Der Anfang vom Anfang war gemacht: Zu Beginn des 20. Jahrhunderts hatten Wissenschaftler herausgefunden, dass unser Universum nicht ewig und unveränderlich in all seiner Pracht existiert, sondern dass es in ferner Vergangenheit zunächst entstanden ist. Dieses Ereignis bezeichnen wir heute als Urknall – aber was ist dann passiert?

In dieser Folge erzählt Franzi die Geschichte eines Physikers namens Ralph Alpher, der herausgefunden hat, wie das Weltall und alles in ihm entstanden ist: wie die Materie in unser Universum kam, allen voran die beiden häufigsten chemischen Elemente Wasserstoff und Helium. Diese Urknall-Nukleosynthese ist bis heute eine der stärksten Hinweise darauf, dass das Universum in einem unvorstellbar heißen und dichten Zustand angefangen hat – und sie verrät uns außerdem, wie lange dieser Anfang vom Allem gedauert hat.

Im AstroGeo Podcast erzählen sich die Wissenschaftsjournalisten Franziska Konitzer und Karl Urban regelmäßig eine Geschichte, die ihnen entweder die Steine unseres kosmischen Vorgartens eingeflüstert – oder die sie in den Tiefen und Untiefen des Universums aufgestöbert haben. Der Podcast ist auch auf iTunes oder Spotify zu finden.

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• AstroGeo Podcast
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Unser schönes Universum, so majestätisch, so… ewig und unveränderlich? Als Albert Einstein zu Beginn des 20. Jahrhunderts seine Allgemeine Relativitätstheorie auf das gesamte Universum anwendete, gefiel ihm das Ergebnis ganz und gar nicht: Denn seine Theorie sagte ihm, dass das Universum entweder expandiert oder kollabiert, kurzum, dass es dynamisch sei. Das passte Einstein ganz und gar nicht – denn er lebte zu einer Zeit, als das Universum nur aus einer einzigen Galaxie, nämlich unserer Milchstraße, bestand und dazu noch statisch war. Das heißt: Das Universum verändert sich nicht. Es wird weder größer noch kleiner, es hat es schon immer gegeben und es wird es immer geben.

Wie ist unser Universum entstanden? Albert Einsteins Antwort darauf lautete zunächst: gar nicht.

In dieser Folge von AstroGeo erzählt Franzi die Geschichte vom Anfang des Anfangs: Ein belgischer Priester und Physiker namens Georges Lemaître fand als Erster heraus, dass sich das Universum ausdehnt – und ist von dieser Expansion des Universums zu seinem Anfang gelangt, den wir heute Urknall nennen.

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Quelle: Julia Weiler Ruhr-Universität Bochum (RUB), mit besonderer Genehmigung, 30. Mai 2023.

„Es ist die größte Mission, an der ich je beteiligt war“, stellt Prof. Dr. Hendrik Hildebrandt fest, als er über den Start des Weltraumteleskops Euclid spricht. Rund 1.500 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus Europa, Nordamerika und Japan sind Teil des Forschungskonsortiums, das die Mission vorbereitet hat. Mit Spannung fiebert Hildebrandt nun dem Start entgegen. Im Juli 2023 wird es so weit sein.

Euclid will nichts weniger, als eine der größten physikalischen Fragen unserer Zeit beantworten. Nämlich warum sich die Expansion des Universums beschleunigt. „Das Phänomen ist seit über 20 Jahren bekannt“, sagt Hildebrandt, Leiter des Lehrstuhls Beobachtende Kosmologie an der Ruhr-Universität Bochum. „Aber warum tut unser Universum das? Steckt zum Beispiel ein bestimmtes Teilchen dahinter? Es gibt viele Theorien, die alle unter dem Sammelbegriff der Dunklen Energie zusammengefasst werden.“ Die Natur dieser mysteriösen kosmologischen Größe will das Euclid-Team ergründen.

Euclid erfasst die Geschichte der Weltallexpansion
Voraussichtlich sechs Jahre wird das Teleskop Daten sammeln. Eine Rakete des Unternehmens SpaceX befördert es an einen Ort, der rund viermal weiter entfernt als der Mond auf der sonnenabgewandten Seite der Erde liegt. Von hier aus wird Euclid ein Drittel des Himmels beobachten. Anders als das Hubble-Weltraumteleskop, das nur einen winzigen Ausschnitt des Himmels sieht, hat Euclid quasi ein Weitwinkelobjektiv. Bilder von rund zehn Milliarden Galaxien soll es aufnehmen. Dabei schaut es in bis zu zehn Milliarden Lichtjahre Entfernung und somit auch in die Vergangenheit des Universums. Da das Licht eine gewisse Zeit braucht, um die Erde zu erreichen, sehen die Kosmologinnen und Kosmologen, je weiter sie schauen, immer frühere Zustände des Universums.

Anhand der Euclid-Daten kann das Team herausfinden, wie die Materie im Weltall im Lauf der Zeit verteilt war und wie sich Strukturen daraus gebildet haben. „Nach dem Urknall war die Materie relativ gleichmäßig verteilt“, sagt Hendrik Hildebrandt. „Durch Dichtefluktuationen gab es aber Bereiche, die ein wenig dichter waren als andere – und die Gravitation hat dafür gesorgt, dass sie im Lauf der Zeit immer dichter wurden.“ So entstanden Strukturen wie die Galaxien oder Galaxienhaufen.

Um die Materieverteilung zu bestimmen, nutzen die Forschenden den Gravitationslinseneffekt. Dazu müssen sie auch die Entfernung aller Galaxien zur Erde messen, was mithilfe der Rotverschiebung erfolgt: Das Licht von weiter entfernt liegenden Galaxien ist zu röteren Wellenlängen verschoben.

Experte für die Datenkalibrierung
Hier kommt die Expertise von Hendrik Hildebrandts Team ins Spiel. Denn die Rotverschiebung ist gar nicht so leicht zu detektieren. Üblicherweise dienen spektroskopische Messungen als Grundlage. In einem Spektrum wird exakt aufgetragen, wie viel Licht eine Galaxie bei verschiedenen Wellenlängen aussendet, sodass präzise bestimmt werden kann, wie stark das Licht in den roten Bereich verschoben ist. Spektroskopische Messungen sind allerdings aufwendig und unmöglich für Milliarden von Galaxien zu machen. Euclid nutzt daher ein vereinfachtes Verfahren: Es nimmt Bilder der Galaxien in verschiedenen Farbbändern auf, zum Beispiel eines im blauen, eines im grünen und eines im roten Bereich. Dann ermitteln die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die Helligkeit der Galaxie in den verschiedenen Bildern. So lässt sich die ungefähre Rotverschiebung messen.

Damit das Verfahren möglichst exakt funktioniert, muss es kalibriert werden. Genau hierfür ist Hendrik Hildebrandt weltweit als Experte gefragt. Seit 2011 ist er in die Vorbereitungen zur Euclid-Mission involviert. In Zusammenarbeit mit Kolleginnen und Kollegen in Genf, Marseille, Barcelona, Bologna, München und Pasadena nutzt er Daten von anderen Beobachtungsprogrammen, die in kleinen Himmelsbereichen spektroskopische Messungen durchgeführt haben. „In diesen Bereichen gibt es also Galaxien, über die wir sehr viel wissen“, erklärt der Kosmologe. Dieses Wissen können die Forschenden mit den neuen Aufnahmen von Euclid zusammenbringen und so eine Kalibrierung vornehmen, die es erlaubt, die Rotverschiebung auch von neu aufgenommenen Galaxien zuverlässig zu bestimmen. Denn nur wenn die Entfernungen der Galaxien bekannt sind, kann das Euclid-Team die Expansionsgeschichte und das Wachstum der Strukturen des Universums rekonstruieren – und so ergründen, was es mit der Dunklen Energie auf sich hat.

Relativitätstheorie im Test und Neutrinos auf der Waage
Nebenbei widmet sich Euclid noch anderen Fragen, testet zum Beispiel Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie in Bereichen, in denen sie noch nie zuvor auf den Prüfstand gestellt worden ist. Oder versucht, die bislang unbekannte Masse von Neutrinos – einer Sorte von Elementarteilchen – zu ermitteln. Aber das ist noch nicht alles.

„Euclid wird an so viele Stellen des Universums gucken, wo wir noch nie zuvor hingeschaut haben“, schwärmt Hendrik Hildebrandt. „Wenn wir in 20 bis 30 Jahren auf die Mission zurückschauen, wird sie uns eventuell gar nicht für die Erkenntnisse in Erinnerung geblieben sein, für die sie ursprünglich gestartet wurde – sondern für Dinge, die wir jetzt gar nicht erwarten. Das ist vielleicht das Tollste an dieser Mission: Ich bin mir fast sicher, dass wir etwas Neues finden werden. Etwas, womit wir jetzt noch gar nicht rechnen.“

Kooperationspartner
Für die Kalibrierung der Rotverschiebung arbeitet Hendrik Hildebrandt mit Partnerinnen und Partnern der Ludwig-Maximilians-Universität München, des Max-Planck-Instituts für extraterrestrische Physik, der Universität Genf, dem Laboratoire d’Astrophysique de Marseille, der Universitat Autònoma de Barcelona, dem Osservatorio di Astrofisica di Bologna sowie dem California Institute of Technology in Pasadena, USA, zusammen.

Mission Euclid
Euclid ist eine Mission der Europäischen Weltraumorganisation ESA, kurz für European Space Agency. Auch die US-Organisation NASA ist involviert. Im Juli 2023 wird die Mission ein Weltraumteleskop ins All befördern, das eine vergleichbare Auflösung wie das Hubble-Teleskop haben wird, aber einen viel größeren Ausschnitt des Himmels betrachten kann. Euclid schaut quasi überall hin, wo der Blick nicht durch die Milchstraße oder die Ekliptik – die Ebene, in der Sonne und Planeten aus Sicht der Erde liegen – versperrt ist. Es wird aber noch etwas Zeit vergehen, bis es an seinem Bestimmungsort angekommen ist, Daten gesendet hat und diese prozessiert und analysiert sind. Die Forschenden rechnen mit den ersten kosmologischen Auswertungen frühestens in der ersten Jahreshälfte 2025.

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• Weltraumteleskop EUCLID

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Quelle: Max-Planck-Institut für Astronomie.

2. Februar 2022 – Astronom*innen haben eine neuartige Messung durchgeführt, mit der sie die Temperatur der „kosmischen Hintergrundstrahlung“, die unseren Kosmos erfüllt, in einer Frühphase unseres Universums bestimmten konnten. Diese Strahlung ist ein Überbleibsel der heißen Urknallphase unseres Kosmos, und sie hat sich die letzten 13,8 Milliarden Jahre immer weiter abgekühlt. Mit der neuen Methode gelang die Messung der Temperatur jener Strahlung zu einem sehr frühen Zeitpunkt in der Evolution unseres Universums, nämlich bloße 880 Millionen Jahre nach dem Urknall. Das erlaubt es, die herkömmlichen kosmologischen Modelle auf die Probe zu stellen.

Ein abkühlendes Universum
Vor rund 13,8 Milliarden Jahren, in der sogenannten Urknallphase, war unser Kosmos angefüllt mit einem heißen, dichten Plasma aus Strahlung und Elementarteilchen. Doch schon damals expandierte das Universum, und seine Dichte nahm mit der Zeit rasch ab. Nach den Gesetzen der Thermodynamik zieht das eine Abnahme der Temperatur nach sich: Das Plasma expandierte, verlor so an Dichte und kühlte sich ab. Mit dem Plasma kühlte auch die Wärmestrahlung ab – die Gesamtheit der Lichtteilchen (Photonen), die durch das Plasma liefen und mit den elektrisch geladenen Teilchen wechselwirkten, verlor immer mehr an Energie.

Nach einigen Hunderttausend Jahren war das Plasma soweit abgekühlt, dass stabile Atome entstehen konnten. Vorher war die Temperatur so hoch gewesen, dass beispielsweise ein Proton und ein Elektron, die sich zu einem Wasserstoffatom vereinigt hätten, fast augenblicklich durch ein energiereiches Photon wieder auseinandergerissen worden wären.

Blick in die (heiße und dichte) Vergangenheit
Mit dem Abkühlen von Plasma und Wärmestrahlung gab es mit der Zeit immer weniger energiereiche Photonen. Entsprechend konnten sich immer mehr Atome bilden, ohne gleich wieder von energiereichen Photonen ionisiert zu werden. Bis zur 380.000-Jahres-Marke hatten sich so gut wie alle Atomkerne (hauptsächlich Wasserstoff, aber auch Helium-4) mit Elektronen zu elektrisch neutralen Atomen verbunden. Ab dann gab es nur noch sehr wenig Wechselwirkung zwischen diesen Atomen und der verbleibenden Wärmestrahlung. Die Wärmestrahlung, die als kosmische Hintergrundstrahlung bezeichnet wird, breitet sich seither praktisch unverändert im Weltraum aus.

An dieser Stelle wird wichtig, dass Astronom*innen immer in die Vergangenheit schauen. Das Licht astronomischer Objekte braucht immer eine gewisse Zeit, um uns zu erreichen. Wir sehen z. B. die Sonne nie so, wie sie jetzt ist. Unsere Beobachtungen zeigen die Sonne stattdessen immer so, wie sie vor 8 Minuten war, nämlich zu jenem Zeitpunkt, als das Licht, das jetzt unsere Teleskope erreicht, die Oberfläche der Sonne verließ. In ähnlicher Weise sehen wir die Andromeda-Galaxie immer so, wie sie vor rund 2,5 Millionen Jahren war, da das Licht 2,5 Millionen Jahre braucht, um von dieser Galaxie aus zu unseren Teleskopen hier auf der Erde zu gelangen.

Unser Fenster zur heißen Urknallphase
Daraus folgt nun aber, dass wir die kosmische Hintergrundstrahlung auch heute noch beobachten können! Schließlich ist der Weltraum vergleichsweise leer. Wenn wir es vermeiden, in die Staubwolken unserer eigenen Milchstraßengalaxie und in die Sterne ferner Galaxien zu blicken, können wir tiefer und tiefer in den Weltraum schauen ­– insbesondere so weit, bis wir Regionen sehen, deren Licht 13,8 Milliarden Jahre gebraucht hat, um uns zu erreichen. Jene Regionen sehen wir dann so, wie sie vor 13,8 Milliarden Jahren waren. Und zu jenem Zeitpunkt befand sich das Universum nun einmal in der heißen, dichten Urknallphase.

Durch das Plasma der Urknallphase können wir nicht hindurchsehen, da ein solches Plasma undurchsichtig ist. Die früheste Phase, die wir tatsächlich sehen können, ist jene, in welcher die kosmische Hintergrundstrahlung freigesetzt wurde. Anders formuliert: Es gibt Regionen im Universum, die gerade so weit von uns entfernt sind, dass ihre kosmische Hintergrundstrahlung uns genau jetzt, in diesem Moment, erreicht. Wir können heute das Licht vom Ende der heißen Urknallphase sehen und vermessen. Beobachtungen dieser Art liefern wertvolle Informationen über das frühe, heiße Universum.

Es gibt freilich einen wichtigen zusätzlichen Effekt. Das Universum expandiert, und die kosmische Expansion hat zur Folge, dass die Wärmestrahlung aus dem frühen Universum immer weiter abkühlt. Alle Eigenschaften einer solchen Wärmestrahlung hängen von einem einzigen Parameter ab: der Temperatur der Strahlung. In unseren kosmologischen Modellen ist die Auswirkung der kosmischen Expansion auf diese Temperatur sehr direkt: In der Zeit, in der sich die Abstände zwischen entfernten Galaxien aufgrund der kosmischen Expansion um den Faktor 2 vergrößert haben, sinkt auch die Temperatur der kosmischen Hintergrundstrahlung auf die Hälfte des ursprünglichen Werts.

Expandierendes Universum, abkühlende Strahlung
Vom Moment der Freisetzung der kosmischen Hintergrundstrahlung bis heute hat sich das Universum um einen Faktor von rund 1100 ausgedehnt. Die kosmische Hintergrundstrahlung, die ursprünglich eine Temperatur von etwa 3000 Kelvin hatte und deren Wärmestrahlung damit damals so ähnlich aussah wie das Licht einer Halogenlampe, kühlte um denselben Faktor ab. Heutzutage erreicht sie die Erde hauptsächlich in Form von niederenergetischer Mikrowellenstrahlung. Im Englischen wird die kosmische Hintergrundstrahlung deswegen auch als „Cosmic Microwave Background“ bezeichnet, zu deutsch „kosmischer Mikrowellenhintergrund“, abgekürzt CMB.

Der direkte Zusammenhang zwischen der Ausdehnung unseres Universums und der Temperatur der Hintergrundstrahlung bedeutet nun aber: Die Art und Weise, wie sich diese Temperatur ändert, sollte alle Informationen darüber enthalten, wie das Universum in jener Zeit expandiert ist. Könnten wir die Hintergrundstrahlungs-Temperatur zu verschiedenen Zeiten der kosmischen Geschichte messen, dann könnten wir die Expansionsgeschichte unseres Kosmos im Detail rekonstruieren. Diese Expansionsgeschichte wiederum enthält wichtige Informationen über eine der großen Unbekannten der modernen Kosmologie: der so genannten Dunklen Energie, also demjenigen Inhaltsstoff unseres Universums, der dafür verantwortlich ist, dass die Expansionsrate unseres Kosmos gegenwärtig zunimmt, die kosmische Expansion sich beschleunigt.

Der kosmischen Expansion auf der Spur, Datenpunkt für Datenpunkt
Eine direkte Messung könnte zeigen, ob dieser direkte Zusammenhang zwischen der Ausdehnung unseres Universums und der Abkühlung der kosmischen Hintergrundstrahlung tatsächlich besteht. Vergleicht man die Ergebnisse mit anderen Beobachtungsgrößen für die Expansion, insbesondere mit der sogenannten kosmologischen Rotverschiebung, ließen sich anhand der Ergebnisse dieses Vergleichs einige exotische Vorschläge für die Natur der Dunklen Energie falsifizieren. Dominik Riechers von der Universität Köln, Erstautor des jetzt veröffentlichten Artikels, sagt: „Wenn es irgendwelche Abweichungen von den erwarteten Trends gibt, könnte das Rückschlüsse auf die Natur der schwer fassbaren Dunklen Energie erlauben.“

Eine Abweichung von dem direkten Zusammenhang zwischen Temperatur und Expansion wäre insbesondere in Modellen zu erwarten, in denen die Dunkle Energie „zerfällt“ und einen Teil ihres Energiegehalts auf die normale Materie und Strahlung im Universum überträgt. Das würde die Abkühlung der kosmischen Hintergrundstrahlung verlangsamen. Einige Modelle für die andere große Unbekannte in der Kosmologie, die Dunkle Materie, sagen ähnliche Effekte voraus: Bestimmte exotische (und noch nicht nachgewiesene) Elementarteilchen, die als Bestandteile der Dunklen Materie vorgeschlagen werden, so genannte leichte Axionen, könnten mit der kosmischen Hintergrundstrahlung wechselwirken und deren Abkühlung im Laufe der Zeit beeinflussen.

Die Messung der CMB-Temperatur zu verschiedenen Zeiten der kosmischen Geschichte ist allerdings nicht einfach. Einige Datenpunkte gab es schon vor der hier beschriebenen Arbeit: Für die kosmische Geschichte der letzten 6 Milliarden Jahre (Rotverschiebungswerte z zwischen 0 und 1) bietet der sogenannte Sunyaev-Zel’dovich-Effekt eine Möglichkeit für derartige Messungen. Etwas weiter entfernt, zwischen 10 und 11,7 Milliarden Jahren vor der Jetztzeit (z zwischen 1,8 und 3,3), gibt es ebenfalls vereinzelte Datenpunkte, die darauf hinweisen, dass die CMB-Temperatur damals genau den richtigen Wert hatte, um bestimmte Energieniveaus in bestimmten Atom- oder Molekülarten anzuregen.

Ein Temperatur-Datenpunkt 880 Millionen Jahre nach dem Urknall
Die jetzt veröffentlichten Ergebnisse gehen noch deutlich weiter in die Vergangenheit. Sie steuern einen CMB-Temperaturdatenpunkt aus einer Zeit fast 13 Milliarden Jahre vor der Gegenwart bei – nur eine knappe Milliarde Jahre nach der Urknallphase. Möglich wurde dies durch eine Wolke aus kaltem Wasserdampf in einer Starburst-Galaxie mit der Katalognummer HFLS3, die wir so sehen, wie sie 880 Millionen Jahre nach dem Urknall war. Wie die kosmische Hintergrundstrahlung selbst ist auch das Licht dieser Galaxie stark rotverschoben. Alle Beobachtungen für diese Arbeit wurden daher mit dem IRAM-NOEMA-Teleskop-Array in den französischen Alpen durchgeführt, einem Radioobservatorium, das bei Millimeter-Wellenlängen beobachtet.

Starburst-Galaxien heißen so, weil sie den Beobachtungen nach innerhalb astronomisch sehr kurzer Zeit eine Vielzahl neuer Sterne bilden beziehungsweise gebildet haben. Die hier beobachtete Starburst-Galaxie enthält außerdem eine große Wolke aus Wasserdampf (H₂O). Die kosmische Hintergrundstrahlung wirkt in so einem Falle wie eine Lichtquelle, die sich aus Sicht des Beobachters hinter der Wolke befindet. Astronomen kennen ähnliche Situationen bei der Beobachtung von Sternen: Über den heißeren tieferen Regionen der sogenannten Photosphäre, die so gut wie alles Licht erzeugen, das wir von einem Stern empfangen, befinden sich Schichten mit etwas kühlerem Gas. Das Ergebnis sind so genannte Absorptionslinien: bestimmte Wellenlängen, bei denen das Sternenlicht von den kühleren Schichten absorbiert wird. Beobachten Astronomen das regenbogenartige Spektrum eines Sterns, dann erscheinen diese Absorptionslinien tatsächlich wie dunklere, linienförmige Schatten auf dem Regenbogen.

Ein verräterischer Schatten auf der kosmischen Hintergrundstrahlung
Vereinfacht ausgedrückt passiert genau so etwas auch bei den jetzt veröffentlichten Beobachtungen. Die Wasserdampfwolke ist kühler als die kosmische Hintergrundstrahlung. Deswegen schattet sie die kosmische Hintergrundstrahlung ab, ein Effekt, der noch nie zuvor beobachtet werden konnte. Das Ergebnis ist eine Absorptionslinie in der regenbogenartigen Spektralzerlegung der kosmischen Hintergrundstrahlung, wobei die Stärke der Absorption den Temperaturunterschied zur Wolke anzeigt – woraus sich wiederum auf die Temperatur der kosmischen Hintergrundstrahlung zu jenem Zeitpunkt schließen lässt, als die Strahlung 880 Millionen Jahre nach dem Urknall durch jene Wolke lief.

Die Details der Situation sind komplizierter. Was wir hier verkürzt die Temperatur der Wolke genannt haben, ist nicht die Temperatur der Wolke als Ganzes, sondern eine Temperatur, die dem Anteil der Wassermoleküle entspricht, die sich in einem leicht angeregten (Rotations-)Zustand relativ zum energieärmsten Grundzustand befinden. Es gibt eine physikalische Formel, die den Anteil der Wassermoleküle im angeregten Zustand mit einer Temperatur verknüpft; umgekehrt kann man durch Messung der Anzahl der angeregten Wassermoleküle diese spezifische Temperatur bestimmen.

Dass diese spezifische Temperatur niedriger ist als die der kosmischen Hintergrundstrahlung kommt außerdem nur dank des infraroten Lichts zustande, das von den vielen neugeborenen Sternen der Starburst-Galaxie ausgestrahlt und durch die Staubwolken der Galaxie gestreut wird. Dieses Infrarotlicht verschiebt effektiv das Gleichgewicht, wie viele Moleküle sich in einem bestimmten Zustand befinden – und für das von den Astronomen für diese Studie untersuchte Zustandspaar ist dies gleichbedeutend mit einer niedrigeren Temperatur, was wiederum zum Auftreten der gemessenen Hintergrundsstrahlung-Absorptionslinie führt.

Die kosmische Evolution nachverfolgen
In der vereinfachten Version gilt aber ebenso wie in der realistischer-komplizierten: Das Endergebnis hängt von der Temperatur der kosmischen Hintergrundstrahlung ab. Aus ihren Beobachtungen leiten die Astronomen ab, dass die Hintergrundstrahlung zu dieser Zeit eine Temperatur zwischen 16,4 und 30,2 Kelvin gehabt haben muss. Dies stimmt mit der Temperatur von 20 Kelvin überein, die von den aktuellen kosmologischen Modellen für den betreffenden Zeitpunkt 880 Millionen Jahre nach dem Urknall vorhergesagt wird – angesichts des direkten Zusammenhangs zwischen der Abkühlung der kosmischen Hintergrundstrahlung und der kosmischen Expansionsgeschichte ein wichtiges Indiz, dass unsere heutigen kosmologischen Modelle in sich konsistent sind.

Diejenigen exotischeren Modelle, die eine deutliche Abweichung der Temperaturentwicklung von der kosmischen Expansion vorhersagen, lassen sich damit ausschließen. Allgemeiner liefern die Beobachtungen einen Datenpunkt zur kosmischen Expansion aus einer Phase der kosmischen Geschichte, aus der es insgesamt nur sehr wenige Datenpunkte gibt. Fabian Walter, Astronom am Max-Planck-Institut für Astronomie und Ko-Autor des jetzt veröffentlichten Artikels, sagt: „Diese neue Technik liefert wichtige neue Erkenntnisse über die Entwicklung des Universums und zeigt uns, dass das Universum in seinen Anfängen einige ungewöhnliche Eigenschaften hatte, die sich von den heutigen unterscheiden.“ Der hier nachgewiesene Effekt kann eben nur im sehr frühen Universum auftreten, bevor sich die kosmische Hintergrundstrahlung allzu weit abgekühlt hat.

HFLS3 als Prototyp für weitere frühe Temperaturmessungen
Jetzt, da ihre Daten aus dem frühen Universum vollständig analysiert sind, planen die Forscher für die Zukunft. Es sind weitere Starburst-Galaxien wie HFLS3 im frühen Universum bekannt, und mehrere davon enthalten Wolken aus Wasserdampf. Die Forscher*innen suchen deswegen mit NOEMA systematisch nach weiteren Beispielen für den Schatteneffekt. Werden sie fündig, dann können sie die Abkühlung der kosmischen Hintergrundstrahlung, das Echo des Urknalls, über die ersten 1,5 Milliarden Jahren der kosmischen Geschichte hinweg noch genauer kartieren.

Hintergrundinformationen
Die hier beschriebene Forschung wurde veröffentlicht als D. Riechers et al., „Microwave Background Temperature at Redshift 6.34 from H2O Absorption“ in der Zeitschrift Nature.

Der beteiligte MPIA-Wissenschaftler ist Fabian Walter, in Zusammenarbeit mit Dominik Riechers (Universität Köln), Axel Weiss (Max-Planck-Institut für Radioastronomie), Christopher L. Carilli (NRAO), Pierre Cox (Sorbonne Université und CNRS), Roberto Decarli (INAF Bologna) und Roberto Neri (IRAM).

NOEMA ist das leistungsstärkste Millimeter-Teleskop auf der Nordhalbkugel. Das Observatorium befindet sich in einer Höhe von über 2500 Metern über dem Meeresspiegel auf dem Plateau de Bure in den französischen Alpen. Das Teleskop wird vom Institut de Radioastronomie Millimétrique (IRAM) betrieben und von der Max-Planck-Gesellschaft, dem französischen Centre National de Recherche Scientifique und dem spanischen Instituto Geografico Nacional finanziert.

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• Hintergrundstrahlung

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Die Entdeckung der beschleunigten Expansion des Universums durch die Beobachtung entfernter Supernovae hat zur Postulierung der so genannten Dunklen Energie geführt. Bis heute ist die Natur dieser „Antigravitation“, die das Universum auseinander treibt, unbekannt. Um ihr auf den Grund zu gehen, wurden verschiedene wissenschaftliche Projekte initiiert – unter anderem das Hobby-Eberly-Teleskop-Dark Energy Experiment (HETDEX). Es zielt darauf ab, eine dreidimensionale Karte von 2,5 Millionen weit entfernten Galaxien zu erstellen, die der Wissenschaft helfen soll zu verstehen, wie und warum sich die Expansion des Universums mit der Zeit beschleunigt.

„Um die Distanz weit entfernter Galaxien bestimmen zu können, müssen wir diese lichtschwachen Objekte nicht nur finden, sondern ihr Licht auch spektroskopisch analysieren, also in die verschiedenen Wellenlängen zerlegen“, erklärt Dr. Andreas Kelz, der lokale HETDEX-Projektleiter am AIP. Zu diesem Zweck wurde ein leistungsfähiger Mehrkanal-Spektrograph gebaut: der Visible Integral-field Replicable Unit Spectrograph (VIRUS). Er ist über ein System aus 35.000 optischen Fasern, die am AIP entwickelt, aufgebaut und getestet wurden, mit dem Teleskop verbunden. Mit der Fertigstellung des kompletten Instruments und seiner Installation am 10-Meter-Teleskop des McDonald-Observatoriums in Texas wurde nun ein Meilenstein erreicht. VIRUS ist eine riesige Maschine, die aus Dutzenden von Kopien von Glasfaserbündeln und Spektrographen besteht, die effizient zusammenarbeiten.

„Während es ein Jahrzehnt dauerte, das komplette Instrument zu bauen und zu installieren, erlaubte der modulare Ansatz des Systems eine schrittweise Implementierung, so dass die wissenschaftliche Untersuchung bereits vor drei Jahren mit den ersten Modulen des Instruments beginnen konnte“, erklärt Kelz. Dieser Ansatz trägt nicht nur zur Kostensenkung bei, sondern ermöglicht auch den Technologietransfer und die kommerzielle Fertigung mit industriellen Partnern.

Für die astronomische Durchmusterung wird das Teleskop auf zwei Regionen am Himmel, in der Nähe des Großen Wagens und des Orion, ausgerichtet. Für jede Beobachtung nimmt das Teleskop derzeit etwa 32.000 Spektren gleichzeitig auf und erfasst so den kosmischen Fingerabdruck des Lichts von jedem Objekt im Sichtfeld des Teleskops.

Um die für das Projekt benötigte Karte zu erstellen, werden die Astronominnen und Astronomen eine Milliarde Spektren kombinieren und insbesondere weit entfernte Galaxien suchen. Diese Galaxien sind zwischen 10 Milliarden und 11,7 Milliarden Lichtjahre entfernt. Sie repräsentieren also eine Epoche, in der das Universum nur wenige Milliarden Jahre alt war. Ihre Spektren enthalten Informationen darüber, wie schnell sich die Galaxien infolge der Expansion des Universums von uns wegbewegen.

HETDEX veröffentlichte bereits 15.000 Beobachtungen, die über eine Million Entdeckungen von astronomischen Objekten umfassen. AIP-Wissenschaftler Prof. Dr. Lutz Wisotzki, der Mitglied des HETDEX-Lenkungsausschusses ist, erklärt: „Diese Daten eröffnen eine Goldgrube für die vielfältigen Forschungsinteressen an unserem Institut, von den ältesten Sternen im Halo der Milchstraße über aktive Schwarze Löcher im Zentrum von Galaxien bis hin zu den gasförmigen Hüllen von Galaxien im jungen Universum“.

HETDEX ist eine große internationale Zusammenarbeit. Das Projekt wird von der University of Texas at Austin McDonald Observatory and Department of Astronomy geleitet, unter Beteiligung der Penn State University, der Ludwig-Maximilians-Universität München, des Max-Planck-Instituts für extraterrestrische Physik, des Instituts für Astrophysik, Göttingen, des Leibniz-Instituts für Astrophysik, Potsdam, der Texas A&M University, der University of Oxford, des Max-Planck-Instituts für Astrophysik, der University of Tokyo und der Missouri University of Science and Technology.

Das AIP, das Innovationszentrum für Faserspektroskopie und -sensorik innoFSPEC und das BMBF unterstützten die Potsdamer Beiträge für HETDEX.

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• Expansion des Universums

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Quelle: Universität Wien.

Die zeitliche Entwicklung des Universums, vom Urknall bis in die Gegenwart, wird durch die Einsteinschen Feldgleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie beschrieben. Allerdings besteht nach wie vor eine Reihe offener Fragen zur kosmologischen Dynamik, deren Ursprung in vermeintlichen Diskrepanzen zwischen Theorie und Beobachtung liegt. Eine dieser offenen Fragen lautet: Warum ist das Universum im heutigen Zustand auf großen Skalen derart homogen?

Vom Urknall bis heute
Es wird davon ausgegangen, dass sich das Universum kurz nach dem Urknall in einem extremen Zustand befand, der insbesondere durch starke Schwankungen in der Raumzeitkrümmung gekennzeichnet war. Während des langen Prozesses der Ausdehnung hat sich das Universum dann hin zu seinem heutigen Zustand entwickelt, der auf großen Skalen homogen und isotrop ist — vereinfacht: der Kosmos sieht überall gleich aus. Dies schließt man unter anderem aus der Messung der sogenannten Hintergrundstrahlung, die uns in jeder Beobachtungsrichtung hochgradig gleichförmig erscheint. Diese Homogenität überrascht insofern, als dass selbst zwei Bereiche des Universums, die kausal voneinander entkoppelt waren – also keine Informationen austauschen konnten, dennoch identische Werte der Hintergrundstrahlung aufweisen.

Alternative Theorien
Um diesen vermeintlichen Widerspruch aufzulösen wurde die sogenannte Inflationstheorie erfunden, die eine Phase der extrem schnellen Expansion unmittelbar nach dem Urknall postuliert, welche wiederum die Homogenität in der Hintergrundstrahlung erklären kann. Wie diese Phase im Rahmen der Einsteinschen Theorie erklärt werden kann, bedarf allerdings einer Reihe von Modifikationen der Theorie, die künstlich erscheinen und nicht direkt verifizierbar sind.

Neue Erkenntnisse: Homogenisierung durch Gravitation
Es war bisher offen, ob die Homogenisierung des Universums nicht doch bereits vollständig durch Einsteins Gleichungen erklärt werden kann. Grund hierfür ist die Komplexität der Gleichungen und die damit verbundene Schwierigkeit Ihre Lösungen — Modelle für das Universum — zu analysieren und deren Verhalten vorherzusagen. Im konkreten Problem gilt es die Zeitentwicklung der ursprünglich starken Abweichungen vom homogenen Zustand als kosmologische Gravitationswellen mathematisch zu analysieren und zu zeigen, dass diese im Laufe der Expansion abklingen und so das Universum seine homogene Struktur erhält.

Derartige Analysen basieren auf modernen mathematischen Methoden im Bereich der Geometrischen Analysis. Bisher konnten diese Methoden derartige Resultate nur für geringe Abweichungen von der homogenen Raumzeitgeometrie erzielen. David Fajman von der Universität Wien ist es nun erstmals gelungen diese Methoden auf den Fall von beliebig großen Abweichungen zu übertragen.

Die im Fachjournal PRL publizierten Resultate zeigen, dass Homogenisierung in der untersuchten Klasse von Modellen bereits vollständig durch Einsteins Theorie erklärt wird, und es keiner zusätzlichen Modifikationen bedarf. Sollte sich diese Erkenntnis auf allgemeinere Modelle übertragen lassen, so bedeutet dies, dass es nicht notwendigerweise einen Mechanismus wie den der Inflation braucht um den Zustand unseres heutigen Universums zu erklären, sondern dass Einsteins Theorie letztendlich wieder einmal triumphieren könnte.

Publikation in „Physical Review Letters“:
„Future Attractors in 2+1 Dimensional Λ Gravity„, David Fajman, Physical Review Letters, vol.125, 2020
DOI: 10.1103/PhysRevLett.125.121102

Verwandte Meldungen bei Raumfahrer.net:

• RUB: Universum homogener als gedacht (31. Juli 2020)
• SDSS: Ausdehnungsgeschichte unseres Universums (20. Juli 2020)
• Universum: Ausdehnung vielleicht nicht gleichmäßig (14. April 2020)

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• Expansion des Universums

Der Beitrag Gravitation bewirkt Homogenität des Universums erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Ein Beitrag von Hans Lammersen. Quelle: Sterne und Weltraum, Welt der Physik.

Die Theorie der Inflation besagt, dass das Universum, 10-35 Sekunden nach seiner Geburt, dem Urknall, explosionsartig auseinandergetrieben wird. Dieser Vorgang entspricht in etwa dem Anwachsen des Durchmessers eines Bakteriums auf mehr als die Größe der Milchstraße. Damit tritt der Kosmos vom mikroskopischen ins reelle Dasein.

Die Theorie der Inflation hat etwa seit den späten 80er Jahren ihren festen Platz im Theoriegebäude der Kosmologen und Astronomen, weil sie eine derartig schnelle Expansionsbewegung zu Beginn des Universums brauchten, um ungeklärte Fragen der Urknalltheorie zu lösen. Das Problem dabei ist nur, dass man diese Theorie kaum verifizieren kann. Denn alles, was sich unmittelbar nach dem Urknall abgespielt hat, ist bisher einer direkten Beobachtung verschlossen gewesen.

Der Grund dafür ist, dass das Universum bis zu einem Alter von 380.000 Jahren ein heißes Materie-Strahlungs-Gemisch war. Erst zu diesem Zeitpunkt organisierte sich die Materie in Atomen, weil Temperatur und Dichte weit genug abgesunken waren. Damit wurde das Universum quasi durchsichtig, das heißt, elektromagnetische Wellen konnten sich plötzlich frei ausbreiten. Diese erste Strahlung, kann auch heute noch als so genannte Hintergrundstrahlung registriert werden, allerdings ist sie durch die Expansion des Universums inzwischen auf einen Wert knapp oberhalb des absoluten Gefrierpunktes abgesunken.

Man hat diese Hintergrundstrahlung in den letzten zwei Jahrzehnten durch den Einsatz verschiedener Satelliten immer genauer vermessen können und die dabei festgestellten Temperaturunterschiede sind für die Kosmologen wichtige Bestätigungen ihrer Theorien gewesen. Trotzdem ist diese Strahlung aus dem Jahr 380.000 so etwas wie eine letzte Grenze, da aus der Zeit vorher keine Informationen zu uns gelangen können.

Diese Feststellung ist offenbar jetzt widerlegt. Denn einem Astronomenteam ist es gelungen, hinter diesen Vorhang zu blicken und Informationen aus der Zeit vor der Bildung der Atome zu erhalten, die sich der Hintergrundstrahlung sozusagen aufgeprägt haben. Dabei ging es den Wissenschaftlern nicht um die Temperatur der Strahlung, sondern um ihre Polarisation. Die Polarisation beschreibt die Eigenschaft elektromagnetischer Wellen (also auch des Lichts) in bestimmte Richtungen zu schwingen. Die Polarisation der Hintergrundstrahlung soll der Theorie nach auch durch die bei der Inflation entstandenen Gravitationswellen beeinflusst worden sein – die immer dann entstehen, wenn kompakte Massen beschleunigt werden. Und genau das ist ja bei der Inflation passiert.

Die Wissenschaftler haben nun über mehrere Jahre hinweg mit dem Experiment BICEP2 (Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization) die Polarisation der Hintergrundstrahlung vermessen und dabei die vorhergesagten Signale gefunden. Bei den Signalen handelt es sich um Verwirbelungen der Polarisation, die äußerst schwach sind.

Nun müssen die Erkenntnisse noch durch weitere Experimente bestätigt werden. Dazu gehört auch die Auswertung von Polarisationsdaten des Satelliten Planck.

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Der Beitrag Nachrichten vom Anfang des Universums erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Ein Beitrag von Lars-C. Depka. Quelle: Cai & Tuo 2011. Vertont von Peter Rittinger.

Sie ist das vielleicht größte Rätsel der modernen Kosmologie: Die Dunkle Energie. Die Triebfeder der sich offenbar immer weiter beschleunigenden Ausdehnung des Universums. Näher betrachtet beschreibt die Dunkle Energie in ihrem heutigen Verständnis den Zusammenhang zwischen ihrem Druck, sowie ihrer Dichte. Diese Relation wird in der kosmologischen Forschung auch als „Zustandsgleichung“ beschrieben.

Allgemein angenommen wird heute ein 72-prozentiger Anteil der Dunklen Energie am gesamten Masse-Energie-Inhalt des Universums, was die Dunkle Energie zu einem entscheidenden, wenn nicht sogar dem entscheidenden Faktor hinsichtlich der bisherigen Entwicklung und des künftigen Schicksals des Kosmos macht.

Und dennoch, die physikalische Interpretation der Dunklen Energie ist weitgehend ungeklärt und ihre Existenz ist experimentell nicht nachgewiesen.

Seit Ende der 1990er Jahre weiß man, dass der Kosmos beschleunigt expandiert. Irgendwann zwischen Urknall und einer Epoche von vor sechs bis acht Milliarden Jahren muss das Universum von Abbremsen auf Beschleunigen umgeschaltet haben. Bis gegen Ende des letzten Jahrhunderts galt dann auch die Annahme der traditionellen Modelle, wonach die gegenseitige Gravitationsanziehung der (sichtbaren) Materie die Ausdehnung langsam abbremsen sollte. Doch das genaue Gegenteil ist der Fall, denn die Expansion des Kosmos beschleunigt sich. Um diese beobachtete beschleunigte Expansion zu erklären, wurde die Dunkle Energie 1998 als eine Verallgemeinerung der kosmologischen Konstanten eingeführt.

Manche Wissenschaftler waren bislang der Meinung, dass diese Konstante ein Ad-hoc-Konstrukt sei, das keine tiefere Begründung für die zugrundeliegende Ursache liefere. Allerdings wurden in der Literatur in der Vergangenheit neben der Ablehnung auch Alternativmodelle der Konstanten diskutiert, die Erklärungsansätze zu den beobachteten Beschleunigungsbefunden liefern sollten. Eine dieser Alternativtheorien ist nun überzeugend widerlegt.

Die jetzt widerlegte Hypothese geht von der Annahme aus, dass die beobachtete beschleunigte Expansion des Universums tatsächlich gar nicht stattfindet. Sie soll vielmehr eine „Illusion“ darstellen, die aufgrund einer ungleichmäßigen Verteilung der Materie im Kosmos zustande kommt.

Geht es nach der Alternativhypothese, befänden wir uns in einem gigantischen Leerraum von einem Gigaparsec. In diesem auch als „Void“ beschriebenen Leerraum ist die vorhandene Materiedichte erheblich geringer, als im weiträumigen kosmischen Durchschnitt. Ein Gigaparsec entspricht etwa drei Milliarden Lichtjahren und ist die untere Grenze, die in der Void-Theorie gefordert wird, um zu der Illusion einer beschleunigten Expansion führen zu können.

Innerhalb des Void-Modells resultiert aus den Überlegungen eine maximale lokale Expansionsrate von 60 Kilometern pro Sekunde je Megaparsec (3,2 Millionen Lichtjahre). Die tatsächliche Expansionsrate des lokalen Kosmos beträgt allerdings 74 Kilometer pro Sekunde je Megaparsec und ist durch Analyse einer Vielzahl von Supernovae hinreichend belastbar dokumentiert.

Wie sich gleichwohl zeigt, bedeutet die plausible Widerlegung des Void-Modells nicht zwangsläufig eine homogene Expansion des Universums in alle Richtungen. Die mitunter unangenehme Konsequenz hieraus könnte zu einer Neubewertung eines kosmologischen Grundpfeilers führen, wonach sich das Universum als ein homogenes bzw. isotropes darstellt. Erhärtet sich der Verdacht, dass die Beschleunigung der kosmischen Expansion nicht in allen Richtungen gleich groß sein könnte, widerspräche dies fundamental dem Kosmologischen Prinzip. Diese Symmetrieannahme (das Universum verhält sich an jedem Ort und in jede Richtung gleich) ist eine der wichtigsten Grundlagen aller ernsthaft diskutierten kosmologischen Modelle, mit denen die Entstehung und Entwicklung des Kosmos beschrieben werden sollen.

In den vergangenen Jahren mehrten sich jedoch stetig die Anzeichen dafür, dass die kosmische Expansionsrate eben nicht in allen Richtungen gleich groß ist. Einen ersten statistischen Beweis der unterschiedlich schnellen Ausdehnung des Kosmos könnten Beobachtungen von Supernovae im großräumigen Bereich um das Sternbild Fuchs (eigentlich Füchslein, lat. Vulpecula) liefern.

Das eher unscheinbare Füchslein befindet sich zwischen den Sternbildern Cygnus (Schwan) und dem ebenfalls eher unbekannten Sagitta (Pfeil). Beobachtern und Astrofotografen dürfte das Füchslein als Heimstatt des planetarischen Nebels M 27, auch Hantelnebel genannt, geläufig sein.

Eine neue Analyse von annähernd 560 Supernovae dieses Himmelsabschnitts legt eine signifikante Asymmetrie der Expansion des Universums nahe. Sollten sich die Beobachtungen erhärten, müssen künftig womöglich anisotrope kosmische Modelle ernsthaft in Betracht gezogen werden.

Vielleicht muss aber auch die beschleunigte Expansion völlig losgelöst von der Kosmologischen Konstanten betrachtet werden. Dann nämlich, wenn sogenannte Quintessenz-Felder die antreibende Wirkung erzielen, die in der Kosmologie gerade so etwas wie eine Renaissance erleben. Sie beinhalten eine zeitlich veränderliche Dunkle Energie und stellen somit eine Alternative zum Konzept der Kosmologischen Konstanten dar. Im Gegensatz zur Kosmologischen Konstanten wird die Quintessenz als eine zeitlich veränderliche Dunkle Energie, die inhomogen den Raum ausfüllt, verstanden. Mit der Ausdehnung des Universums nimmt die Energiedichte in Quintessenz-Modellen ab. Die Zustandsgleichung der Dunklen Energie zeigt dann einen hohen negativen Druck, was ihre Interpretation als Antigravitation nahe legen könnte. Diese Antigravitation triebe dann das Universum auseinander, was letztlich wieder in der beobachtbaren, kosmischen Expansion resultiert.

Quelle und weitere Artikel:

• Ronggen Cai, Zhongliang Tuo: Direction Dependence of the Deceleration Parameter (September 2011)
• Dunkle Energie ist nicht neu
• Ohne Dunkle Materie würden keine Galaxien existiere

Raumcon:

• Dunkle Energie
• Expansion des Universums

Der Beitrag Alternative zur Dunklen Energie eliminiert erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Ein Beitrag von Karl Urban. Quelle: Hubble Institute. Vertont von Dominik Heidler.

Dunkle Energie gehört zu den aktivsten Forschungsfeldern moderner Kosmologie. So macht Dunkle Energie den größten Teil der im Universum vorhandenen Energie aus. Normale Materie, aus der Sterne und Planeten bestehen sind hingegen von nur sehr geringer Bedeutung. Die große Herausforderung dabei ist die Beobachtung, die mit direkten Methoden nicht möglich ist. Immerhin verdankt ihr der Tatbestand, dass sich das Universum beschleunigend ausdehnt, seine Existenz.

Forscher haben nun mit Hilfe des Hubble-Weltraumteleskops zeigen können, dass Dunkle Energie keine reine Erscheinung der jüngeren kosmologischen Geschichte ist. Dunkle Energie konnte bereits vor etwa neun Milliarden Jahren die Expansion beschleunigen. Dies ist eine wichtige Erkenntnis, ist doch die Natur der Dunklen Energie bisher kaum verstanden. Um eine passable Erklärung und die Integration in das physikalische Weltbild konkurrieren derzeit etliche Theorien. Immerhin ist nach den neusten Hubble-Daten klar, dass sich die Wirkung der Dunklen Energie nicht über die Zeit ändert, wie es in einigen Modellen vorhergesagt wurde.
Gleichzeitig konnten die Wissenschaftler herausfinden, dass die Rate alter, in Supernovae explodierender Sterne vor neun Milliarden Jahren zu heute auffällig ähnlich ist. Diese werden derzeit überwiegend verwendet, die Expansionsrate des Universums zu bestimmen. Ein gleich bleibender Faktor bedeutet, dass auch weiter entfernte (und damit ältere) Supernovae für diese Bestimmung verwendet werden können.

Da die spezifische Helligkeit von Supernovae sehr gut verstanden ist, können diese als Entfernungmarker der weit entfernten Galaxien verwendet werden. So konnte Hubble mehrere Galaxien fotografieren, als in ihnen Sterne explodierten.

„Obwohl Dunkle Energie für mehr als 70 Prozent der Energie im Universum verantwortlich ist, wissen wir sehr wenig über sie, so dass jeder Hinweis auf sie große Wichtigkeit hat“, sagte Adam Riess vom Space Telescope Science Institute und der John Hopkins University in Baltimore. Riess gehörte zu den Veröffentlichern einer der ersten Studien über Dunkle Energie, die 1998 erschien und leitet die aktuelle Hubble-Studie. „Unsere aktuelle Vermutung ist, dass die Dunkle Energie in der ersten Phase des Universums relativ schwach war und erst vor neun Milliarden Jahren zur vollen Entfaltung kam.“

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