Montag, 9. Februar 2015

Planck-Observatorium liefert bislang genaueste Karten des kosmischen Mikrowellenhintergrunds - Nachweis von Gravitationswellen widerlegt


Diese Karte zeigt die Polarisation des kosmischen Mikrowellenhintergrunds (CMB), wie sie von "Planck" über den gesamten Himmel vermessen wurde. Ein kleiner Bruchteil der Strahlung ist polarisiert – das Licht schwingt in einer bevorzugten Richtung. In diesem Bild repräsentiert die Farbskala Temperaturdifferenzen, während die Textur die Richtung des polarisierten Lichts andeutet. Die dabei sichtbaren Muster sind charakteristisch für Polarisation im sogenannten E-Modus, die dominierende Form der Polarisation im CMB. | ESA and the Planck Collaboration

Garching (Deutschland) - Auf der Grundlage der Daten des europäischen Weltraumobservatoriums "Planck" haben Wissenschaftler die bislang genauesten bzw. detailreichsten Karten des kosmischen Mikrowellenhintergrunds, und damit des sogenannten "Urknall-Echos" erstellt. Die neuen Karten zeigen den gesamten Himmel im polarisierten Licht des frühen Universums. Sie zeigen auch, dass die ersten Sterne rund 100 Millionen Jahre später geboren wurden als bisher angenommen und erlauben zugleich neue Einblicke in unsere Milchstraße, deren Staub spektakuläre Ansichten galaktischer Magnetfelder liefert. Die neuen Daten widerlegen zugleich die erst kürzlich verkündete Entdeckung von Gravitationswellen.

An der Entwicklung und Auswertung der Missionsdaten des Planck-Satelliten waren und sind auch Wissenschaftler am Garchinger Max-Planck-Institut für Astrophysik beteiligt. Zu den Hintergründen der Planck-Mission erläutert die Pressemitteilung des Instituts:


"Die Geschichte unseres Universums begann vor 13,8 Milliarden Jahren. Will man seine Entwicklung verstehen, muss man den kosmischen Mikrowellenhintergrund (auch CMB genannt, von englisch Cosmic Microwave Background) analysieren. Dieses fossile Licht ging nur 380.000 Jahre nach dem Urknall auf die Reise, als das Weltall noch sehr heiß und dicht war. Durch die Expansion des Kosmos sehen wir dieses Licht heute über dem gesamten Himmel im Spektralbereich der Mikrowellen.


Von 2009 bis 2013 erstellte Planck mehrere komplette Himmelskarten dieser urzeitlichen Strahlung in bisher unerreichter Genauigkeit. Winzige Temperaturunterschiede zwischen den verschiedenen Regionen zeigen dabei, dass die Dichte im frühen Kosmos nicht ganz gleichförmig war – und aus diesen kleinen Fluktuationen entstanden alle zukünftigen Strukturen: die Sterne und Galaxien von heute."


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Seit zwei Jahren nun gelingt es den internationalen Forschern der sog. Planck-Kollaboration mit den Daten des Observatoriums das kosmologische Standardmodell unseres Universums mit immer höherer Genauigkeit zu bestätigen.

"Die detaillierte Karte der CMB-Temperaturstrukturen kann als eines der Schlüsselergebnisse der Wissenschaft des 21. Jahrhunderts betrachtet werden", kommentiert Simon D.M. White, Direktor am Max-Planck-Institut für Astrophysik und Co-Investigator von Planck. "Das Bild zeigt uns die Grenzen unseres Universums, als dieses nur ein 40.000stel seines heutigen Alters besaß."


Darüber hinaus offenbart der kosmische Mikrowellenhintergrund auch Hinweise auf unsere kosmische Geschichte, die in seiner Polarisation codiert sind: "Planck hat dieses Signal zum ersten Mal mit einer hohen Auflösung über den gesamten Himmel vermessen und diese einzigartigen Karten ermöglicht", erläutert der ESA-Planck-Projektwissenschaftler Jan Tauber.



Detailansicht eines Ausschnitts des kosmischen Mikrowellenhintergrunds mit einer Seitenlänge von fünf Grad. | Copyright: ESA and the Planck Collaboration

"Licht wird polarisiert, wenn es in einer bevorzugten Richtung schwingt", erläutert die Pressemitteilung der Forscher weiter. "Dies kann die Folge sein, wenn Lichtteilchen (Photonen) von anderen Partikeln wie Elektronen abprallen. Genau das passierte mit dem CMB im frühen Universum. Plancks Polarisationsdaten bieten einen unabhängigen Weg, die kosmologischen Parameter zu messen und bestätigen damit die Details des sogenannten Standardmodells, wie es aus den CMB-Temperaturschwankungen bestimmt worden war.


Auf seinem Weg durch Raum und Zeit wurde das CMB-Licht aber auch durch die ersten Sterne beeinflusst - und die Polarisationsdaten deuten nun an, dass diese ersten Sterne etwa 550 Millionen Jahre nach dem Urknall zu leuchten anfingen. Damit begannen sie durch ihre Strahlung, das kosmische Gas allmählich zu reionisieren und leiteten das Ende des Dunklen Zeitalters ein. Dank Planck wissen wir also nun, dass dies mehr als 100 Millionen Jahre später geschah, als bisher angenommen."


Mit diesem Ergebnis ist es den Wissenschaftlern nun auch gelungen, ein bislang astronomisches Rätsel zu lösen: Während bisherige Studien der CMB-Polarisation eine frühere Geburt der ersten Sterne nahelegten, zeigten Bilder des Himmels ein anderes Bild und legten nahe, dass die frühesten bekannten Galaxien im Universum erst etwa 300 bis 400 Millionen Jahre nach dem Urknall auftauchten. "Damit würden sie aber nicht ausreichen, um das Dunkle Zeitalter schon nach den bisher angenommenen 450 Millionen Jahren zu beenden; denn dazu muss das gesamte Gas im Weltall reionisiert werden, was deutlich länger als 50 Millionen Jahre dauert."


Mit den heute veröffentlichten Daten untersuchen die Wissenschaftler auch die Polarisation der Vordergrundemission durch Gas und Staub in der Milchstraße, um die Struktur des galaktischen Magnetfeldes zu analysieren. "Mit seinen neun Frequenzkanälen ist Planck bestens dafür geeignet, um das kosmologische Signal und die Vordergrundstrahlung zu entwirren", sagt Torsten Enßlin, Leiter der technischen Planck-Gruppe am Max-Planck-Institut für Astrophysik.



Magnetische Milchstraße: Diese Karte verdeutlicht das Zusammenspiel von interstellarem Staub in der Galaxis und der Struktur des galaktischen Magnetfelds. Planck detektierte nicht nur das älteste Licht des Universums - den kosmischen Mikrowellenhintergrund -, sondern auch erhebliche Vordergrundstrahlung von diffusem Material in der Milchstraße. | Copyright: ESA and the Planck Collaboration

"Allerdings müssen wir bei der Analyse der Daten sehr vorsichtig sein. Das polarisierte Licht des Staubes zeichnet die Magnetfeldlinien mit einer fantastischen Detailtreue nach und ermöglicht bisher ungeahnte Einblicke in Wetterphänomene innerhalb unserer Galaxie".


Laut Enßlin zeigen die Ergebnisse, dass der Beitrag von Staub in unserer Milchstraße über den gesamten Himmel hinweg signifikant ist - damit werden alle früheren Hoffnungen zunichtegemacht, dass einige Bereiche sauber genug sein könnten, um einen direkten Blick auf das frühe Universum zu erhaschen. Mit anderen Worten: Wir blicken immer durch einen "Schleier", den man mit aufwendigen Methoden der Datenverarbeitung gleichsam wegrechnen muss.


Nach diesem Prozess liefern die Daten allerdings wichtige neue Einblicke in den "Babykosmos" und seine Bestandteile, einschließlich der faszinierenden dunklen Materie und der schwer fassbaren Neutrinos. "Selbst die noch frühere Geschichte des Kosmos lässt sich so eruieren, bis zurück zur Phase der Inflation – einer kurzen Zeit der beschleunigten Expansion, als das Universum gerade erst einen winzigen Bruchteil einer Sekunde alt war."


Als ultimative Signatur dieser Epoche suchen die Astronomen nach Hinweisen auf Gravitationswellen, die durch die Inflation ausgelöst wurden und später die Polarisation des CMB prägten. Frühere Berichte über einen direkten Nachweis dieses Signals, wie sie die Daten des Teleskops "Bicep 2" vermuten ließen (...wir berichteten), mussten angesichts der Planckkarten des polarisierten Lichtes jedoch revidiert werden. "Kombiniert man die neuesten Daten des Satelliten mit Ergebnissen von anderen Experimenten, so lassen sich die Grenzwerte für diese primordialen Gravitationswellen noch genauer bestimmen. Die neuen Obergrenzen sind bereits in der Lage, einige Inflationsmodelle auszuschließen."


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