Es war einmal: der Urknall. Nachdem unser Universum wohl irgendwie entstanden war und Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler herausgefunden hatten, dass es überhaupt einen Anfang gegeben hat, fanden sie auch heraus, dass die allerersten Elemente im Universum kurz nach dem Urknall entstanden sind, vor allem Wasserstoff und Helium. Doch wie ging es dann weiter?

Nun folgt das Ende des Anfangs: Es half dabei, dem Urknall-Modell zum wissenschaftlichen Durchbruch zu verhelfen. Dabei handelt es sich um ein Überbleibsel des Urknalls, das bis heute den ganzen Kosmos durchdringt – und dessen Entdeckung absoluter Zufall war: die kosmische Mikrowellenhintergrundstrahlung.

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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• Urknall

Der Beitrag AstroGeo Podcast: Das Ende des Anfangs – was vom Urknall übrigblieb erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

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

Der Beitrag Temperatur des Universums weniger als eine Milliarde Jahre nach Urknall erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

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

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• RUB: Universum homogener als gedacht (31. Juli 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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• Inflation

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

Ein Beitrag von Michael Clormann. Quelle: ESA, Planck Collaboration, Raumcon.

Dem Missionsende am kommenden Mittwoch gingen sowohl die am Samstag den 19. Oktober erfolgte Abschaltung des letzten wissenschaftlichen Instruments an Bord, als auch der erst gestern durchgeführte Einschuss des Weltraumteleskops in einen finalen Parkorbit voraus. Damit verlässt das Raumfahrzeug seine bisherige Position im Orbit um den Lagrange-Punkt 2 des Erde-Sonne Systems, in den es, wenige Wochen nach seinem Start mit einem Ariane 5 ECA am 14. Mai 2009, eingeschwenkt war. Die mit demselben Ariane-Flug transportierte Schwestermission Herschel ging ebenfalls bereits in diesem Jahr außer Betrieb. Ursache für die planmäßige Stilllegung beider Geräte waren die endgültig aufgebrauchten Vorräte an mitgeführtem Kühlmittel für die Präzisionssensoren. Insgesamt führte Planck zu Beginn seiner Reise mehrere hundert Liter flüssigen Heliums und Wasserstoffs zu diesem Zweck mit. Das empfindlichere von Plancks Instrumenten, das High Frequency Instrument (HFI) mit einer erforderlichen Betriebstemperatur zwischen 0,1 und 1,6 Kelvin, war entsprechend bereits im Januar 2012 deaktiviert worden.

Ursprünglich war eine wissenschaftlich produktive Einsatzdauer von nicht einmal zwei Jahren geplant, die von beiden Instrumenten übertroffen werden konnte. Für das Low Frequency Instrument (LFI) endete der eigentliche Betrieb mit dem Sammeln von Beobachtungsdaten am 3. Oktober 2013 nach der fünften Durchmusterung des gesamten Himmels.

Planck, im Jahr 1996 konkret angekündigt, stellte zusammen mit Herschel die Abschlussmission des bereits 1984 angelaufenen Horizon 2000-Programms der ESA zur wissenschaftlichen Erforschung des Kosmos durch Raummissionen dar. Die Fortsetzung der erprobten Missionsreihe wird gegenwärtig mit dem sogenannten Horizon 2000+-Konzept (Gaia, BepiColombo) weitergeführt und zukünftig von Cosmic Vision 2015-2025 (Solar Orbiter, Euclid, JUICE) ersetzt werden.

Das primäre Missionsziel war, von Anfang an, die bisher genaueste, flächendeckende Kartierung der kosmischen Hintergrundstrahlung im Mikrowellen-Bereich (CMB), zur Überprüfung bisher empirisch unbestätigter Erklärungsansätze zu Natur und Entwicklung des Universums. Plancks Vorgänger COBE und WMAP hatten auf diesem Gebiet schon zuvor Ergebnisse geliefert, jedoch nicht in vergleichbarer Detailqualität, wie die vom Planck-Konsortium am 21. März 2013 veröffentlichen Flächenkarten des CMB zeigten.

Der kosmische Mikrowellenhintergrund bildet die Materie- und Strahlungsverteilung des frühen Universums nur rund 380.000 Jahre nach dem Urknall ab, als dieses erstmals ausreichend „abgekühlt“ war um für messbare Strahlung durchlässig zu sein. Interessant ist dabei, dass diese ältestmögliche Strahlung, stammend aus einem Moment nur einen kosmischen Bruchteil nach dem Beginn der Zeit, geringe räumliche Unterschiede in ihrer Intensität aufweist, die sich mit den Mustern der Materiedistribution unseres heutigen Universums, mehr als 13,82 Milliarden Jahre später, abgleichen und in Verbindung setzen lassen. Planck ermöglichte die verbesserte Darstellung dieses Zusammenhangs, warf aber mit der gleichzeitigen Entdeckung großflächiger Asymmetrien und „kalter Flecken“ im Sensorbild des Hintergrunds auch neue, bisher nicht vollständig gelöste Fragen auf.

Unter anderem zum Abgleich des CMB, wurde von Planck auch umfangreiches Datenmaterial über die Position von Galaxienhaufen, die Gas-Filamenten zwischen ihnen, und weitere makroskopische, massereiche Gebilde im Universum, etwa Ansammlungen sogenannter „Dunkler Materie“, produziert. Dabei konnte der „Sunyaev-Zel’dovich-Effekt“ ausgenutzt und einer direkten Überprüfung unterzogen werden. Im Zuge dessen ergab sich auch eine in neuer Qualität fundierte Schätzung über die anteilsmäßige Zusammensetzung des Universums: neben den nur 4,9%, die die klassische, baryonische Materie ausmacht, wurde die Dunkle Materie mit nun immerhin 26,8% und die Dunkle Energie mit 68,3% beziffert. Quasi als Nebenprodukt seiner Beobachtungstätigkeit konnte Planck weiterhin auch kleinere kosmische Phänomene, etwa bisher unverstandene, warme Staubstrukturen in der Raumebene unserer Milchstraße, entdecken. Sogar zum Alter, und damit ebenfalls zur Expansionsrate des Universums, konnten nach Übermittlung von Plancks Aufnahmen neue Aussagen getroffen werden. Mit einem Alter von, wie bereits genannt, 13,82 Milliarden Jahren, erwies sich das Universum als geringfügig älter als bisher angenommen. Entsprechend konnte die „Hubble-Konstante“ H0 im Laufe der Mission auf nur 67,15 +/- 1,2 Kilometer pro Sekunde pro Megaparsec präzisiert werden: Weniger als von bisherigen Messungen angedeutet.

Erst vor wenigen Tagen konnte, mit Hilfe von Herschel, die Tür in eine bislang unerreichbar frühe Periode des Universums aufgestoßen werden: Wie sich herausstellte, ist es grundsätzlich möglich Informationen über die Beschaffenheit des Universums noch während seines „undurchsichtigen“ Lebensabschnitts durch Teleskope zu erlangen. Plancks Daten werden, so hofft man, schon im kommenden Jahr Herschels Vorarbeit ergänzen können. Es geht darum, bestimmte polarisierte Anteile der kosmischen Hintergrundstrahlung, sogenannte „primordiale B-modes“, nachzuweisen. Sie wurden von Gravitationseffekten beeinflusst, die noch deutlich älter als das unmittelbar sichtbare Universum sind und entsprechend Rückschlüsse auf die frühe Zeitperiode ihres Ursprungs erlauben.

Immer wieder wurde bei den Veröffentlichungen auf Planck gestützter Resultate während der letzten Monate deutlich, dass die beteiligten wissenschaftlichen Institute und Forschungsgruppen mit den erbrachten Leistungen ihres Teleskops außerordentlich zufrieden sind. Ebenso oft wurde auf das Potential der verbleibenden, noch nicht ausgewerteten Datenvorräte der Mission hingewiesen, die noch für die kommenden Jahre weiterführende Ergebnisse versprächen. Dennoch unterlag auch Planck, so viel lässt sich mit einiger Sicherheit bereits jetzt vermuten, unausweichlich Fluch und Segen der modernen (Astro-)Physik: aus jedem mit großem Aufwand gelüfteten Geheimnis des Kosmos ergaben sich bisher (mindestens) zwei Neue. Die Weiterführung der begonnenen kosmologischen Gralssuche wird das Privileg der nächsten Generation von Weltraumteleskopen bleiben. Planck jedenfalls, kann nach seiner erbrachten Leistung den Staffelstab mit Stolz und einiger Zuversicht übergeben.

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• Ariane 5 ECA V-188 mit *Herschel* / *Planck*
• Neuer Blick aufs Universum mit Herschel/Planck

Der Beitrag Planck im Ruhestand erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Ein Beitrag von Michael Clormann. Quelle: ESA, pole.uchicago.edu.

Das ESA-Teleskop Herschel war erst im Juni diesen Jahres, nach vierjähriger Missionsdauer, von seiner Position im Lagrange-Punkt 2 in eine Friedhofsbahn um die Sonne eingeschossen worden, nachdem im April die mitgeführten Vorräte an Kühlmittel für die hochempfindlichen Instrumente endgültig zur Neige gegangen waren.

Die Auswertung der bis dahin gesammelten und zur Erde übertragenen Daten hat, wie Anfang dieser Woche bekannt wurde, erneut ein ungewöhnlich faszinierendes Resultat erbracht: Die Möglichkeit zur Betrachtung des Universums in einem Zustand noch vor dem ersten Sichtbarwerden elektromagnetischer Strahlung.

Die bisherige Grenze empirischer astronomischer Erkenntnis über die Frühzeit des Universums stellte ein Zeitpunkt etwa 380.000 Jahre nach dem Urknall dar. Ab diesem Moment, in kosmischen Maßstäben nur einen Wimpernschlag nach ihrer eigentlichen Entstehung, war die kosmische „Ursuppe“ bereits so weit abgekühlt, dass sie für die dann schon vorhandene Strahlung durchlässig wurde. Dieses erste Aufleuchten des entstehenden Universums kennen wir heute als schwache kosmische Hintergrundstrahlung (CMB) mit einer Temperatur von etwas mehr als 2,7 Kelvin. Die ebenfalls europäische Teleskopmission Planck hatte im März 2013 die bis dato genauste Gesamtkartierung der Hintergrundstrahlung und ihrer örtlich minimal ungleich verteilten Intensität abgeschlossen. Das für die jüngste Forschung zusätzlich eingesetzte, erdgestützte South Pole Telescope (SPT), betrieben von einem Verbund amerikanischer Universitäten und der National Science Foundation, ist ebenfalls explizit auf die umfassende Kartierung des CMB im (Sub-)Millimeterspektrum spezialisiert.

Um Informationen über die Zustände in der Phase der sogenannten „Inflation“, also jener sehr aktiven Zeitspanne vor der ausreichenden Abkühlung und damit direkten Sichtbarkeit des Kosmos, zu erlangen, hatte man sich nun unter Astronomen für dieses Forschungsprojekt einen besonderen Kniff einfallen lassen: Es wurden erstmalig großflächige Aufnahmen des CMB durch das SPT mit Herschel-Daten im Infrarotspektrum über die Gravitationsverteilung des bekannten Universums zusammengeführt. Das antarktische 10-Meter Teleskop zeichnete dabei insbesondere bestimmte polarisierte Anteile der Hintergrundstrahlung (B-modes) mit seinem Instrument SPTpol auf. Von diesen B-modes ist bekannt, dass sie etwa durch den Einfluss von Gravitationslinsen auf den CMB im post-inflationären Zustand des Universums entstehen konnten. Polarisierte Anteile diesen Ursprungs wurden nun vom SPT erfasst und für die gerade vorgelegten Ergebnisse mit Hilfe von Herschels Daten über mögliche Quellen des Gravitationslinsen-Effekts ausgewertet. Mit diesem Verfahren gelingt offenbar nicht nur das effiziente Aufspüren von B-modes, sondern in umgekehrter Weise auch die Lokalisation sonst nicht auszumachender Gravitationsquellen wie Dunkler Materie.
Für den Blick noch weiter zurück in die Vergangenheit des Kosmos werden allerdings B-modes mit anderer Herkunft, sogenannte „primordiale B-modes“ relevant. Sie sind von noch während der Inflation entstandenen Gravitationseffekten, die Astrophysiker sprechen von „Gravitationswellen“, beeinflusst und damit Träger von Informationen aus einer bisher unerreichbar geglaubten Vergangenheit. Obwohl diese „Subspezies“ von B-modes der Hintergrundstrahlung nochmals schwerer fassbar ist als jene mit post-inflationärem Ursprung, haben Herschel und das SPT mit ihrer Beobachtung des letzteren Typs nachgewiesen, dass eine sensorische Erfassung der polarisierten Anteile des CMB grundsätzlich möglich ist.

Bereits im kommenden Jahr soll Planck gewissermaßen posthum, das Teleskop ist inzwischen auch inaktiv, mit der Veröffentlichung neuen Materials in dieser Frage nachlegen können, so hoffen die Forscher.

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Der Beitrag Vor dem ersten Licht erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Ein Beitrag von Michael Clormann. Quelle: ESA, NASA.

Planck operiert mit seiner Sensorik im Mikrowellen- und Submillimeterbereich, konkret also einem Frequenzspektrum von etwa 25 bis 1.000 GHz. Dies ist eine vergleichsweise breite Abdeckung, die durch den kombinierten Einsatz zweier Instrumente im Teleskop ermöglicht wird. Diese lassen, so das Kalkül bei der Entwicklung der Sonde, aufgrund ihrer Empfindlichkeit und hohen Auflösung bisher einmalige Beobachtungen des Untersuchungsgegenstandes von Planck zu: der kosmischen Hintergrundstrahlung. Das Konzept scheint sich nun tatsächlich bewährt zu haben. Heute veröffentlichte die ESA, zusammen mit ihren Partnern, umfangreiche Erkenntnisse der astronomischen Forschung die auf Plancks Messdaten basieren.

Kernstück der Ergebnisse ist eine neue, in ihrer Genauigkeit bislang unerreichte, Karte der Mikrowellenstrahlung aus der Frühzeit des Universums. Die grafische Darstellung der Strahlungsverteilung nur 380.000 Jahre nach dem Urknall weist dabei auf eine erstaunliche Homogenität des damaligen Kosmos‘ hin.

Die präzise Analyse der Hintergrundstrahlung ermöglicht, neben der Nachvollziehbarkeit gegenwärtiger Materieverteilung im Universum, auch eine verbesserte Schätzung des Vorkommens Dunkler Materie und Dunkler Energie. Letztere ist wohl doch deutlich seltener im Universum vorhanden als bisher angenommen. Rund 68,3 Prozent soll ihr kosmischer Anteil ausmachen. Das sind mehr als 4% weniger als bis dato angenommen. Entsprechend in größerem Umfang vorhanden sind wohl hauptsächlich die Dunkle Materie, aber eben auch die uns unmittelbar bekannte, „gewöhnliche“ Materie. Sie macht den jetzt aktuellsten Erkenntnissen zufolge 4,9% der Zusammensetzung des Universums aus.

Die Dunkle Materie ist ein astronomisches Postulat, das die beobachteten Gravitationswirkungen im Universum erklären soll, die sich nicht nur mit „gewöhnlicher“ Materie schlüssig begründen lassen. In ähnlicher Weise soll die Dunkle Energie eine fremdartige Triebkraft anschaulich machen, die das Universum in seiner Expansion auf bisher nicht völlig verstandene Weise beschleunigt.

Eine weitere Folgerung aus den aufgearbeiteten Daten Plancks ist eine neue Angabe zum Alter des Universums. Es soll etwa 100 Millionen Jahre älter sein als bislang vermutet, nämlich 13,82 Milliarden Jahre. Entsprechend geringer als angenommen scheint demnach auch seine (gegenwärtige) Expansionsrate auszufallen. Sie wird durch die Hubble-Konstante repräsentiert, deren Wert jetzt, nach Daten des Weltraumteleskops, auf 67,15 +/- 1,2 Kilometer pro Sekunde pro Megaparsec geschätzt wird.

Zusätzlich konnten auch Rückschlüsse auf die unmittelbare Zeitperiode nach dem Urknall, die sogenannte Inflation, gezogen werden. Die homogene Struktur des Hintergrundrauschens lässt darauf schließen, dass die Inflation bereits sehr früh von zufälligen Prozessen auf Quantenebene geprägt war. Dies revidiert einige bisherige Theorien über den Ablauf der extremen Expansion zu Beginn des Universums.

In diesem Sommer wird das abschließende Ende von Plancks Mission gekommen sein. Eines seiner Instrumente wurde bereits vor gut einem Jahr abgeschaltet. Der zweite Sensor wird in wenigen Monaten ebenfalls außer Betrieb gehen müssen. Das Kühlmittel zur aufwändigen Tiefkühlung der Präzisionsgeräte ist dann endgültig aufgebraucht. Insgesamt bildete das europäische Teleskop im Laufe seiner Betriebszeit den gesamten Himmel fünf Mal im Mikrowellenspektrum ab. Die so gesammelten Daten werden noch einige Zeit der Auswertung in Anspruch nehmen. Weitere umfangreiche Forschungsresultate sollen im kommenden Jahr zur Verfügung stehen.

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• Neuer Blick aufs Universum mit Herschel/Planck

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Ein Beitrag von Hans J. Kemm. Quelle: physicsworld. Vertont von Peter Rittinger.

Es wird kaum aufzuzählen sein, in wievielen hitzigen Diskussionen Astronomen über die Frage debattiert haben: Wie ist unser jetzt sichtbares Universum entstanden? Vorläufig hat dann wohl die Urknall-Theorie das Rennen gemacht, denn ein Bestandteil dieser Theorie ist die klar erkennbare Ausdehnung des jetzigen Raumes; die von Fachleuten betitelte „Expansion des Universums“. Diese Expansion wurde 1927 von G. Lemaitre entdeckt. Diese Entdeckung verband er mit Sliphers Rotverschiebungen und Hubbles Distanzen und schloss daraus, dass das sichtbare Universum expandiert. Diese Betrachtungen führten schließlich zu der Annahme des Urknalls, da die Abstände zwischen den Galaxien in diesem Modell zu einem endlichen Zeitpunkt in der Vergangenheit verschwinden und dann ein Zustand unendlich hoher Dichte vorliegen musste.

Alle anderen Wissenschaftler haben bisher keine eindeutige Retrodiktion vortragen können. Aber Theorien haben ja nur solange Gültigkeit, bis sie von einer Neuen ersetzt werden.

Am 30. Juni 2001 startete auf einer Delta-II-7425-10-Trägerrakete die Raumsonde Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP). Sie wurde eingesetzt zur Erforschung von Unregelmäßigkeiten in der kosmischen Hintergrundstrahlung; von dieser Strahlung wurde eine Karte erstellt. Bei der kosmischen Hintergrundstrahlung (Drei-Kelvin-Strahlung) handelt es sich um elektromagnetische Strahlung, die aus jedem Bereich des Himmels nachgewiesen werden kann. Sie liefert somit wichtige Informationen über das frühe Universum.

Bei den Auswertungen der WMAP-Daten dieses Echos des Urknalls haben die Astronomen herausgefunden, dass nicht alles so gleichförmig ist, wie ursprünglich angenommen. Es wurden kleinste Temperaturschwankungen festgestellt, die oft nur den Millionsten Bruchteil eines Grads ausmachen. Möglicherweise konnte das mit den Dichteunterschieden in Verbindung gebracht werden. Somit wäre an einer Stelle des Universums etwas mehr Materie vorhanden als an einer anderen Stelle. Außerdem zeichneten sich konzentrische Ringe mit explizit niedrigeren Temperaturen ab. Der Physiker und Kosmologe Roger Penrose und sein Kollege Vahe Gurzadyan sagen jetzt, dass diese Strukturen die Spuren von Zusammenstößen Schwarzer Löcher sind, noch in dem Universum, aus dem unser jetziger Kosmos im Urknall hervorgegangen ist. Würde diese Aussage stimmen, dann hätten wir einen Beleg dafür, dass wir vor den bisher apostrophierten Big Bang blicken könnten.

Um einen schlüssigen Beweis führen zu können, haben Gurzadyan und Penrose sämtliche Daten der BOOMERanG-Mission (Balloon Observations Of Millimetric Exragalactic Radiation and Geophysics Mission) ausgewertet. Diese Mission diente der Messung der Hintergrundstrahlung mittels eines Ballons. Die Messungen wurden 1998 gestartet und mit einen Parabolspiegel von 1,2 m Durchmesser aufgenommen. Der Detektor wurde auf 0,28 K gekühlt um Messwertschwankungen durch interne Wärmestrahlung so gering wie möglich zu halten. Während einer Messung kreiste der Ballon im Zeitraum von 10 Tagen um die Antarktis und nahm dabei 3% der Himmelssphäre auf. Tatsächlich zeigten sich in den BOOMERanG-Daten die Ringe an den gleichen Stellen wie in den WMAP-Daten. Um einen Instrumenten-Effekt der WMAP-Detektoren kann es sich also nicht handeln.

Das würde dann bedeuten, dass wir es nicht mit einem Beginn von Null an zu tun haben (Bild 1 in der Grafik) sondern mit einem zyklischen Universum (Bild 2 in der Grafik). Nach Meinung der beiden Wissenschaftler entsteht zyklisch aus einem alternden Universum durch einen neuen Urknall wieder ein neuer Kosmos. Bei den konzentrischen Ringen handelt es sich in diesem Modell um Überreste der Gravitationswellen, die beim Zusammenstoß supermassereicher Schwarzer Löcher in Galaxienhaufen im Vorgänger-Kosmos unseres Universums freigesetzt worden sind.

Und somit beginnt die Debatte erneut. Diese jetzt favorisierte zyklische Kosmologie ist bei vielen Wissenschaftlern umstritten. Es ist angebracht, nach weiteren Beweisen zu suchen, um diese neue Theorie zu bestätigen oder abzulehnen. Wichtig ist zu überdenken, ob alle bisher vorgetragenen physikalischen Gesetze über den Big Bang, wie die Anfangssingularität, die Zeitreihenfolge und die Expansion mit dieser neuen Theorie im Einklang sind. Falls es im Neustart eine Singularität gegeben hat, woher stammt dann die Information aus dem vorherigen Universum? Oder ist dieser neue Big Bang doch anders verlaufen? Fragen über Fragen; wird interessant werden, wenn neue Antworten kommen.

Verwandte Webseiten:

• WMAP Mission Specifications

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Ein Beitrag von Martin Ollrom. Quelle: PPARC.

Viele Objekte im Weltraum emittieren Licht, egal in welcher Lichtwellenlänge. Dieses Licht reist oft Jahrtausende durchs All, ehe es von einem unserer Teleskope aufgefangen wird. Dass es hier gedämpft eintrifft, liegt unter anderem an der kosmischen Hintergrundstrahlung, die dieses Licht absorbiert. Oft werden diese Objekte nur als Hintergrundlicht bei Untersuchungen wahrgenommen – eben weil das Licht so gedämpft wurde, dass man sie kaum von der kosmischen Hintergrundstrahlung unterscheiden kann. Forscher haben lange versucht, diese kosmische Hintergrundstrahlung zu untersuchen und ihre Rolle in der Entwicklung des Kosmos zu bestimmen. Bisher war es aber schwer, da die Teleskope nicht über die notwendige Empfindlichkeit verfügten. Noch dazu schien diese Hintergrundstrahlung fast unsichtbar. Außerdem ist es schwer, diese Strahlung von der Erde aus im Nachthimmel zu finden und zu identifizieren.

Extrem hochenergetische Gammastrahlung, die etwa 100.000.000.000 Mal intensiver als normales Licht ist, ist eine neue Methode für die genauere Untersuchung dieser Hintergrundstrahlung und der Gammastrahlenquellen. Das bekannteste Gammastrahlenteleskop ist INTEGRAL der ESA. Aber auch erdgebundene Gammastrahlenteleskope findet man immer öfter. Englische Forscher haben das High Energy Stereoscopic System (HESS) in Namibia verwendet, um weit entfernte Quasare zu untersuchen, die gleichzeitig auch eine Gammastrahlenquelle sind. Gammastrahlung wird von den meisten Weltraumobjekten erzeugt. Leider wird diese Gammastrahlung auf dem Weg zur Erde von Photonen der normalen Hintergrundstrahlung absorbiert. Genau diese Hintergrundstrahlung gibt es vermutlich, seit es das Universum gibt – also der Bote der Vergangenheit. Es werden weit entfernte Gammastrahlenquellen wie Quasare verwendet, um diese fossile Hintergrundstrahlung zu messen – je weniger Gammastrahlen bei der Erde ankommen, desto höher muss die Dichte des fossilen Nebels sein, der das Universum einhüllt. So kann man auch feststellen, wo es unter Umständen auch Löcher in diesem Nebel gibt, wo also mehr Gammastrahlung durchdringt. Aber vielleicht ist dieser Wert auch überall gleich. Es konnte festgestellt werden, dass die ankommenden Gammastrahlen im Vergleich zu den erwarteten Strahlen sehr gering sind. Dies weist auf eine immer präsente und intensive kosmische Hintergrundstrahlung hin.

Doktor Lowry McComb von der Durham-Universität kommentiert die Untersuchungsergebnisse wie folgt: „HESS hat in den letzten Jahren eine bedeutende Anzahl von wichtigen Entdeckungen gemacht. Es hat die Gammastrahlenforschung revolutioniert. Diese neuen Ergebnisse zeigen, welche Geheimnisse diese Art von Astronomieforschung noch verbirgt. Vor allem jetzt, wo die Teleskope immer tiefer in die Vergangenheit des Universums blicken können, ist es wichtig gute Techniken zu entwickeln. Leider ist diese Hintergrundstrahlung oft auch transparent für die Gammastrahlung!“

Wir können uns überraschen lassen, welche Erfolge Dr. McComb mit dem HESS Teleskop noch zu verbuchen haben wird.

Der Beitrag Bote der Vergangenheit erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Ein Beitrag von Martin Ollrom. Quelle: SpaceFlightNow.

Das Wissenschaftler-Team bestand aus Mitgliedern von Amerika und England. Sie benutzten das Spitzer Weltraumteleskop für diese Messungen und Erforschungen, die Galaxien selbst wurden aber mit dem James Clerk Maxwell telescope (JCMT) gefunden. Englische Astronomen von der Universität in Kent, Edinburgh und Oxford schlossen sich mit einen amerikanischen Cosmologen-Team zusammen um diese unglaublichen Galaxien zu studieren.

Alles begann im Jahre 1995 als die in England gebaute Kamera Sub-millimetre Common User Bolometer Array (SCUBA) am JCMT einige unscharfe und unvorstellbar große Galaxien in niedriger Wellenlänge des Lichts fand. Die meisten waren zu weit weg, oder waren zu staubig das sie vom Hubble Teleskop nicht gesehen wurden, und das soll schon was heißen. Nun mussten die Wissenschaftler ein anderes Teleskop finden das ähnlich leistungsfähig ist, doch das Spitzer Teleskop war 1995 noch nicht gestartet und gerade erstmal in Entwicklung. Die Wissenschaftler investierten viel Zeit in sogenannte Radio-Teleskope um die Antwort auf die SCUBA Bilder und die damit unbeantworteten Fragen zu beantworten.

Nun bekamen sie Spitzer zur Verfügung und es dauerte nur zehn (!) Minuten um diese Galaxie zu finden. Dabei bekamen die unscharfen Galaxien von SCUBA endlich Gestalt. Gleichzeitig löste Spitzer ein anderes Geheimnis der SCUBA Daten. Sie fanden weiters die kosmische Hintergrundstrahlung und konnten erstmals deren Quelle feststellen. Diese kosmische Hintergrundstrahlung fand man schon vor einiger Zeit nur man konnte die Vermutung, es stamme von einer Galaxie bis heute nicht nachweisen. Die meisten „jüngeren“ Sterne und Sternformationen entstanden in solchen Galaxien, die genug Material für einen Planeten besitzen.

Dies ist bereits die zweite große Entdeckung des Forscherteams.

Der Beitrag Spitzer: Zu weit für Hubble erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Ein Beitrag von Andreas Tramposch. Quelle: Spaceflight Now.

Bisher gab es zwei Theorien, welche die Eigenschaften des Weltalls beschreiben sollten: die allgemeine Relativitätstheorie und die Quantentheorie. Beide sind jedoch unvollständig und lassen einige Fragen unbeantwortet. Die Stringtheorie versucht die große (gravitationsbezogene) und kleine (atomare) Physik zu vereinigen.
Kritiker jedoch vorspotteten die Stringtheorie als Philosophie, die nicht getestet werden kann. Wie auch immer kann sich Richard Easther und sein Wissenschaftlerteam von der Yale Universität vorstellen, dass sich Beweise für die Stringtheorie mittels genauer Beobachtung und sorgfältiger Messung und Auswertung des Cosmic Microwave Background (CMB) (kosmische Hintergrundstrahlung) finden würden.

Die Stringtheorie offenbart sich nur bei extrem kurzen Distanzen und extrem hohen Energien. Die Planck-Konstante ist die theoretisch kürzesete Distanz, die gefunden werden kann. Mit einer Strecke von 10^-30 Meter ist zehn Billionen Billionen Mal größer als ein winziges Wasserstoffatom. Die größten Teilchenbeschleuniger erzeugen mit 10^-15 elektronischen Volt bei kollidierenden subatomaren Teilchen hohe Energien. Dieses Energielevel könnte die Quantentheorie offenbaren, aber ist immer noch um ganze ein Billiarden Mal geringer, als die Energie, die erforderlich ist um die Stringtheorie zu beweisen. Wissenschaftler erkennen, das sie weder diese extrem kurze Distanz noch die extrem hohe Energie aufbringen können um die Stringtheorie zu beweisen.

Wissenschaftler behaupten, dass die fundamentalen Kräfte des Weltalls, das sind die Gravitation (von der allgemeinen Relativitätstheorie definiert), Elektromagnetismus, schwache radioaktive und starke Nuklearkräfte (alle von der Quantentheorie definiert), bei dem extremen Energieausstoß beim Urknall vereinigt waren und die ganze Materie und Energie auf einem subatomaren Maßstab beschränkt war. Obwohl der Urknall beinahe 14 Milliarden Jahre vergangen ist, hat die kosmische Hintergrundstrahlung die ersten Momente der Zeit aufgenommen.

Die Wilkinson Microwave Anistropy Probe (WMAP) studierte die kosmische Hintergrundstrahlung und entdeckte feinste Temperaturunterschiede der Hintergrundstrahlung bei einer Temperatur von nur 2,73 Grad Celsius über dem absoluten Nullpunkt. Diese Einheitlichkeit ist Beweis für eine Periode in der sich die Expansion das Weltall nur 10^-33 Sekunden nach dem Urknall rapide beschleunigte. Während dieser Periode wuchs das Weltall von einem subatomaren in einen kosmischen Maßstab und vergrößerte sich um 100 Billionen Billionen Mal. Das Energiefeld, welches die Ausbreitung verursachte, bleibt wie alle Quantenfelder als Energieschwankungen erhalten. Diese Schwankungen, die wie Wellen an einem gefrorenen Teich in der kosmischen Hintergrundstrahlung ersichtlich sind, könnten den Beweis für die Stringtheorie beinhalten.

Professor Easther und seine Kollegen heben hervor, dass die Stringtheorie messbare Effekte in der kosmischen Hintergrundstrahlung in Form von einem feinen Muster aus heißen und kalten Punkten hinterlassen könnte. Die Stringtheorie ist so schwierig experimentell zu bestimmen, dass die einzige Chance daraus besteht sie mittels mühelosen Versuchen zu bestätigen.

Der Beitrag Beweise für Stringtheorie erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Autor: Andreas Kopp.

Die WMAP-Mission
Im Jahr 1965 wurde die Kosmische Hintergrundstrahlung entdeckt. Dabei handelt es sich um eine überaus gleichmäßig verteilte Mikrowellenstrahlung, die als Nachwirkung des so genannten „Urknalls“ messbar ist. Anfang der 1990er Jahre wurden von der Raumsonde COBE (= „Cosmic Background Explorer“) jedoch winzige Unregelmäßigkeiten entdeckt, was natürlich die Neugier der Wissenschaftler weckte. Aus diesem Grund wurde am 30. Juni 2001 von der amerikanischen Raumfahrtbehörde NASA die Raumsonde WMAP (= „Wilkinson Microwave Anisotropy Probe“) gestartet, die eine neue Karte der Kosmischen Hintergrundstrahlung mit einer Auflösung von 0,3 Bogengrad erstellen sollte. Die Sonde ist in der Lage, Temperaturunterschiede von nur 20 Millionstel Grad Kelvin zu registrieren!

Nach dem Start kreiste die Raumsonde zunächst einige Male um die Erde, bevor sie mit einem so genannten „Swing-by-Manöver“ die Schwerkraft des Mondes ausnutzte, um ihre Geschwindigkeit zu erhöhen und den Weg zu ihrer Beobachtungsposition anzutreten. Das Ziel der Reise war der in etwa 1,5 Millionen Kilometer Entfernung von der Erde gelegene Lagrange-Punkt L2, eine quasi-stabile Position in der Sonne entgegengesetzter Richtung. An dieser Position gleichen sich die Anziehungskräfte von Erde und Sonne aus, und WMAP ist die erste Raumsonde, die um diese Position in einem semi-stabilen Orbit kreist (d.h. es sind regelmäßige Korrekturmanöver erforderlich, um den Orbit um diesen Punkt zu halten). Durch die Positionierung der Raumsonde an diesem sonnenabgewandten Punkt blicken die Messinstrumente von WMAP ständig in die entgegengesetzte Richtung von Sonne, Erde und Mond, was einen kontinuierlichen, ungestörten Blick in den Weltraum garantiert.

Am 1. Oktober 2001 erreichte WMAP schließlich die geplante Beobachtungsposition und begann mit der Kartierung der Kosmischen Hintergrundstrahlung. Die Beobachtungszeit ist auf zwei Jahre veranschlagt, die Anfang 2003 veröffentlichte erste kosmische Himmelskarte von WMAP wurde quasi zur Halbzeit während eines einjährigen Umlaufs der Raumsonde um die Sonne aufgenommen. Die weiteren Beobachtungen werden es erlauben, diese Daten zu überprüfen und die Genauigkeit der Karte weiter zu verbessern.

Was ist an der Kosmischen Hintergrundstrahlung so interessant?
Die von WMAP gelieferten und Anfang Februar 2003 in Form einer kosmischen Himmelskarte präsentierten Daten stellen eine Aufnahme der Mikrowellenstrahlung dar, die rund 380.000 Jahre nach dem „Urknall“ – also der Entstehung unseres Universums – entstanden ist. Dabei handelt es sich um die erste Strahlung, die frei durch das entstehende Universum flutete: Noch weiter zurück in unsere Vergangenheit zu schauen wird niemals möglich sein, denn vorher war die kosmische Materie des jungen Weltalls derartig dicht gepackt, dass die vorhandene Strahlung ständig damit wechselwirkte.
 
Das Vorhandensein der Kosmischen Hintergrundstrahlung als Folge des Urknalls und der anschließenden Ausdehnung des Universums wurde bereits in den 1940er Jahren von Vertretern der „Urknall-Theorie“ vorhergesagt, und im Jahr 1965 gelang dann auch tatsächlich der Nachweis mit Hilfe von Radioteleskopen. Die Mikrowellenstrahlung mit einer Temperatur von gerade einmal 2,7°C über dem absoluten Nullpunkt ist an sich aufgrund ihres Vorhandenseins schon interessant genug, richtig spannend wird es allerdings dadurch, dass die Temperatur dieser Hintergrundstrahlung nicht überall exakt gleich ist: Erstmals zeigten sich auf den Aufnahmen des WMAP-Vorgängers COBE winzige, nur wenige Millionstel Grad Kelvin kleine Temperaturunterschiede, die jedoch von großer Bedeutung sind.
 
Mit diesen kaum messbaren Temperaturfluktuationen (oder auch „Anisotropien“ – daher der Name von WMAP) korrelieren erste Materieverdichtungen und -ausdünnungen, frühe Anzeichen späterer kosmischer Strukturen. So weisen Punkte mit etwas höheren Temperaturwerten auf Materieverdichtungen hin, die im Laufe der weiteren Entwicklung durch ihre geringfügig höhere Gravitation zunehmend mehr Materie in sich vereinigten und somit Keimzellen der späteren Sterne und Galaxien waren. Die Intensität dieser Fluktuationen ist darüber hinaus auch ein wichtiger Indikator, der Rückschlüsse auf die Zusammensetzung und Dichte der kosmischen Materie zuläßt – und damit gleichzeitig auch auf die weitere Entwicklung des Weltalls, denn von der kosmischen Materie- bzw. Energiedichte hängt es ab, ob sich das Universum in ferner Zukunft aufgrund der Gravitation wieder zusammenziehen oder aber bis in alle Ewigkeit ausdehnen wird.

Die wichtigsten Ergebnisse
„Wir haben das ‚frühkindliche‘ Universum perfekt fokussiert aufgenommen, und auf Basis dieser Aufnahme können wir nun das Universum mit unerreichter Genauigkeit beschreiben“, so der Projektleiter Dr. Charles Bennett vom Goddard Space Flight Center.

Eine für Astronomen überraschende Schlussfolgerung aus den von WMAP gelieferten Daten ist die relativ geringe Zeit, die nach dem Urknall bis zum Aufleuchten der ersten Sterne in dem bis dahin sternenlosen, jungen Universum verging. Die Wissenschaftler mussten nach Auswertung der WMAP-Daten feststellen, dass die erste Sternengeneration schon viel früher als bisher angenommen das Dunkel des Weltalls erleuchtete, nämlich bereits rund 200 Millionen Jahre nach dem Urknall.

Auch zur Frage, wie hoch das Alter unseres Universums anzusiedeln sei, gibt es nun dank WMAP eine neue, von den Wissenschaftlern als sehr genau qualifizierte Angabe. Demnach kann man aus den in den letzten zwölf Monaten gesammelten Beobachtungsdaten ein Alter des Weltalls von 13,7 Milliarden Jahren ableiten. WMAP bestätigte weiterhin die letzten, auf Basis von ballon- und erdgestützten Experimenten gewonnenen Aussagen über die Geometrie des Universums: Wie leben in einem „flachen“, nicht-gekrümmten Universum – die alte Aussage aus der Schulmathematik, wonach sich zwei Parallelen nie schneiden, gilt demnach also nicht nur für Entfernungen unserer täglichen Lebenserfahrung, sondern auch über das gesamte Universum hinweg.
 
Und auch zur Frage, wie es in Zukunft mit der kosmischen Entwicklung weitergehen wird, glauben die an dieser Forschungsmission beteiligten Astronomen und Astrophysiker einen Beitrag liefern zu können: Demnach wird es wahrscheinlich bis in alle Ewigkeit expandieren, Anzeichen für eine zukünftige Kontraktion des Universums konnten aus den Beobachtungsdaten von WMAP nicht gewonnen werden. Eine weitere Aussage während der Ergebnispräsentation betraf die Zusammensetzung des Universums. Demnach legen die WMAP-Daten nahe, dass das Weltall nur zu rund 4 Prozent aus Atomen in Form aktiver, „regulärer“ kosmischer Objekte besteht, während sich 23 Prozent aus so genannter „Dunkler Materie“ und etwa Dreiviertel aus „Dunkler Energie“ zusammensetzen. Was genau es mit diesen Bezeichnungen auf sich hat, wie wir uns also die beiden wesentlichen Bestandteile des Kosmos vorzustellen haben, dass ist auch für Astronomen noch in vielerlei Hinsicht offen.
 
Die Mission WMAP ist für die beteiligten Wissenschaftler ein voller Erfolg gewesen, konnten doch dadurch bedeutende Indizien zur Beantwortung wichtiger Grundsatzfragen über den Charakter unseres Universums geliefert werden. Voraussichtlich im Jahr 2007 wird die europäische Raumsonde Planck starten und die Kosmische Mikrowellen-Hintergrundstrahlung mit noch einmal deutlich gesteigerter Empfindlichkeit beobachten. Sicherlich werden dadurch weitere Fragen über die Vergangenheit, aber auch die Zukunft des Weltalls beantwortet werden können – allen Antworten zum Trotz aber wird auch Planck wie jetzt WMAP Stoff genug für viele neue Fragen liefern…

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Autor: Karl Urban, bearbeitet von Star-Light, Quelle: University of Chicago.

Mit Hilfe eines Radio-Teleskops mit dem Namen Degree Angular Scale Interferometer (DASI) auf der National Space Foundation’s Amundsen-Scott South Pole Station maßen die Chicagoer Wissenschaftler eine insgesamt eine Minute lang andauernde Polarisierung der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung, dem himmelsdurchdringenden „Nachglühen“ des Urknalls.

Der größte Teil des Lichts ist unpolarisiert, seine vielen individuellen Wellen überlagern sich ständig, jede Welle flackert auf und schwellt wieder ab – auf einer anderen Ebene auf ihrem Weg zur Erde. Unpolarisiertes Licht wird unpolarisiert, wenn es reflektiert oder gestreut wird. Dies ist auch das Prinzip von polarisierten Sonnenbrillen, die den Glanz des Autolacks oder der Wasseroberfläche „entfernen“, die die Lichtwellen, die stark auf- und abflackern, dazu bringen, die Gläser in einer Ebene zu passieren.

Die Polarisierung des kosmischen Mikrowellen-Hintergrunds entstand, als dieser durch das Auftreffen auf Materie vor über 14 Milliarden Jahren gestreut wurde.
„Anstatt darauf zu bestehen, dass wir den Ursprung und die Entwicklung des Universums wirklich verstehen, sagen wir lieber, dass wir es einfach nicht wissen“, sagt Kohn Carlstrom, Professor in Chicago und Teilnehmer an dem Forschungsprojekt. Er möchte die bevorstehende Entdeckung ankündigen: „Polarisation wurde vorhergesagt. Es wurde gemessen und sie liegt auf der Ebene der theoretischen Vorhersagen. Wir haben einen Stoß in dieses groteske Universums gewagt.“

Es ist ein Universum, in welchem üblicherweise nur etwa 5 Prozent aller Materie und Energie aus dem Material besteht, aus dem Sterne und Planeten und Menschen gemacht sind. Die sehr viel größere Mehrzahl des Universums ist unterdessen eine noch unbekannte Sache, die die Astronomen auch Dunkle Materie und Dunkle Energie nennen. Diese undeutlichen Namen spiegeln den Fakt wider, dass die Wissenschaftler einfach nichts darüber wissen. Sie wissen nur, dass es entgegen der Gravitation wirkt und die Expansion des Universums beschleunigt.

Zusätzlich zur „Dunklen-Energie-Theorie“ macht es die der kosmischen Inflation unwahrscheinlich, dass das Universum das gigantische Wachstum in dem Bruchteil einer Sekunde nach dem Urknall überstanden haben kann.

Mehr zum DASI-Projekt können Sie hier lesen. Zum DASI-Projekt ist auch eine Bildergalerie verfügbar.

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Autor: Michael Stein.

Einleitung
1992 entdeckte die NASA-Raumsonde Cosmic Background Explorer (COBE) winzige Fluktuationen der Kosmischen Hintergrundstrahlung. Diese Strahlung im Mikrowellenbereich wurde 1965 entdeckt und ist gewissermaßen ein „Nachglühen“ des so genannten Urknalls, der Explosion, mit der nach heute vorherrschender Meinung die Geschichte unseres Universum begann. Die Kosmische Hintergrundstrahlung ist über den gesamten Himmel gleichmäßig verteilt – so zumindest war der Kenntnisstand, bis COBE vor einigen Jahren die oben beschriebene Entdeckung machte. COBE entdeckte beispielsweise, das eine bestimmte Himmelsregion eine Temperatur von 2,7251 Kelvin (= Grad Celsius über dem absoluten Nullpunkt) aufweist, während eine andere Region 2,7249 Kelvin „warm“ ist.
 
Interessant sind diese Fluktuationen für Astronomen deshalb, weil sie mit Unregelmäßigkeiten in der Materiedichte des frühen Universums einhergehen und somit Aufschluß über die Bedingungen geben, die letztendlich zur Ausformung kosmischer Strukturen wie Galaxien und Galaxienhaufen führten. COBE war allerdings nur in der Lage, eine sehr grobe Karte der Hintergrundstrahlung anzufertigen, da die maximale Auflösung 7 Bogengrad betrug (zum Vergleich: der Vollmond ist etwa 14-mal kleiner). Aus diesem Grund wurde am 30. Juni 2001 von der amerikanischen Raumfahrtbehörde NASA die Raumsonde Microwave Anisotropy Probe (MAP) gestartet, die eine neue Karte der Kosmischen Hintergrundstrahlung mit der deutlich besseren Auflösung von 0,3 Bogengrad erstellen soll (dabei kann die Sonde Temperaturunterschiede von nur 20 Millionstel Grad Kelvin registrieren!)

Was bisher geschah
Nach dem Start kreiste die Raumsonde zunächst einige Male um die Erde, bevor sie mit einem so genannten „Swing-by-Manöver“ die Schwerkraft des Mondes ausnutzte, um ihre Geschwindigkeit zu erhöhen und den Weg zu ihrer Beobachtungsposition anzutreten. Das Ziel der Reise war der in etwa 1,5 Millionen Kilometer Entfernung von der Erde gelegene Lagrange-Punkt L2, eine quasi-stabile Position in der Sonne entgegengesetzter Richtung. An dieser Position gleichen sich die Anziehungskräfte von Erde und Sonne aus, und MAP ist die erste Raumsonde, die um diese Position in einem semi-stabilen Orbit kreist (d.h. es sind regelmäßige Korrekturmanöver erforderlich, um den Orbit um diesen Punkt zu halten). Durch die Positionierung der Raumsonde an diesem sonnenabgewandten Punkt blicken die Messinstrumente von MAP ständig in die entgegengesetzte Richtung von Sonne, Erde und Mond, was einen kontinuierlichen, ungestörten Blick in den Weltraum garantiert.

Am 1. Oktober 2001 erreichte MAP schließlich die geplante Beobachtungsposition und begann mit der Kartierung der Kosmischen Hintergrundstrahlung. Die Beobachtungszeit ist auf zwei Jahre veranschlagt, und bisher funktionieren sämtliche Instrumente der Sonde einwandfrei. Die Beobachtung des Kosmos erfolgt in einer Weise, dass etwa 30 Prozent des gesamten Kosmos an jedem Tag von den Messinstrumenten des Raumfahrzeugs erfasst werden.
 
Ein wichtiges Etappenziel ist erreicht
Am Anfang dieses Monats hat MAP das erste wichtige Etappenziel der Beobachtungsphase erreicht. Nachdem die Raumsonde in den vergangenen sechs Monaten eine halbe Umdrehung um die Sonne absolviert hat, ist nun die erste vollständige Kartierung des Himmels abgeschlossen. Die gewonnenen Daten werden nun während der kommenden Monate verarbeitet, und voraussichtlich am Ende dieses Jahres werden die ersten wissenschaftlichen Ergebnisse und die ersten Himmelskarten der Kosmischen Hintergrundstrahlung veröffentlicht werden. Mit Sicherheit werden die Astronomen durch MAP sehr viel genauer als bisher über die Vorgänge in den Frühzeit unseres Universum im Bilde sein.
 
Nachträgliche Ergänzung: Die Forschungssonde MAP (= „Microwave Anisotropy Probe“) ist im Dezember 2002 in Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) umbenannt worden. Mit dieser Umbenennung wird der im September 2002 verstorbene amerikanische Wissenschaftler David T. Wilkinson geehrt, der 1964 einer der Entdecker der Kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung war und sich seine gesamte wissenschaftliche Laufbahn hindurch mit diesem Thema beschäftigt hat. Auch an dem Zustandekommen der hier beschriebenen Forschungsmission wie auch der Vorgängermission COBE ist Wilkinson wesentlich beteiligt gewesen.
Alle zukünftigen Informationen über diese Missionen werden deshalb auf Raumfahrer.net nur noch unter der neuen Missionsbezeichnung WMAP veröffentlicht werden.

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