der auftakt zum Urknall

Welt der Wissenschaft: Kosmologie
»Reheating«
Beginn des heißen Urkn
Physik
Inflation –
Inflation
Von Jens Niemeyer und Dominik J. Schwarz
In Kürze
ó Warum ist das Universum so alt?
Warum ist es so ebenmäßig? Um
diese beobachteten Eigenschaften
O
J. Niemeyer, D. J. Schwarz / Galaxien: HST / SuW-Grafik
Die Urknalltheorie des frühen Universums wird durch viele
Beobachtungen eindrucksvoll bestätigt, steht aber in ihrer
ursprünglichen Form im Konflikt mit grundlegenden
Kausalitätsprinzipien. Eine dem heißen Urknall vorausgehende
Phase beschleunigter Ausdehnung, die Inflation, löst einige
Probleme des alten Urknallmodells und liefert eine mögliche
Erklärung für den Ursprung der großräumigen Strukturen.
unverstandene
der Auftakt zum Urknall
ft fällt es schwer zu entschei-
Universums eine Zahl mit 61 Stellen vor
den, ob eine kosmologische
dem Komma mal der planckschen Zeit-
Beobachtung durch physika-
einheit. Es stellt sich also die Frage: Wieso
lische Abläufe zu erklären ist,
konnte das Universum so alt werden?
oder ob sie schlicht als anfängliche Gege-
Eine zweite Beobachtung ähnlicher
benheit akzeptiert werden muss. Ein Bei-
Natur ist die Gleichförmigkeit des Kos-
des Universums zu erklären, muss
spiel dafür ist das Alter des Universums.
mos. Die modernen Beobachtungen zur
man annehmen, dass zum Zeit-
Die derzeit beste Schätzung ergibt ein Al-
Kosmologie zeigen, dass das Universum,
punkt des Urknalls ganz spezielle
ter von 14 Milliarden Jahren. In der Kos-
wenn man ausreichend große Abstände
Anfangsbedingungen gegeben
mologie ist das irdische Jahr allerdings
betrachtet, in jeder beliebigen Richtung
waren.
eine bedeutungslose Zeitspanne.
gleich aussieht. Diese Gleichförmigkeit
ó Diese Anfangsbedingungen lassen
Ausgehend von der Idee eines expan-
wird umso exakter, je größer die betrach-
sich damit erklären, dass am An-
dierenden Universums erscheint es natür-
teten Abstände werden. Hier lautet die
fang eine Phase extrem beschleu-
licher, die fundamentale Zeiteinheit der
Frage: Wie kam es zu dieser extremen
nigter Expansion alle Raumkrüm-
Gravitation und Quantenphysik zu ver-
Gleichförmigkeit?
mung verschwinden ließ.
ó Quantenfluktuationen, die wäh-
wenden. Dies ist die Planck-Zeit, benannt
Beide Fragen – warum ist das Univer-
nach Max Planck (1858 – 1947), einem der
sum so alt, und warum ist es so ebenmä-
rend dieser Phase der Inflation
Begründer der Quantenphysik. Die planck-
ßig – sind eng miteinander verwandt,
auftraten, bildeten viel später
sche Zeiteinheit ist gerade einmal 0,000 000
da große Unterschiede in der Verteilung
die Keime für die Entstehung der
000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000
von Massen (zum Beispiel von Galaxien
großen Strukturen im heutigen
000 05 Sekunden lang, festgelegt durch
heute oder von Elementarteilchen in den
Universum.
eine Kombination grundlegender Natur-
ersten Augenblicken nach dem Urknall)
konstanten. So gesehen ist das Alter des
zu einem Gravitationskollaps – und damit
46
Januar 2011
Sterne und Weltraum
nalls
Ursprung des Mikrowellenhintergrunds
(etwa 380000 Jahre nach Reheating)
Nukleosynthese
ien
alax
Rekombination
e
tern
nS
g vo
hun
dG
n un
ste
Ent
(etwa eine Minute
nach Reheating)
dunkles
Zeitalter
Heute
(etwa 13,7
Milliarden Jahre)
So sehen die Kosmologen die Entwicklung des Kosmos vom Urknall bis
heute. Die Inflation findet vor der klassischen, heißen Phase des Urknalls
statt. Ihre exakte Dauer ist unbekannt, wahrscheinlich aber nur ein mikroskopischer Teil einer Sekunde. Sie endet mit dem Aufheizen des Universums,
dem so genannten »Reheating«. Es folgt die strahlungsdominierte Epoche
mit der Entstehung der leichten Atomkerne, der Nukleosynthese (rot), und
der Rekombination von Elektronen und Kernen zu Atomen (violett, Ursprung
des Mikrowellenhintergrunds). In der anschließenden materiedominierten
Phase bilden sich nach einem dunklen Zeitalter die Sterne, Galaxien und
kosmologischen Strukturen.
zu einem schnellen Ende des Universums
entieren musste und dies zum Teil auch
man mit einem orts- und richtungsun-
(oder eines Teils desselben) – geführt hät-
heute noch tut.
abhängigen Modell arbeiten kann, das
ten. Beide Fragen haben etwas mit den
Trotz dieser Herausforderungen konn-
durch die Bestimmung einer kleinen Zahl
Anfangsbedingungen im sehr frühen Uni-
te die naturwissenschaftliche Kosmologie
von Messgrößen vollständig festgelegt
versum zu tun.
bereits große Erfolge verbuchen. Denn
wird. Diese Größen nennt man die Para-
Wir wollen in diesem Beitrag den Stand
vieles deutet darauf hin, dass das frühe
meter des kosmologischen Modells. Diese
der modernen Kosmologie unter dem Ge-
Universum wesentlich gleichförmiger
»kosmologischen Parameter«, zu denen
sichtspunkt dieser Fragen darstellen.
(homogener) und daher einfacher zu
auch das Alter und die materielle Zusam-
beschreiben war, als das heutige. Mathe-
mensetzung des Universums gehören,
matisch ausgedrückt bedeutet dies, dass
lassen sich heute mit einer Genauigkeit
Was wissen wir über das frühe Universum?
Auf den ersten Blick erscheint es anmaßend, das sehr frühe Universum mit
Damit Schüler aktiv mit
naturwissenschaftlichen Methoden erfor-
den Inhalten dieses
schen zu wollen. Wie in der Archäologie
Beitrags arbeiten können,
versucht man, aus wenigen, teilweise nur
stehen auf unserer
komplexes Mosaik zusammenzufügen,
Internetseite www.wissenschaft-schulen.de didaktische Materialien zur freien
Verfügung. Sie sollen verdeutlichen, dass die Entwicklung physikalischer Theorien mit
das die früheste Entwicklung des Univer-
der Bildung von Modellen einhergeht. Dazu sollen Modelle unter Anleitung selbst
schwer erkennbaren Bruchstücken ein
sums verlässlich beschreiben soll. Kein
entwickelt und in einem Kurzvortrag verständlich erklärt werden. Unser Schulprojekt
Wunder also, dass sich die Menschheit in
führen wir in Zusammenarbeit mit der Landesakademie für Lehrerfortbildung in Bad
kosmologischen Fragen bis ins 20. Jahr-
Wildbad und dem Haus der Astronomie in Heidelberg durch.
hundert an Mythen und Erzählungen ori-
www.astronomie-heute.de
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47
Mit Hilfe von Supernovae vom Typ Ia lässt
sich die Expansion des Universums sehr
genau vermessen. Je weiter eine Supernova
Amanullah et al./ arXiv 1004/1711 / SuW-Grafik
Lichtlaufzeit in Milliarden Jahre
9,1
7,7
6,8
5,7
4,3
2,4
1,3
0
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
von uns entfernt ist, je größer also die
Lichtlaufzeit bis zu uns ist, desto schneller
bewegt sie sich von uns fort und desto
größer ist ihre Rotverschiebung. Seit etwa
einem Jahrzehnt wissen wir aus solchen
Beobachtungen, dass diese Expansion des
Universums mit der Zeit immer schneller
wird. Die durchgezogene Linie wurde für
die heute angenommenen kosmologischen
Parameter berechnet und beschreibt die
Messungen sehr genau.
1,4
Rotverschiebung z
im Prozentbereich aus Beobachtungen
ner Relativitätstheorie abgeleitet hatten.
mationen aus der fernsten Vergangenheit
ableiten.
Sie bildet auch heute noch einen der
liefert. Doch es gibt eine Grenze, über die
Doch woher kommt die Homogenität
Hauptpfeiler des Urknallmodells (siehe
wir nicht hinaus blicken können. Wie weit
des Universums? Warum war das frühe
Bild oben). Die Rate, mit der sich alle
diese Grenze zurückliegt, haben schon in
Universum nicht ebenso klumpig und
genügend weit voneinander entfernten
den 1940er Jahren George Gamow und
komplex, wie es unsere unmittelbare kos-
Punkte auseinander bewegen, legt nahe,
seine Mitarbeiter theoretisch untersucht.
mische Umgebung heute ist?
dass sich das Universum vor knapp 14
Ein sehr heißes Gas, in dem Elektronen
Milliarden Jahren überall in einem sehr
nicht an Atomkerne gebunden sind, also
dichten, heißen Zustand befand. Aus die-
ein Plasma, ist für Licht nahezu undurch-
Um eine Vorstellung von den physika-
sem Grund wird der Zeitpunkt, zu dem die
sichtig. Erst als die Materie im frühen Uni-
lischen Verhältnissen im frühen Univer-
physikalisch begreifbare Entwicklung des
versum so weit abgekühlt war, dass sich
sum zu erhalten, betrachten wir zunächst
Universums begann, »Urknall« genannt.
aus dem ursprünglichen Plasma neutrale
die heutige Entwicklung und denken dann
Entgegen einem häufigen Missverständnis
Atome bilden konnten, wurde das Univer-
»rückwärts« in der Zeit. Das bekannteste
war der Urknall keine Explosion an einem
sum transparent. (Die Bildung der ersten
und historisch wichtigste Indiz für einen
bestimmten Ort, vielmehr fand er überall
Atome wird »Rekombination« genannt,
Anfang im Urknall ist die großräumige,
im Universum – dessen räumliche Aus-
obwohl sich Elektronen und positiv gela-
gleichförmige Ausdehnung – oder Expan-
dehnung auch damals schon als unendlich
dene Atomkerne in Wahrheit zum ersten
sion – des Raums, die sich aus der Rotver-
groß angenommen werden kann – gleich-
Mal »kombinierten«.) Demnach ist unser
schiebung der Spektrallinien ferner Gala-
zeitig statt.
Standort, so wie jeder Punkt im Univer-
Hubblesche Expansion
xien ableiten lässt. Die von Edwin Hubble
sum, von einer Art Nebelwand in genau
vor etwa 80 Jahren entdeckte kosmische
Kosmische Mikrowellen
Expansion deckte sich mit Vorhersagen,
Da sich das Licht mit endlicher Geschwin-
Dinge zum Zeitpunkt der Rekombination
die zuvor Alexander Friedmann und
digkeit ausbreitet, erreicht uns heute noch
sehen. Nach den derzeit besten Mes-
Georges Lemaître aus Einsteins allgemei-
Licht aus großen Entfernungen, das Infor-
sungen liegt dieser Zeitpunkt ungefähr
jener Entfernung umgeben, in der wir die
Wellenlänge in Millimetern
an Bord des Satelliten COBE gemessene
Spektrum der kosmischen Hintergrundstrahlung ist das genaueste je gemesse
Spektrum der Strahlung eines Schwarzen
Körpers. Die Fehler der Messung sind so
klein, dass sie im Bild nicht dargestellt
werden können. Für diese Messung wurde
0,67
0,5
10
15
20
FIRAS / COBE / SuW-Grafik
Dieses 1992 mit dem FIRAS-Spektrometer
1
Anzahl der Lichtquanten
2
John Mather mit dem Nobelpreis für Physik
ausgezeichnet.
0
5
Wellenzahl in Wellen pro Zentimeter
48
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Sterne und Weltraum
380 000 Jahre nach dem Urknall – damals
wurde das Universum durchsichtig.
Licht vom Zeitpunkt der Rekombina­
tion wurde erstmals 1964 von Arno Penzias und Robert Wilson als isotropes, das
heißt richtungsunabhängiges Rauschen in
einer Mikrowellenantenne nachgewiesen
und ist seitdem als »kosmische Mikrowellen-Hintergrundstrahlung« bekannt. Die
spektrale Energieverteilung dieses Lichts
(siehe Bild links unten) entspricht mit extremer Genauigkeit der Abstrahlung eines
Schwarzen Körpers mit der Temperatur T
= 2,728 Kelvin: Wir beobachten im Millimeterwellenbereich die tausendfach rotverschobene, ursprünglich im Sichtbaren
gelegene Abstrahlung der 3000 Kelvin
heißen »Wand«, die unseren kosmischen
Horizont definiert.
Die Existenz der kosmischen Mikrowellenstrahlung, ihr perfektes thermisches
Spektrum und ihre fast vollkommene
Isotropie stehen in überzeugender Übereinstimmung mit den Vorhersagen des
heißen, homogenen Urknallmodells. Doch
es sind gerade die kleinen Abweichungen
von der exakten Isotropie der Temperatur,
die seit einigen Jahren im Mittelpunkt
des Interesses der Kosmologen stehen.
Die Statistik der Größenverteilung dieser
Abweichungen stellt nicht nur scharfe
Werkzeuge zur Vermessung der kosmo-
Inklusive
detaillierten
24-seitigen
BOOKLETS!
logischen Parameter zur Verfügung, sie
enthält auch die wertvollsten, und möglicherweise einzigen, direkten Spuren der
so genannten Infla­tionsphase zu Beginn
des Urknalls. Mehr dazu später.
Erste Atomkerne
Zwar ist es für uns unmöglich, Licht aus
der Zeit vor der Rekombination zu empfangen, jedoch gibt es indirekte Informationen aus einer noch früheren Epoche.
Denn ebenso wie die Verbindung von
Elektronen und Atomkernen während der
Epoche der Rekombination, fand bei noch
höheren Temperaturen, und zu entsprechend früheren Zeiten, die Verschmelzung
von Protonen und Neutronen zu leichten
Atomkernen wie Deuterium und Helium
statt. Der Wettlauf zwischen dem natürlichen Zerfall freier Neutronen und der
Ausdehnung des Universums, die einige
Minuten nach dem Urknall die Temperatur unter den für Kernverschmelzungen
erforderlichen Mindestwert fallen ließ,
wirkt wie eine kosmische Eieruhr und erlaubt im Rahmen des Urknallmodells sehr
genaue Vorhersagen der Mengen leichter
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49
Als nach dem Urknall die Temperatur unter
Zeit nach dem Urknall
etwa zehn Milliarden Grad abfiel, konnten
t = 0,02 s
t=1s
t = 120 s
Protonen, also Wasserstoff-Kerne (H), und
Neutronen (N) so lange durch Verschmel-
4
He
zung die Isotope der leichten Elemente
bilden, bis die Materie auf etwa 0,1
Deuterium (D), Tritium (H-3), Helium-3,
Helium-4, Lithium-7 und Beryllium-7 in
Abhängigkeit von der Temperatur beziehungsweise der Zeit. Diese Synthese der
leichten Elemente geschah, während die
Temperatur von zehn Milliarden auf
D/H
10-5
3
He/H
3
H/H
G. M. Fuller, Ch. J. Smith, astro.ph 1009.0277, 2010
zeigen die Häufigkeiten von Neutronen (N),
Häufigkeit der Nuklide
Milliarden Grad abkühlte. Die Kurven
N/H
hundert Millionen Kelvin abfiel, und
dauerte kaum länger als zwei Minuten.
10
7
Be/H
7
Li/H
-10
10
1
0,1
Temperatur in Milliarden Grad
Kerne, die im frühen Universum produ-
erlaubt es uns, die wenigen freien Para-
tungen, dass diese Raumkrümmung heu-
ziert wurden. Nun lässt sich diese Menge
meter durch Beobachtungen quantitativ
te unmessbar klein ist. Andererseits sagt
auch sehr genau bestimmen (siehe Bild
weitgehend einzuschränken und damit
die allgemeine Relativitätstheorie vorher,
oben). Beispielsweise prägen Spuren von
die Kosmologie zu einer präzisen empi-
dass der Einfluss der Raumkrümmung auf
Deuterium dem Licht von Quasaren, das
rischen Wissenschaft zu machen.
die Ausdehnung des Universums im Laufe
in weit entfernten Gaswolken absorbiert
Doch in der größten Stärke des Urknall-
der Zeit anwächst. Die Abwesenheit einer
wird, ihr charakteristisches Spektrum auf.
modells liegt zugleich auch seine größte
heute messbaren Krümmung bedeutet,
Die daraus ermittelten Mengenverhält-
Schwäche: Es ist in seiner ursprünglichen
dass sie im frühen Universum noch viel
nisse der gefundenen Isotope stimmen
Form nicht in der Lage, eben diese Ein-
kleiner gewesen sein muss. Die Situation
mit den Vorhersagen des Urknallmodells
fachheit zu erklären. Im Gegenteil – sie
ähnelt derjenigen eines Bleistifts, der auf
sehr genau überein. So untersuchen wir
steht sogar im Widerspruch zu manchen
seiner Spitze balanciert und bei jeder win-
das Universum in einem Zustand, der we-
Plausibilitätsannahmen der theoretischen
zigen Auslenkung seitlich umkippt – es
nige Minuten nach dem Urknall herrschte.
Physik. Denn – salopp ausgedrückt – alles,
sei denn, er ist extrem genau vertikal ein-
Abgesehen von winzigen Temperaturstö-
was nicht explizit verboten ist (zum Bei-
gestellt. Die Raumkrümmung im frühen
rungen der Hintergrundstrahlung, auf die
spiel durch eine fundamentale Symme-
Universum, etwa zur Zeit der Entstehung
wir später eingehen werden, gibt es keine
trie), sollte nicht nur erlaubt sein, sondern
leichter Elemente, muss ebenso genau auf
Messungen aus einer früheren Phase der
bis zu einem bestimmten Grad tatsächlich
Null eingestellt gewesen sein.
kosmischen Entwicklung.
auch existieren. Jedoch wissen wir, dass
Doch das Flachheitsproblem ist nur
dies in mindestens zwei Fällen im frühen
ein vereinfachter Aspekt einer wesentlich
Universum nicht so ist.
allgemeineren Schwachstelle des homo-
Die Probleme des Urknallmodells
Fassen wir noch einmal zusammen: Unter
Im ersten Beispiel, dem so genannten
genen Urknallmodells: der Homogenität
der Annahme, dass im frühen Universum
»Flachheitsproblem«, geht es um die
selbst. Bei der Beschreibung der Raum-
überall die gleiche Temperatur, Dichte und
Raumkrümmung im frühen Universum.
krümmung durch eine einzige Zahl – den
Materiezusammensetzung vorlag, liefern
Es ist grundsätzlich möglich, dass der
Krümmungsradius – setzen wir ja bereits
die bekannten Gesetze der Gravitation
Raum gekrümmt ist: Nach Einsteins all-
voraus, dass der Raum homogen ist: Die
und der Thermodynamik ein Modell des
gemeiner Relativitätstheorie krümmen
Energiedichte, und damit die Raumkrüm-
Urknalls, dessen Vorhersagen mit unseren
Energie und Materie die geometrische
mung, ist zu festen Zeiten an allen Orten
Beobachtungen übereinstimmen. Alle as-
Struktur von Raum und Zeit; die Anzie-
identisch. Im heutigen Universum ist dies
trophysikalischen Strukturen wie Galaxi-
hungskraft
massebehafteten
auf Skalen von Galaxien und Galaxien-
enhaufen, Galaxien, Sterne und so weiter
Objekten ist ein Aspekt dieser Krümmung,
haufen offensichtlich nicht mehr der Fall.
sind nach diesem Modell erst später durch
die Expansion des Universums ein ande-
Hier weicht die Dichte innerhalb dieser
den Einfluss ihrer eigenen Schwerkraft
rer. In einem gekrümmten Universum
Strukturen von derjenigen außerhalb um
aus winzigen Anfangsstörungen der sonst
würde die Winkelsumme der Dreiecke,
viele Größenordnungen ab. Bildet man
gleichförmigen Bedingungen entstanden.
die von weit voneinander entfernten Ob-
Mittelwerte über immer größere Volumi-
Diese Einfachheit ist eine Folge der Ho-
jekten aufgespannt werden, von 180 Grad
na, so wird die Dichteverteilung jedoch
mogenität des frühen Universums – sie
abweichen. Wir wissen aber aus Beobach-
immer homogener (oder, aus unserer
50
Januar 2011
zwischen
Sterne und Weltraum
www.astronomie-heute.de
Januar 2011
51
Sicht, isotroper) und gipfelt in der fast
Zur Veranschaulichung, wie sich Licht
makellosen Gleichförmigkeit der kos-
in einem expandierenden Universum
mischen Hintergrundstrahlung. Wäre die
ausbreitet, denken wir an unterschied-
Dichteverteilung auch über große Abstän-
lich weit entfernte Punkte im All, die in
de gemittelt ebenso inhomogen wie in
regelmäßigen Abständen Lichtpulse in
Galaxien oder Galaxienhaufen, so würde
unsere Richtung aussenden. Im späten
sie deutlich messbare Raumkrümmungen
Universum könnten die Punkte für fer-
Horizonts in mitbewegten (expan-
verursachen. Wäre dies zudem schon im
ne Galaxien stehen, aber diese konkrete
dierenden) Koordinaten. In dieser
frühen Universum der Fall gewesen, so
Zuordnung ist für die Erklärung des Ho-
Darstellung bleiben die Abstände weit
hätten diese Krümmungen das weitere
rizontproblems nicht nötig. Da sich Licht
voneinander entfernter Objekte zeitlich
Schicksal des Universums bestimmt: In
immer mit konstanter Geschwindigkeit
konstant. Der Abstand zum Horizont
überdichten Bereichen wäre das Univer-
im Raum fortbewegt, hängt die Entfer-
nimmt hingegen während der Inflation
sum schon nach kurzer Zeit durch deren
nung, die jeder Lichtpuls nach einer be-
ab (die Expansion ist beschleunigt) und
eigene Schwerkraft kollabiert; dies ist das
stimmten Zeit zurückgelegt hat, nur von
in der Phase des heißen Urknalls wieder
eingangs erwähnte »Altersproblem«. Die
der Expansion des Raums während dieser
zu (die Expansion ist gebremst). Wie wir
Voraussetzungen, die das frühe Univer-
Zeit ab.
seit einigen Jahren wissen, beschleunigt
Horizont und Expansion
D
as blaue Band in der nebenstehenden Skizze zeigt die zeitliche
Veränderung des kosmologischen
die Expansion seit Kurzem wieder – um
sum für eine spätere Phase der Struktur-
Erreichen uns auch Lichtpulse der
bildung liefert, sind in höchstem Grade
fernsten Punkte, wenn wir nur lange ge-
dieses Phänomen zu erklären, wird die
maßgeschneidert: Die Verteilung von
nug warten? Die Antwort darauf hängt
Existenz der rätselhaften Dunklen Ener-
Materie und Energie ist so gleichförmig,
davon ab, ob die Ausdehnung des Raums
gie angenommen.
dass das Universum sehr alt werden kann;
im Laufe der Zeit abbremst (die absolute
gleichzeitig gibt es aber winzige Inhomo-
zeitliche Änderung des Abstands zweier
genitäten, die im Laufe der verfügbaren
beliebiger Raumpunkte wird geringer)
einer früheren Zeit noch nicht überlapp-
Zeit zu astrophysikalischen Strukturen
oder beschleunigt (sie nimmt zu). Verläuft
ten. Mit anderen Worten: Zu keinem noch
anwachsen konnten. Diese sehr speziellen
die Ausdehnung gebremst, so erreichen
früheren Zeitpunkt können Teilchen aus
Anfangsbedingungen
uns nach und nach die Pulse immer fer-
diesen Gebieten über den Austausch von
nerer Punkte, wir sehen »immer mehr«
Information miteinander in Kontakt ge-
Doch alle diese Schwächen verblassen
vom Universum. Dieser Fall entspricht
treten sein. Trotzdem sieht der Himmel
im Vergleich zu einem zweiten Problem
unserer Alltagserfahrung in der Physik,
in allen Richtungen praktisch gleich aus.
des ursprünglichen Urknallmodells, dem
denn alle Energie- und Materieformen, die
Die Verteilung der Galaxien im näheren
so genannten »Horizontproblem«. Zu
experimentell oder aus astronomischen
Universum ist zumindest im statistischen
seiner Erklärung müssen wir etwas weiter
Beobachtungen bekannt sind (mit der
Sinne in allen Richtungen identisch. Be-
ausholen und zunächst den Begriff des
wichtigen Ausnahme der Dunklen Ener-
sonders eindrucksvoll aber ist wiederum
kosmologischen Horizonts erläutern.
gie!), verursachen ein solches Verhalten
unsere direkteste Zeugin des früheren
der Expansion: Das Abbremsen steht in
Universums, die kosmische Hintergrund-
erscheinen
zu-
nächst extrem unnatürlich.
Das Horizontproblem
einem natürlichen Zusammenhang mit
strahlung. Ihre Temperatur ist in allen
In Anlehnung an den irdischen Horizont
der Schwerkraft, die zwischen Teilchen,
Richtungen, also über einen Winkelbereich
bezeichnet der kosmologische Horizont
Sternen oder Galaxien wirkt und deren
von 360 Grad um unseren Standpunkt im
die Grenze des Raumgebiets, das man von
Auseinanderdriften mit der Zeit verlang-
All, bis auf die fünfte Nachkommastelle
irgendeinem Punkt des Universums aus
samt.
identisch. Demgegenüber ist der Winkel-
prinzipiell sehen kann. Auf der Erde tritt
Alle aus Elementarteilchen bestehende
bereich, den das Licht seit dem Urknall bis
der Horizont bekanntlich als Folge der
Materie bremst die kosmische Expansion
zum Zeitpunkt der Rekombination (als das
Krümmung der Erdoberfläche auf, in der
Kosmologie ist er eine Folge des Urknalls
selbst. Da wir mit wachsender Entfernung
immer weiter in die Vergangenheit bli-
Die Anfangsbedingungen im frühen Universum sind in
höchstem Grade maßgeschneidert.
cken, können wir prinzipiell nicht weiter
sehen, als bis zum Zeitpunkt des Urknalls
durch ihre eigene Anziehungskraft ab.
Licht der Hintergrundstrahlung zum letz-
– praktisch reicht unser Blick, wie oben
Auch wenn wir nicht genau wissen, aus
ten Mal an geladenen Teilchen gestreut
erläutert, wegen der Undurchsichtigkeit
welchen Teilchensorten die Materie im
wurde, bevor es die Reise zu unseren
des Universums vor der Rekombination
frühen heißen Universum bestand, kön-
Teleskopen antrat) durchqueren konnte,
nicht ganz so weit. Die Sache ist jedoch
nen wir doch davon ausgehen, dass sie
nur ungefähr so groß wie derjenige des
ein wenig komplizierter: Zum einen steht
sich so verhielten. Entsprechend wuchs
Mondes, also ein halbes Grad. Regionen
die Expansion des Raums in Konkurrenz
der Raumbereich, den Licht oder Teil-
in größeren Winkelabständen hatten zur
zur Ausbreitung des Lichts, so dass die
chen – beides bewegte sich damals mit
Zeit der Rekombination noch keine Gele-
tatsächliche Entfernung, auf die wir zu-
Lichtgeschwindigkeit – seit dem Urknall
genheit, miteinander Teilchen oder Strah-
rückblicken, von der Geschichte dieser
durchqueren konnten, ständig an. Da-
lung und somit Informationen über ihre
Expansion abhängt; zum anderen ist die
raus folgt, dass das sichtbare Universum
Temperatur auszutauschen – warum also
Expansionsrate selbst zeitabhängig.
Gebiete enthält, deren Horizonte sich zu
ist ihre Temperatur praktisch identisch?
52
Januar 2011
Sterne und Weltraum
innerhalb
CMB
Vakuum
Inflation
J. Niemeyer, D. J. Schwarz / Galaxien: HST / SuW-Grafik
Galaxien
heute
Nukleosynthese
Vakuum
Reheating
nt
rizo
Ho
Entfernung in mitbewegten Koordinaten
außerhalb
Rekombination
Plasma
Zeit bzw. Ausdehnung bzw. abnehmende Temperatur
Diese Frage ist ein Teilaspekt des berüch-
ganz frühen Universum, in der die Expan-
mehr nachweisen lässt, da der Krüm-
tigten Horizontproblems.
sion beschleunigt war, die Probleme des
mungsradius größer als der Horizont
Versuchen wir es mit einer weiteren
Urknallmodells lösen? Ohne uns zunächst
wird. Diese Betrachtung zeigt, dass das
Analogie für das Horizontproblem. Neh-
darum zu kümmern, wie eine solche Phase
Flachheitsproblem eigentlich kein eigen-
men wir an, das frühe Universum sei ein
zustande kommen sollte, betrachten wir
ständiges Problem ist, sondern nur eine
riesiger Konzertsaal mit einem unvor-
noch einmal alle aufgezählten Probleme
andere Facette des Horizontproblems.
stellbar großen Orchester. Schon der erste
in umgekehrter Reihenfolge.
Dadurch wird auch offensichtlich, dass
Akkord erfordert den Einsatz aller Instru-
Beim Horizontproblem ist die Antwort
mente, die in perfekter Harmonie spielen
offensichtlich »Ja«. Während einer be-
müssen. Doch wie wird der Auftakt syn-
schleunigten Phase sieht jeder Beobachter
chronisiert? Das Zeichen des Dirigenten
»immer weniger« vom Universum (sein
Kosmologische Inflation
wird von den Musikern erst wahrgenom-
Horizont schrumpft), denn die Expansion
Eine solche Epoche beschleunigter Ex-
men, wenn das Licht vom Dirigentenpult
des Raums gewinnt gegen die Ausbrei-
pansion im frühen Universum nennen
sie erreicht hat. Beginnen sie erst zu
tung des Lichts im Raum (siehe die Grafik
wir kosmologische Inflation. Sie wurde
spielen, wenn sie den Dirigenten den Stab
oben). Im Bild unserer Analogien: Die
1981 von Alan Guth nach früheren, ähn-
heben sehen, so könnte ein weit entfernter
Lichtpulse, die uns im Laufe der Zeit noch
lichen Ideen von Alexei Starobinsky als
Hörer die dadurch bedingte Verzögerung
erreichen, stammen von ursprünglich im-
eine Epoche des sehr frühen Universums
deutlich wahrnehmen. Doch das Publikum
mer näheren Punkten, während die Licht-
postuliert und hat sich seitdem als Teil
hört das gesamte Werk in perfektem Ein-
pulse aus ferneren Quellen nicht mit der
des
klang, obwohl weite Teile des Orchesters
immer schnelleren Expansion mithalten
etabliert. Es gibt eine Vielzahl von Versu-
den Dirigenten noch gar nicht gesehen
können. Übertragen auf die Analogie des
chen, den Mechanismus, der hinter dieser
oder gehört haben konnten, als das Stück
Orchesters: Infolge der schnellen Expan-
beschleunigten Phase steckt, zu erklären.
begann (ganz zu schweigen vom Fehlen
sion des Konzertsaals waren irgendwann
Die einfachsten Modelle haben gemein,
jeder Chance, ihre Instrumente gemein-
einmal alle Orchestermusiker nahe genug
dass sie ein neues Kraftfeld, beziehungs-
sam zu stimmen)! In diesem Sinne ist das
am Dirigenten, um gleichzeitig einsetzen
weise ein neues Teilchen, das so genannte
Horizontproblem ein Gleichzeitigkeitspro-
zu können.
Inflatonfeld, postulieren. Dieses Feld hat
blem: Was gab den Auftakt zum Urknall
Beim
eine Lösung des letzteren auch das erstere
behebt.
kosmologischen
Standardmodells
beziehungsweise
ähnliche Eigenschaften wie das am Te-
über Entfernungen, die das Licht damals
Inhomogenitätsproblem verhält es sich
vatron bei Chicago und am Large Hadron
noch nicht zurückgelegt haben konnte?
ebenso. Der Abstand, über den die Krüm-
Collider bei Genf gejagte Higgs-Teilchen.
mung des Raums messbar wird – der so
Leider kann das durch das Standardmodell
genannte Krümmungsradius – dehnt sich
der Teilchenphysik vorhergesagte Higgs-
Doch erinnern wir uns: Das Horizont-
gemeinsam mit dem Raum aus, der Raum
Teilchen diese Aufgabe ohne zusätzliche
problem ist eine direkte Konsequenz der
wird flacher. Ebenso wie wir bei einer
Annahmen aber nicht erfüllen.
abbremsenden kosmischen Expansion,
beschleunigten Expansion nur noch die
Lange Zeit war völlig unklar, welche
verursacht durch die gegenseitige Anzie-
Lichtsignale immer näherer Punkte emp-
Mechanismen zu einer Inflation führen,
hungskraft der Teilchen im Universum.
fangen können, wird die Raumkrümmung
daher wurden unzählige Modelle studiert.
Kann vielleicht umgekehrt eine Phase im
zunehmend unwichtiger, bis sie sich nicht
Schließlich zeigte sich, dass im Rahmen
Eine Lösung für alle Probleme?
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Flachheits-
Januar 2011
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Strukturen in der kosmischen Hintergrundstrahlung
COBE
T = 2,728 K
Die kosmische Hintergrundstrahlung entspricht in ersten Näherung einer in jeder
Richtung gleichen Temperatur von 2,728 Kelvin (a). Erst nach tausendfacher Verstärkung des Kontrasts (b) lässt sich die Dipolkomponente erkennen, welche die Bewegung des Sonnensystems durch das kosmische Strahlungsfeld widerspiegelt.
Die mit dem COBE-Satelliten 1989 bis 1993 gewonnenen Daten ließen eine weitere
Kontrastverstärkung um einen Faktor 100 zu (c): Damit wurden in der Hintergrundstrahlung erstmals winzige, aber signifikante Strukturen sichtbar, die den Kosmologen
grundlegende Eigenschaften des Universums verraten. Zum Beispiel bedeutet die
(a)
geringe Schwankungsamplitude von einigen zehn Mikrokelvin, dass der größte Teil
COBE
DT = 3,353 mK
der Materie im Universum gar nicht mit Licht in Wechselwirkung treten kann. Das rote
Band in der Mittelebene der Karte zeigt die Mikrowellenemission der kalten Materie
in der galaktischen Scheibe. Nach deren Abzug verbleiben die reinen Temperatur- und
Dichteschwankungen der Hintergrundstrahlung (d). Aus den nochmals erheblich
genaueren Daten des Satelliten WMAP, der seit 2001 arbeitet, wurde der heute gültige
Satz kosmologischer Parameter abgeleitet (e). Seit Mai 2009 misst der europäische
Satellit Planck mit noch dreimal höherer Auflösung (f). Eine erste Auswertung seiner
COBE
DT = 18 mK
(c)
COBE
WMAP
(d)
(e)
ESA / Planck / WMAP / COBE
Daten wird es voraussichtlich im Januar 2011 geben.
(b)
Planck
(f)
des von Andrei Linde 1982 vorgeschla-
zip folgt, dass auf kleinen Raumzeit-Ge-
hochgradige Symmetrie der Raumzeit
genen Szenarios der so genannten »chao-
bieten die Gesetze der Quantenfeldthe-
erscheint aus den schon genannten Grün-
tischen Inflation« alle oben aufgeführten
orien in ungekrümmten Räumen gelten.
den unnatürlich. Gibt man die Isotropie
Probleme gelöst werden, ohne allzu re-
Unter diesen Voraussetzungen lässt sich
auf, so kann man zeigen, dass in den
striktive Annahmen über die Anfangsbe-
zeigen, dass für praktisch jedes beliebige
meisten Fällen die Inflation weiterhin die
dingungen machen zu müssen.
Linde geht davon aus, dass die An-
Kraftgesetz des Inflatonfeldes eine Phase
Probleme der alten Urknall-Kosmologie
so genannter slow-roll inflation erreicht
löst; gibt man jedoch die Homogenität
fangsbedingungen
Universums
wird. Dies bezeichnet einen Zustand, in
des Raumes, also die Gleichförmigkeit von
durch die bislang unvollständig verstan-
dem das Inflatonfeld »einfriert« und sich
Ort zu Ort, auf, so ist sehr wenig bekannt,
dene Physik der Quantengravitation
über relativ lange Zeit nicht ändert. Wäh-
da die mathematische Komplexität des
bestimmt werden. Bei der chaotischen
rend dieser Zeit findet eine extrem rasche
Problems schnell unsere Möglichkeiten
Inflation nimmt man an, dass die grund-
Ausdehnung des Universums statt – die
der Analyse übersteigt.
legenden Prinzipien der Quantenphysik
und der allgemeinen Relativitätstheorie
kosmologische Inflation.
Sind nun alle Probleme gelöst? Keines-
nach der Natur des Inflatonfeldes. Für kos-
gelten sollen. Aus der heisenbergschen
wegs. Um das oben erwähnte Szenario
mologische Fragestellungen ist es nicht
Unschärfe-Relation folgt dann, dass die
der chaotischen Inflation im Modell zu
von Bedeutung, ob dieses Feld fundamen-
Anfangsbedingungen nicht beliebig ge-
realisieren, wird üblicherweise die Homo-
talen Charakter hat, oder sich als effektives
nau vorgegeben sein können, während
genität und Isotropie des Universums als
Kraftfeld ergibt. Eine effektive Kraft ist
aus dem einsteinschen Äquivalenzprin-
Anfangsbedingung vorausgesetzt. Diese
zum Beispiel die bekannte Reibungskraft,
54
Januar 2011
des
Ein ganz anderes Problem ist die Frage
Sterne und Weltraum
die aus dem komplexen Zusammenspiel
unverstandene Verteilung von Materie im
erhöht ist gegenüber der Frequenz einer
vieler Teilchen und ihrer elektromagne-
ruhenden Geräuschquelle. Aus der schein-
tischen Wechselwirkungen entsteht. Da
Universum erklären kann.
Anfänglich sind diese Abweichungen
die fundamentale Natur des Inflatonfeldes
von der Gleichförmigkeit des Univer-
lässt sich somit schließen, dass das Son-
hier keine Rolle spielt, wollen wir darauf
sums winzig klein. Durch die Wirkung
nensystem mit einer Geschwindigkeit von
auch nicht weiter eingehen.
der Schwerkraft bilden sich daraus immer
etwa 300 Kilometern pro Sekunde durch
Trotz dieser Schwierigkeiten des Infla-
massereichere Materiewolken, die irgend-
tionsmodells gibt es praktisch keine ernst-
wann die Ausdehnung des Universums
das All rast.
Um weitere Abweichungen von der
haften Konkurrenten. Sein anhaltender
nicht mehr mitmachen, sondern unter
Gleichförmigkeit zu finden, mussten die
Erfolg beruht heutzutage vorwiegend
ihrem eigenen Gewicht in sich zusammen-
Astronomen ihre Geräte nochmals um
darauf, dass es ein Problem löst, für das es
fallen. Das Gas in diesen Wolken verdichtet
einen Faktor 100 verbessern. Diese Abwei-
nicht erschaffen wurde: Es erklärt, warum
sich schließlich so sehr, dass erste kleine
chungen wurden 1993 durch den Cosmic
die Abweichungen von der Homogenität
Galaxien und darin erste Sterne entstehen.
Background Explorer (COBE), einen Sa-
der Raumzeit, aus deren Kollaps später
Die Entstehung der ersten Sterne findet
telliten der NASA, entdeckt. John Mather
Galaxien und großräumige Strukturen
aber erst lange nach dem Zeitpunkt statt,
und George Smoot wurden dafür 2006 mit
entstehen konnten, so klein sind, und
zu dem das Universum durchsichtig wird,
dem Nobelpreis ausgezeichnet. Mit dieser
macht detaillierte Voraussagen über ihre
da die Dichteschwankungen im Univer-
Entdeckung ist Mitte der 1990er Jahre ein
Eigenschaften.
sum zum Zeitpunkt der Rekombination
goldenes Zeitalter der modernen Kosmo-
noch sehr klein sind und Zeit benötigen,
logie angebrochen. Hier kann nicht annä-
um durch Akkretion zu wachsen.
hernd gewürdigt werden, welche Vielzahl
Kosmische Strukturen: ein unerwarteter Glücksfall
baren Temperaturdifferenz am Himmel
an interessanten und wichtigen Schlüssen
tung kosmologischer Inflation stellten
Strukturen in der kosmischen
Mikrowellenstrahlung
Gennady Chibisov und Slava Mukhanov
Penzias und Wilson fanden zunächst
werden können.
Die neuesten Bilder des kosmischen
1981 in Moskau fest, dass diese Theorie
eine flache Verteilung der Hintergrund-
Mikrowellenhintergrunds
nicht nur alte Probleme löst, sondern so-
strahlung. Tatsächlich ist der kosmische
weiterer Satellit, die Wilkinson Microwave
gar eine unerwartete Vorhersage macht.
Mikrowellenhintergrund
perfekt
Anisotropy Probe (WMAP). Die Analyse
Kleine Quantenfluktuationen des Infla-
gleichförmig (siehe den Kasten links).
der von WMAP gefundenen Temperatur-
tonfeldes werden durch die beschleunigte
Wenn man mit einer Genauigkeit von 1 zu
schwankungen in Abhängigkeit vom be-
Expansion des Universums »eingefroren«
1000 misst, erkennt man am Himmel eine
trachteten Winkelabstand zeigt die Grafik
– sie überleben diese Phase. Viel später in
um drei Tausendstel Kelvin wärmere und
unten. Aus der Position des Maximums
der kosmischen Entwicklung entstehen
in der Gegenrichtung eine ebenso viel
lernen wir, dass die Geometrie des Raums
aus ihnen die Keime für die beobachteten
kältere Region. Diese Dipol-Struktur lässt
tatsächlich flach (euklidisch) ist, so dass
Strukturen des heutigen Universums: Ga-
sich mit der Bewegung des Sonnensy-
die Summe der Winkel eines Dreiecks
laxien, Galaxienhaufen, große Leerräume
stems durch den Kosmos erklären. Es han-
genau 180 Grad ergibt. Falls der Raum
und so weiter. So stellte sich heraus, dass
delt sich um nichts anderes als den von
gekrümmt wäre, wie in der einsteinschen
die Annahme einer Epoche kosmolo-
Christian Doppler (1803 – 1853) erklärten
gischer Inflation im sehr frühen Univer-
Effekt, wonach die Frequenz eines auf den
Theorie möglich, hätte Euklid auf kosmischen Skalen unrecht. Wichtig für die
sum die bis dahin ebenfalls vollkommen
Beobachter zukommenden Geräusches
Überprüfung der Vorhersagen kosmolo-
Zeitgleich mit der Entdeckung der Bedeu-
große Winkelabstände
nicht
aus modernen Beobachtungen gewonnen
lieferte
ein
kleine Winkelabstände
180°-10°
1°
0,1°
Diese Kurve gibt an, wie groß die mittleren
70
Temperaturschwankungen der kosmischen
60
Hintergrundstrahlung bei gegebenen
Winkelabständen am Himmel sind. Die
50
schwarzen Punkte stellen die Messwerte
40
D. Larson et al./ WMAP/ SuW-Grafik
Temperaturschwankungen vom Mittelwert
in Millionstel Grad
80
30
20
10
0
10
100
500
des WMAP-Satelliten dar, die schwarzen
Balken geben die Unsicherheiten der
Messungen an. Die rote Kurve beschreibt
das gängige theoretische Modell. Das grüne
Band beschreibt eine theoretische Unsicherheit – sie resultiert aus der Tatsache,
dass wir nur ein Universum beobachten
können.
1000
Winkelfrequenz in 1/Radian
www.astronomie-heute.de
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Temperaturschwankungen über große Winkelabstände
D
kosmischen Hintergrundstrahlung in den niedrigsten
Moden (bei den größten Winkelabständen) dar – sie ergeben
Nordpol
der Ekliptik
Dipol
Ek
lip
in unserer Analogie aus dem Text das Thema, das Kontrabass
und Tuba spielen. Rote Bereiche entsprechen Regionen höherer,
blaue tieferer Temperatur. Die niedrigsten Moden, Quadrupol
und Oktopol, zeichnen am Himmel eine Ebene aus, die durch die
roten und blauen Flecken definiert wird. Dieser Effekt ist höchst
unerwartet, er widerspricht den Vorhersagen der einfachsten
Südpol
der Ekliptik
Dipol
Modelle kosmologischer Inflation, nach denen es keine bevorzugten Richtungen oder Ebenen im Universum geben sollte. Die
Tatsache, dass diese Ebene nahezu senkrecht zur Ekliptik, also
zur Ebene der Erdbahn um die Sonne, und auch zur Bewegung
-59
des Sonnensystems durch den Kosmos (gegeben durch die bei-
tik
C. J. Copi, D. Herterer, D. J. Schwarz / SuW-Grafik
iese Karte stellt die Schwankungen der Temperatur der
59
Temperatur in Mikrokelvin
den Dipol-Richtungen) steht, deutet möglicherweise auf einen
Fehler in der Messung, Datenanalyse oder Interpretation hin.
gischer Inflation ist, dass das so genannte
Inflation sagt vorher, dass alle unsere
noch viel höherer Auflösung und Genau-
Winkelleistungsspektrum für große Win-
Musiker nichts vonein­ander wissen und
igkeit. Mit Planck werden wir zwei weitere
kelabstände nahezu einen konstanten Wert
einfach wild drauf losspielen, alle etwa in
Vorhersagen der kosmologischen Inflation
hat und dann bei Winkelabständen von
der gleichen Lautstärke. Bei der genauen
erstmals überprüfen können.
etwa einem Grad ein Maximum (also einen
Analyse stellt sich heraus, dass sich Bass
Aus der Idee der kosmologischen Infla-
höchsten Wert) ausweist.
Die Beobachtungen des WMAP-Teams
und Tuba nicht an diese Regel halten. Sie
tion folgt, dass die ursprünglichen kleinen
spielen gemeinsam das gleiche Stück,
Dichteschwankungen, die in der späteren
bestätigen also die wichtigste Vorhersage
aber viel zu leise. In der Sprache der Kos-
Entwicklung des Universums zur Entste-
der kosmologischen Inflation. Die Kon-
mologie: Die so genannten Quadrupol-
hung von Galaxien führen werden, annä-
stanz des Leistungsspektrums bei großen
und Oktopolmoden zeichnen eine Ebene
hernd einer gaußschen Verteilung folgen.
Winkelskalen zwischen 180 und etwa 20
am Himmel aus (siehe Kasten oben): Sie
Dies bedeutet, dass es eine typische Stärke
Grad bedeutet, dass die Strukturen des
sind hauptverantwortlich für die – im
dieser Schwankungen gibt. Dies ist der ein-
Universums keine spezielle Länge bevor-
Vergleich mit unseren Vorhersagen – zu
zige Wert, der bekannt sein muss, um alles
zugen, dass also die so genannte Invarianz
kleinen Temperaturschwankungen zwi-
über diese Verteilung zu wissen, da der
der Skalen gilt – eine zweite wesentliche
schen weit entfernten Punkten am Him-
Mittelwert Null ist. An einem beliebigen
Vorhersage der Inflationstheorie.
Punkt im Universum liegt die Dichte-
Wir könnten uns nun zurücklehnen
mel.
Genauere Analysen zeigen, dass solch
und mit unserem Modell zufrieden sein,
ein Verhalten in unseren Modellen sta-
von 68 Prozent unter diesem Wert, mit
da es im Großen und Ganzen die Beobach-
tistisch in weniger als einem pro einer
einer Wahrscheinlichkeit von fünf Pro-
tungen hervorragend beschreibt. Doch
Million Universen zu erwarten ist. Dieser
zent liegt sie über dem doppelten Wert der
wenn man die Daten im Detail betrachtet
Befund stellt derzeit ein großes Rätsel dar
typischen Schwankung (Standardabwei-
und dabei den Blick auf die größten zu-
und ist Gegenstand aktueller Forschung.
chung). Nun sagen alle Modelle kosmolo-
gänglichen Abstände am Himmel richtet,
Es könnte sich dabei um Fehler bei der
gischer Inflation kleine Abweichungen
so ist das Bild nicht mehr so harmonisch.
Beobachtung oder der Analyse der WMAP-
von diesem gaußschen Verhalten vorher.
Daten handeln. Möglich ist aber auch, dass
In manchen Modellen ist die Abweichung
diese Befunde auf ein Problem mit einer
so klein, dass wir sie auch mit dem Planck-
der Grundannahmen der einfachsten kos-
Satelliten nicht werden messen können.
mologischen Modelle hindeuten.
In anderen Modellen sollten sie zu sehen
Dissonanzen im
kosmischen Zusammenspiel
Wir können das Muster der kosmischen
Temperaturfluktuationen
in
verschie-
schwankung mit einer Wahrscheinlichkeit
sein, wodurch wir sehr viel über den Me-
dene Schwingungsmoden zerlegen. Die
Ausblick, neue Beobachtungen
Bedeutung dieser Moden (auch Multipole
Es sind Ungereimtheiten wie dieser Be-
lernen könnten. So könnten wir zum
genannt) für das Ganze ist etwa analog zu
fund aus den Beobachtungen, die immer
Beispiel herausfinden, ob nur eines oder
der Rolle einzelner Instrumente in einem
wieder Anstoß geben, das Universum
mehrere Quantenfelder für die kosmolo-
Orchester. Zum Beispiel ordnen wir tiefe
noch genauer zu vermessen. Heute be-
gische Inflation wichtig sind.
Töne (lange Schallwellen) dem Kontra-
schäftigen uns vor allem die Daten von
Neben der Intensität der kosmischen
bass und der Tuba und hohe Töne (kurze
WMAP. Eine Nachfolgemission, der euro-
Mikrowellenstrahlung kann man auch
Schallwellen) der Violine und der Piccolo-
päische Planck-Satellit, untersucht schon
ihre lineare Polarisation messen. Die Po-
flöte zu. Das Modell der kosmologischen
seit bald zwei Jahren den Himmel mit
larisationsrichtung ist gegeben durch eine
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chanismus der kosmologischen Inflation
Sterne und Weltraum
ED-Apochromaten:
bevorzugte Lage der Schwingungsebene
fachen Fragen haben uns an die Grenzen
der elektromagnetischen Wellen senk-
unseres Wissens und unserer Wissen-
recht zu ihrer Ausbreitungsrichtung. Die
schaft geführt haben. Die Entdeckung der
Messung der linearen Polarisation liefert
Epoche kosmologischer Inflation gibt teil-
also für jede Position am Himmel eine
weise Antworten, es bleiben aber offene
Richtung, die wir als einen kleinen Strich
Fragen, und neue Fragen kommen hinzu.
in einer Himmelskarte darstellen können.
Nachdem die Theorie der kosmologischen
Die Länge dieser Striche gibt den Grad der
Inflation in den 1980er Jahren entwickelt
Polarisation an, also wie stark die entspre-
wurde, haben Beobachtungen in den zwei
chende Schwingungsebene bevorzugt ist.
folgenden Dekaden diese Idee bestätigt
Falls überall in einer Himmelsgegend die
und alle ernsthaft konkurrierenden Mo-
gleiche Polarisation gemessen wird, ist der
delle aus dem Feld geworfen. Trotzdem
Strich am längsten, falls alle möglichen
sollten wir nicht glauben, dass dies der
Polarisationsrichtungen
häufig
Weisheit letzter Schluss ist, da wir nicht
gemessen werden, ist keine Polarisation
wissen, welcher Mechanismus die kosmo-
vorhanden und der Strich schrumpft auf
logische Inflation antreibt, wie das Uni-
einen Punkt zusammen. Dies ergibt ein
versum geeignete Anfangsbedingungen
Muster von Strichen unterschiedlicher
realisiert, und ob die Vorhersagen unserer
Länge auf der Himmelskarte, das man
einfachsten Modelle auf den größten uns
wieder in Moden zerlegen kann. Diesmal
zugänglichen Abständen auch tatsächlich
heißen sie E- und B-Moden, je nachdem,
zutreffen. Es gibt also noch viel zu tun,
wie sie sich unter Betrachtung in einem
sowohl im theoretischen Gebälk der Kos-
Spiegel verhalten. E-Moden kann man
mologie, als auch bei seiner experimen-
nicht von ihrem Spiegelbild unterschei-
tellen Belastungsprobe durch vielfältige
Beobachtungen. gleich
den, B-Moden schon. Verschiedene boden-
Preis:
Jens Niemeyer lehrt an
Mikrowellenhintergrund
nachgewiesen.
der Universität Göttingen
B-Moden wurden bislang nicht beobach-
und erforscht die Entwick-
tet.
lung der komplexen Struk-
Diese B-Moden sind aber für das Ver-
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turen aus dem nahezu
ständnis des sehr frühen Universums von
homogenen Zustand des
unschätzbarem Wert. Sie können nicht
frühen Universums.
durch Dichteschwankungen der Materie
hervorgerufen werden, sondern nur durch
Dominik J. Schwarz,
Gravitationswellen. Die Quantenfluktua-
theoretischer Physiker an
tionen der Raumzeit während einer kos-
der Universität Bielefeld,
mologischen Inflation sollten zu solchen
forscht auf dem Gebiet der
Gravitationswellen führen und dadurch
Astroteilchenphysik und
die B-Moden erzeugen. Die B-Moden
der Kosmologie.
würden uns also einen direkten Blick auf
die allerersten Momente des Kosmos erGegensatz zum Licht – nicht durch die
extrem hohe Dichte und Temperatur im
sehr frühen Universum beeinflussen lassen. Das Planck-Experiment ist das erste,
das möglicherweise einige gut motivierte
kosmologische Modelle auf diesen Aspekt
hin direkt testen kann. Möglicherweise
wird aber dazu eine vierte Generation von
Mikrowellen-Satellitenexperimenten notwendig sein.
Zurück zu den Ausgangsfragen
Wir haben am Anfang unserer Betrachtungen gefragt, warum das Universum
so alt und – im Großen betrachtet – so
gleichförmig ist. Diese eigentlich ein-
www.astronomie-heute.de
Literaturhinweise
Gorbahn, M., Raffelt, G.: Spurensuche
in der Welt der Quanten. In: Sterne und
Weltraum 10/2010, S. 46 – 57
Tauber, J., Bersanelli, M., Lamarre, J.-M.: Die Planck-Mission. In: Sterne und
Weltraum 2/2008, S. 38 – 50
Schneider, P.: Die Grundfragen der
Kosmologie. In: Sterne und Weltraum
7/2007, S. 44 – 52
Bartelmann, M.: Das Standardmodell
der Kosmologie. In: Sterne und Weltraum 9/2007, S. 36 – 44
Weblinks:
www.astronomie-heute.de/artikel/
1055412
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