als der bisher erforschte ist. Die SDSS wird auch die Entfernungen zu 100.000 Quasaren aufzeichnen, den entferntesten Objekten, die bekannt sind, und uns damit einen noch nie da gewesenen Hinweis auf die Verteilung der Materie am Rand des sichtbaren Universums geben. Die SDSS ist die erste großangelegte Durchmusterung, die elektronische Lichtdetektoren verwendet, weswegen die entstehenden Bilder erheblich empfindlicher und präziser sind als die früheren Durchmusterungen, die sich auf photographische Platten stützten. Die Ergebnisse der SDSS sind für die wissenschaftliche Gesellschaft und die allgemeine Öffentlichkeit elektronisch verfügbar, sowohl als Bilder, als auch in Form von genauen Katalogen aller entdeckten Objekte. Am Ende der Durchmusterung wird die Gesamtmenge der erstellten Daten ungefähr 15 Terabyte (Billion bytes) betragen, die mit dem Informationsgehalt in all den Büchern der Library of Congress wetteifern werden.

Indem die SDSS einen großen Teil des Himmels systematisch und feinfühlig beobachtet, wird sie einen entscheidenden Einfluss auf verschiedene astronomische Untersuchungen haben, wie die großangelegte Struktur des Universums, die Entstehung und Entwicklung der Galaxien, das Verhältnis zwischen dunkler und leuchtender Materie, die Struktur unserer eigenen Milchstraße, sowie die Eigenschaften und Verteilung des Staubs, aus dem Sterne, wie unsere eigene Sonne entstanden sind. Die SDSS wird ein neuer Bezugspunkt werden, ein Fachführer für das Universum, das von Wissenschaftlern die nächsten Jahrzehnte lang benutzt werden wird.

Die Wissenschaft der SDSS

Das heutige Universum ist mit Blättern von Galaxien gefüllt, die sich durch einen größtenteils leeren Raum biegen. Wie Seifenblasen in einer Spüle formen sie sich zu dichten Fasern mit Leerräumen dazwischen. Der Urknall, unser bestes Modell darüber, wie das Universum begann, gibt uns ein Bild eines Universums, das mit einer heißen, einheitlichen Suppe aus fundamentalen Partikeln gefüllt ist. Zwischen dem Anfang des Universums und heute, hat die Gravitationskraft irgendwie die Materie zu Bereichen von hoher Dichte zusammengezogen, und hinterließ somit Leerräume. Was hat diesen Wechsel von Eintönigkeit zu Struktur ausgelöst? Den Ursprung der Struktur, die wir heute im Universum sehen, zu verstehen, ist ein wichtiger Teil in der Nachvollziehung unserer kosmischen Geschichte.

Die Ordnung der Materie im Universum zu verstehen, wird dadurch erschwert, dass die leuchtenden Sterne und Galaxien, die wir sehen, nur ein kleiner Bestandteil des Ganzen sind. Mehr als 90% der Materie im Universum gibt kein Licht ab. Die Natur, Menge und Verteilung dieser "dunklen Materie" sind mitunter die wichtigsten Fragen der Astrophysik. Wie hat die Gravitation der dunklen Materie die sichtbaren Strukturen beeinflusst? Oder anders gesagt, wir können sorgfältige Karten von den Positionen und Bewegungen der Galaxien verwenden, um die Masseverteilung zu rekonstruieren, und daraus Hinweise über die dunkle Materie gewinnen.

Eine Karte des Universums

Eine der Schwierigkeiten das gesamte Universum zu untersuchen, ist genug Informationen zu bekommen, um ein Bild machen zu können. Astronomen haben die Sloan Digital Sky Survey erschaffen, um dieses Problem auf direkte und aufstrebende Weise anzugehen: die SDSS sammelt eine Menge an Daten, die groß und exakt genug ist, um die Bandbreite von astronomischen Fragen zu behandeln.

Die SDSS wird hochaufgelöste Bilder von einem Viertel des gesamten Himmels in fünf verschiedenen Farben einholen. Von diesen Bildern werden hochentwickelte Bildbearbeitungssoftwares die Form, Helligkeit und Farbe von Hunderten von Millionen astronomischer Objekte messen, eingenommen Sterne, Galaxien, Quasare (massive aber sehr helle Objekte, von denen gedacht wird, dass sie durch Materie, die in riesige schwarze Löcher fällt, angetrieben werden), und eine Reihe anderer himmlischer Exoten. Ausgewählte Galaxien, Quasare und Sterne sollen mithilfe eines Instruments, das Spektrogramm genannt wird, beobachtet werden, um die exakten Entfernungen zu einer Million Galaxien und 100.000 Quasaren zu bestimmen, und um einen Reichtum an Informationen über einzelne Objekte zu bieten. Diese Daten werden der astronomischen Gesellschaft eins der Dinge geben, die sie am allermeisten braucht: einen umfassenden Katalog über die Bestandteile eines charakteristischen Bereichs des Universums. Die Karte der SDSS wird aufdecken, wie groß die größten Strukturen in unserem Universum sind, und wie sie aussehen. Sie wird uns helfen den Mechanismus zu verstehen, der eine einheitliche "uranfängliche Suppe" in ein schaumiges Netzwerk aus Galaxien verwandelte.

Eine intergalaktische Zählung

Das U.S. Census Bureau sammelt statistische Informationen darüber, wie viele Menschen in den USA leben, wo sie wohnen, ihre Herkunft, ihr Familieneinkommen und noch andere Besonderheiten. Diese Volkszählung wird zu einer primären Quelle von Informationen für Leute, die versuchen die Nation zu verstehen. Die Sloan Digital Sky Survey wird eine Art himmlische Zählung durchführen, die Informationen darüber sammelt, wie viele Galaxien und Quasare das Universum enthält, wie sie verteilt sind, ihre individuellen Eigenschaften, und wie hell sie sind. Die Astronomen werden diese Informationen dazu benutzen, um Fragen zu untersuchen, wie zum Beispiel, warum flache Spiralgalaxien in weniger dichten Gebieten des Universums gefunden werden als footballförmige elliptische Galaxien, oder wie Quasare sich in der Geschichte des Universums verändert haben.

Die SDSS wird auch Informationen über die Milchstraße und sogar über unser eigenes Solarsystem erlangen. Das weite Netz, das von dem SDSS Teleskop ausgeworfen wird, wird so viele Sterne wie Galaxien einfangen, und so viele Asteroiden in unserem Solarsystem, wie Quasare im ganzen Universum. Das Wissen um diese Objekte wird uns helfen zu lernen, wie Sterne in unserer Galaxie verteilt sind, und wo Asteroide in der Geschichte unseres Solarsystems einzuordnen sind.

Nadeln in einem Heuhaufen, Leuchttürme im Nebel

Das Spektrum eines seltenen "Kohlenstoffsterns". Für ein größeres Bild anklicken.

Seltene Objekte sind schon von der Definition her wissenschaftlich interessant. Indem Wissenschaftler die etlichen hundert Millionen Objekte aussieben, die von der SDSS aufgenommen werden, wird es ihnen möglich sein, ein vollständiges Verzeichnis der am weitesten entfernten Quasare zu erstellen, den seltensten Sternen, und den ungewöhnlichsten Galaxien. Die ungewöhnlichsten Objekte in diesem Verzeichnis werden ungefähr einhundert mal seltener sein, als die seltensten Objekte, die zur Zeit bekannt sind.

Zum Beispiel sind Sterne mit einer chemischen Verbindung, die sehr arm an Metallen wie Eisen ist, die ältesten in der Milchstraße. Sie können uns deswegen Aufschluss über die Entstehung unserer Galaxie geben. Jedoch sind solche Sterne extrem selten, und nur eine breitgefächerte tiefe Himmelsdurchmusterung kann genug von ihnen finden, um ein schlüssiges Bild zu formen.

Weil sie so weit entfernt sind, können Quasare als Tester für intergalaktische Materie durch das ganze sichtbare Universum dienen. Insbesondere können Astronomen Galaxien insofern identifizieren und untersuchen, dass diese bestimmte Lichtwellenlängen abblocken, die von Quasaren hinter ihnen emittiert wurden. Mit der Verwendung des Lichts von Quasaren, wird die SDSS zehn Tausende Galaxien im Anfangsstadium der Entwicklung entdecken. Diese Galaxien sind zu schwach und zu undeutlich, dass ihr eigenes Licht selbst von den größten Teleskopen entdeckt wird. Quasar-Untersuchungen werden es Wissenschaftlern auch erlauben die Entwicklung der Chemie des Universums in dessen Geschichte zu erforschen.

Das Teleskop als Zeitmaschine

Das Universum durch ein Teleskop hindurch zu beobachten, macht es uns nicht nur möglich ins All zu schauen, sondern auch zurück in die Zeit. Stell dir intelligente Wesen in einem Planetensystem um einen Stern vor, der 20 Lichtjahre entfernt ist. Angenommen diese Wesen schnappen eine verirrte Fernsehübertragung von der Erde auf. Sie würden Ereignisse sehen, die 20 Jahre zuvor auf der Erde geschehen sind: zum Beispiel, eine Nachrichtensendung, die Ronald Reagans Wiederwahl (1984) behandelt, würde 20 Jahre später (2004) gesehen werden. Während wir heutzutage drei neue Präsidenten gesehen haben, würden die Wesen immer noch Reagan sehen.

Licht bewegt sich extrem schnell, aber das Universum ist ein sehr großer Platz. Tatsächlich betrachten Astronomen routinemäßig Quasare, die so weit weg sind, dass es Milliarden Jahre dauert, bis ihr Licht uns erreicht. Wenn wir Galaxien oder Quasare anschauen, die Milliarden Lichtjahre entfernt sind, sehen wir sie so wie sie vor Milliarden Jahren ausgesehen haben.

Indem Astronomen Galaxien und Quasare in verschiedenen Entfernungen beobachten, können sie sehen, wie sich ihre Eigenschaften mit der Zeit verändern. Die SDSS wird die Verteilung von nahegelegenen Galaxien messen, und es somit Astronomen ermöglichen sie mit weiter entfernten Galaxien zu vergleichen, die jetzt mit neuen Instrumenten gesehen werden können, wie dem Hubble Space Teleskop und dem Keck Teleskop. Weil Quasare sehr hell sind, wird es die SDSS ermöglichen, ihre Entwicklung durch mehr als 90% der Geschichte des Universums zu untersuchen.

Die Messung von Entfernung und Zeit: Rotverschiebung

Das Universum expandiert so, wie sich ein Laib Rosinenbrot im Ofen hebt. Such dir eine Rosine aus, und stell dir vor sie wäre unsere Milchstraße. Wenn du dich selbst anstelle der Rosine denkst, dann egal wie du den Laib betrachtest, während sich das Brot hebt, bewegen sich alle anderen Rosinen von dir weg. Um so weiter eine andere Rosine von dir entfernt ist, desto schneller bewegt sie sich weg. Auf die selbe Weise bewegen sich die anderen Galaxien von unserer weg, während das Universum expandiert. Und da das Universum gleichmäßig expandiert gilt, je weiter eine Galaxie von der Erde entfernt ist, desto schneller weicht sie von uns zurück.

Das Licht, das von diesen entfernten Objekten zu uns kommt, ist zum roten Ende des elektromagnetischen Spektrums hin verschoben, auf dieselbe Weise wie sich der Ton einer Zugpfeife verändert, wenn der Zug wegfährt oder sich einem Bahnhof annähert. Umso schneller sich ein entferntes Objekt bewegt, desto stärker ist es rotverschoben. Astronomen messen den Betrag der Rotverschiebung in dem Spektrum einer Galaxie, um herauszufinden, wie weit diese von uns entfernt ist.

Indem die Sloan Digital Sky Survey die Rotverschiebungen von einer Million Galaxien misst, wird sie ein dreidimensionales Bild unserer lokalen Nachbarschaft im Universum erstellen.