Ein Beitrag von Karl Urban. Quelle: ESA, Peel et al. 2011.

Beim Versuch, eine umfassende Karte der kosmischen Hintergrundstrahlung herzustellen, haben Forscher mehrere Regionen der Milchstraße genauer untersucht. Sie berichteten darüber auf einer internationalen Tagung im italienischen Bologna.

Eine erste Forschergruppe um Michael Peel von der Universität Manchester hatte eine diffuse Form der Mikrowellenstrahlung analysiert. Sie entsteht rund um die Ebene der Milchstraße und bedeckt somit einen größeren Teil des Himmels. Bereits von der US-amerikanischen Mission Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) entdeckt, waren die Ursprünge dieser Strahlung bislang unklar.

Mit dem ESA-Teleskop Planck gelang es jetzt, die Eigenschaften der Strahlung deutlich genauer zu messen und mit möglichen Ursachen abzugleichen. Demnach kommen mehrere Entstehungsprozesse in Frage: Freie Elektronen könnten zu Synchrotronstrahlung angeregt werden, während sie durch das galaktische Magnetfeld wandern. Bislang kannte man solche Prozesse aber vor allem aus dem Umfeld von Supernovae, die bevorzugt im Bereich der Milchstraßenebene stattfinden. Allerdings deuten die Ergebnisse der Forscher darauf hin, dass überwiegend rotierende Staubkörner für die diffusen Emissionen verantwortlich sind. Die Körner rotieren so schnell, dass elektrische Dipole im fraglichen Frequenzbereich Mikrowellen aussenden.

Eine zweite Forschergruppe um Jonathan Aumont von der Universität Paris-Süd erstellte erstmals eine Karte des galaktischen Kohlenstoffmonoxids. Das Molekül ist zwar relativ selten, tritt jedoch meist zusammen mit Wasserstoffgas in Sternentstehungsgebieten auf und verursacht ungleich hellere Emissionslinien. Bislang konnte das Molekül mit irdischen Radioteleskopen aber nur zeitaufwendig und deshalb punktuell gemessen werden. Die neue Verteilungskarte entstand dagegen vergleichsweise schnell und lieferte nun auch Hinweise auf bisher unbekannte Gaswolken mit besonders geringer Dichte.

Beide Ergebnisse sind eine Art Abfallprodukt der Planck-Messungen: Die von den Forschern verwendeten Daten müssen herausgerechnet werden, damit sich schließlich ein ungestörter Blick auf die kosmische Hintergrundstrahlung abzeichnet. Sie entstand direkt nach dem Urknall und ist deshalb von Effekten in unserer eigenen Milchstraße unabhängig. Da die Instrumente an Bord von Planck aber sehr genau arbeiten, müssen auch schwache und bisher unbekannte Prozesse im Umfeld der Milchstraße untersucht werden, um sie dann aus der Karte des frühen Universums zu eliminieren. Diese Arbeit soll bis 2013 abgeschlossen sein.

Raumcon:

• Neuer Blick aufs Universum mit Herschel/Planck

Verwandte Links:

• M. Peet al.: Template fitting of WMAP 7-year data: anomalous dust or flattening synchrotron emission?, arXiv (2011)

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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 Alexander Bartl. Quelle: University of Minnesota.

Seit einigen Jahren sind derartige Löcher bekannt, aber mit Größen von um die eine Million Lichtjahre sind sie um den Faktor 1000 kleiner als das jetzt entdeckte. Es gibt bisher noch keine Erklärung für das Phänomen.

Das Loch befindet sich in sechs bis zehn Milliarden Lichtjahren Entfernung in Richtung des Sternbildes Eridanus und wurde vom Very Large Array, einem Radioteleskop in New Mexico (USA), entdeckt.

„Nicht nur hat niemand bisher ein Loch dieser Größe entdeckt, sondern wir haben nicht einmal erwartet, ein so großes Loch zu finden.“, sagte der Professor für Astronomie Lawrence Rudnick von der University of Minnesota. Dazu kommt, dass die Anzahl der entdeckten Löcher mit steigender Größe immer geringer wird. „Was wir entdeckt haben, ist nicht normal“, kommentiert die Assistenzprofessorin Liliya Williams, die neben Rudnick und dem Studenten Shea Brown an der Entdeckung beteiligt war.“Wir wussten bereits, dass etwas anders war mit diesem Punkt am Himmel“, berichtet Rudnick. Im kosmischen Mikrowellenhintergrund, der von der Sonde WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) kartographiert wurde, zeigt sich dort eine Stelle, die kälter ist als die durchschnittliche Temperatur von rund 2,7 Kelvin.

Der kosmische Mikrowellenhintergrund besteht aus Photonen. Wenn sich diese einer großen Masse nähern, gewinnen sie durch die Gravitation Energie, die sie wieder verlieren, wenn sie sich wieder von der Masse entfernen. Dunkle Energie, jene weitgehend unbekannte Kraft, die die Expansion des Universums beschleunigt, führt jedoch dazu, dass die Photonen etwas weniger Energie verlieren, als sie ursprünglich verloren haben. Verglichen mit Photonen, die überhaupt nicht beschleunigt und abgebremst wurden, haben sie also eine etwas höhere Energie. Daher ist der Mikrowellenhintergrund an der Stelle des Lochs kälter, also energieärmer als der Durchschnitt.

„Auch wenn unsere überraschenden Ergebnisse noch unabhängig bestätigt werden müssen, scheint die etwas niedrigere Temperatur des kosmischen Mikrowellenhintergrunds in dieser Region von einem großen Loch frei von nahezu jeglicher Materie verursacht zu werden“, fasst Rudnick die Ergebnisse zusammen.

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Ein Beitrag von Axel Orth. Quelle: NASA/GSFC. Vertont von Dominik Mayer.

Die Theorie der Inflation des Universums besagt, dass das Universum sich nach dem Urknall innerhalb einer Zeit, die viel kürzer ist als ein Fingerschnippen, auf ein Billionenfaches seiner ursprünglichen, subatomaren Größe ausdehnte. Es expandierte demnach mit einer Geschwindigkeit, die viel höher war als die des Lichts – wohl der beste Hinweis, dass „damals“ noch ganz andere physikalische Gesetze gegolten haben müssen als heute. Aber schon im ersten Billionstel eines Billionstels der ersten Sekunde müssen sich Fluktuationen in der Dichteverteilung ereignet haben, die zur Entstehung der ersten Galaxien und Sterne Hunderte von Millionen Jahren später führten. Und schon nach der ersten Billionstelsekunde soll das Universum fast seine heutige Ausdehnung erreicht haben.

Alan Guths Hypothese vom inflationären Universum entstand um 1980 als Ergebnis bloßer Berechnungen mit Stift und Papier und war zunächst nur eine von mehreren Urknall-Theorien. Sie beschäftigt sich auch nicht mit dem gesamten Urknall, sondern nur mit einer entscheidenden Anfangsphase bis zur Ausdehnung auf etwa die Größe eines Golfballs. Danach geht es dann nach dem Standard-Urknall-Modell weiter, das in seinen Anfängen noch aus der Zeit kurz nach dem Ersten Weltkrieg stammt. Allerdings erklärt die Inflationshypothese elegant einige sonst unerklärliche Phänomene, und seitdem wurden mehrfach neue Erkenntnisse gesammelt, die auf die Richtigkeit der Inflationshypothese hinweisen. Nun hat die NASA Ergebnisse neuer Untersuchungen vorgelegt, die die Hypothese weiter stützen.

Diese neuen Erkenntnisse stammen aus Untersuchungen der kosmischen Hintergrundstrahlung im Mikrowellenbereich mit dem Weltraumobservatorium WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe), auf Basis von drei Jahren kontinuierlicher Beobachtung. Die Hintergrundstrahlung kann man sich als eine Art „Nachglühen“ des Urknalls vorstellen; sie ist damit das älteste Licht im Universum. WMAP wurde am 30. Juni 2001 gestartet und ist jetzt eine million Meilen von der Erde entfernt, in der Lagrange-2-Position auf der von der Sonne abgewandten Seite.

„Die Inflationstheorie war ein erstaunliches Konzept, als es vor 25 Jahren vorgestellt wurde, und jetzt können wir es mit realen Beobachtungen stützen“, sagte Dr. Gary Hinshaw vom Goddard-Raumfahrtzentrum der NASA, WMAP-Teammitglied und Hauptautor einer der neuen wissenschaftlichen Veröffentlichungen, die demnächst im „Astrophysical Journal“ erscheinen sollen.
Wie können wir auf das junge Universum zurück blicken? Die kosmische Hintergrundstrahlung stellt eine Art „astronomisches Fossil“ dar, analog den versteinerten Überresten früherer Lebewesen. Eingebettet in diesem uralten Mikrowellenlicht sind subtile Muster, die noch immer auf sehr spezifische Bedingungen im frühesten Universum hin deuten.

Frühere Beobachtungen mit WMAP haben sich auf die Temperaturmuster dieses Lichts konzentriert und 2003 erstaunlich präzise Erkenntnisse über das Alter des Universums und seine Geometrie und Zusammensetzung geliefert. Diese Temperaturunterschiede, mit einer Genauigkeit von 20 millionstel Grad erfasst, deuten auf früheste Dichteunterschiede hin – ein bisschen mehr Materie hier, ein bisschen weniger Materie dort, woraus im Laufe späterer Jahrmillionen die Gravitation die Struktur des Universums formte: Sterne und Galaxien, getrennt durch riesige Leerräume.
Die neuen WMAP-Beobachtungen haben nicht nur eine noch detailliertere Karte der Temperaturverteilung geliefert, sondern auch die erste Karte der Polarisation der Hintergrundstrahlung über den gesamten Sternenhimmel. Das Polarisationssignal ist dabei mindestens 100mal schwächer als das Temperatursignal.

Dieser wichtige Durchbruch versetzt Wissenschaftler in die Lage, noch tiefere Einsicht in das Geschehen innerhalb der ersten Billionstelsekunde zu gewinnen. Das WMAP-Team kündigt zwei Hauptergebnisse an: Hinweise auf die Richtigkeit der Inflationstheorie und eine Bestätigung, wann sich die ersten Sterne bildeten. Beide Ergebnisse stützen sich auf die kombinierten Temperatur- und Polarisationsdaten.
WMAP fand heraus, dass die ersten Sterne – die Urahnen aller nachfolgenden Sternengenerationen und des Lebens selbst – sich bereits bemerkenswert früh formten, nur ungefähr 400 Millionen Jahre nach der Inflation. Dies wird als „Reionisationsära“ bezeichnet, als das Licht der ersten Sterne Wasserstoffatome ionisierte und deren Elektronen abspaltete.

Polarisation wird durch die Umgebung beeinflusst, die das Licht auf seinem Weg passiert, wie beispielsweise Sonnenlicht durch die Reflektion von einer glänzenden Oberfläche polarisiert wird. Die Wissenschaftler interessieren sich für zwei Arten von Polarisationssignalen der kosmischen Hintergrundstrahlung: Eine, genannt „E-Modus“, rührt von der Reionisationsära her, wurde also durch ionisiertes Wasserstoffgas verursacht. Die andere, „B-Modus“, rührt direkt aus der Inflationsphase.

WMAP entdeckte E-Modus-Polarisation, aber noch keine B-Modus-Polarisation. Dabei wäre gerade der Nachweis von B-Modus-Polarisation ein schlagender Beweis für Inflation und damit der gesamten Hypothese. Dennoch kann das WMAP-Team schon anhand der Temperaturkarte plus der E-Modus-Polarisationskarte verschiedene Aussagen über die Inflation machen.
Zum Beispiel hat die Wissenschaft jetzt eine obere Grenze für die Energie der Inflation. Außerdem stützen die Daten grundsätzliche Vorhersagen über die Größe und Stärke der Raumzeit-Fluktuationen und wie sie auf kleineren Längenskalen schwächer werden.

„Es ist überwältigend, dass wir nun zwischen verschiedenen Versionen des Geschehens in der ersten Billionstelsekunde des Universums unterscheiden können“, sagte Dr. Charles Bennett von der John-Hopkins-Universität in Baltimore, der Forschungsleiter des WMAP-Teams.
Und es kann immer nur noch besser werden. Die Polarisationsdetektion wird in Zukunft noch stärker werden. „Je länger WMAP beobachtet, desto mehr wird es über die Zeit enthüllen, als unser Universum von mikroskopischen Quantenfluktuationen zu der riesigen Ausdehnung von Sternen und Galaxien wuchs, die wir heute sehen“, sagte Bennett.

Die ESA plant, 2008 die Mission Planck zu starten, die speziell die Polarisation der Hintergrundstrahlung untersuchen soll. Die vorgeschlagene NASA-Sonde Beyond Einstein würde sogar ganz gezielt nach der B-Modus-Polarisation suchen, der Visitenkarte der Inflation.

Weiterführender Link:

WMAP-Homepage (engl.)

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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…

Verwandte Artikel:

• Überblick über die WMAP-Mission

Der Beitrag WMAPs Blick zurück erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Ein Beitrag von Michael Stein. Quelle: NASA.

Das neueste Portrait unseres Universums wurde während eines einjährigen Umlaufs der Raumsonde WMAP um die Sonne aufgenommen. „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. „Die Daten sind tragfähig, eine reine Goldmine.“
Eine der größten Überraschungen für die Wissenschaftler war nach Auswertung der WMAP-Daten die Feststellung, dass die erste Sternengeneration schon 200 Millionen Jahre nach dem Urknall das frühe Universum erhellte. Eine weitere wertvolle Aussage liefern die Daten der Raumsonde zum Alter des Weltalls: Mit einer Fehlerquote von nur einem Prozent können die Wissenschaftler daraus ein Alter von 13,7 Milliarden Jahren ableiten.
Die nun von WMAP beobachtete, nur wenige Grad über dem absoluten Nullpunkt „warme“ Hintergrundstrahlung ist gewissermaßen ein Nachleuchten des Urknalls, mit dem nach heute vorherrschender Meinung die Existenz unseres Weltalls begann. Rund 380.000 Jahre danach haben sich Muster in die bis dahin gleichförmig verteilte Strahlung „eingebrannt“, die sich in Form winziger Temperaturunterschiede zeigen – genau diese Temperaturunterschiede der Mikrowellen-Hintergrundstrahlung hat die im Juni 2001 gestartete Raumsonde mit unfassbar hoher Genauigkeit vermessen.

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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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