PLANCK
Ein nur fast perfektes Universum
Redaktion / Pressemitteilung der ESA
astronews.com
21. März 2013

Die ESA hat heute die bisher genaueste Karte der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung, der fossilen Strahlung aus der Zeit des Urknalls, vorgestellt. Sie basiert auf Daten des Satelliten Planck aus den ersten 15,5 Monaten der Mission. Die Daten bestätigen generell das Standardmodell der Kosmologen. Es gibt allerdings einige überraschende Abweichungen - etwa eine unerklärte Asymmetrie und einen kalten Fleck am Himmel.

Ausschnitt aus der aktuellen, auf Planck-Daten basierenden Karte der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung. Die verschiedenen Farben stehen für winzige Unterschiede in der Temperatur. Bild: ESA und die Planck-Kollaboration [vergrößerte Gesamtansicht]

Die kosmische Hintergrundstrahlung ist die älteste Lichtstrahlung im All und stammt aus einer Epoche, zu der unser Universum gerade 380.000 Jahre alt war. Zu diesem Zeitpunkt bildete das Universum eine heiße, dichte Suppe aus zueinander in Wechselwirkung stehenden Protonen, Elektronen und Photonen bei einer Temperatur von etwa 2.700 Grad Celsius. Als Protonen und Elektronen sich zu Wasserstoffatomen formten, wurde das Universum praktisch "durchsichtig" und die Strahlung freigesetzt. Durch die Ausdehnung des Weltalls hat sich dieses Licht bis heute auf Mikrowellen-Wellenlängen ausgedehnt und besitzt eine Temperatur von gerade einmal 2,7 Grad über dem absoluten Nullpunkt.

Die kosmische Mikrowellen-Hintergrundstrahlung weist jedoch winzige Temperaturunterschiede auf, die sich mit Regionen von geringfügig abweichender Dichte in der Frühzeit des Universums decken und so den Keim für alle künftigen Strukturen, nämlich die heutigen Sterne und Galaxien, in sich tragen. Dem kosmologischen Standardmodell zufolge entstanden diese Fluktuationen unmittelbar nach dem Urknall und wurden dann innerhalb eines kurzen Zeitraums beschleunigter Expansion, der Phase der sogenannten Inflation, auf kosmologische Ausmaße ausgedehnt.

Der Satellit Planck wurde konzipiert, um diese Fluktuationen am gesamten Sternenhimmel mit bisher unerreichter Auflösung und Empfindlichkeit zu erfassen. Die Analyse der Eigenschaften und der Verteilung dieser Urstrukturen auf dem Planck-Bild der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung ermöglicht den Astronomen Rückschlüsse in Bezug auf die Zusammensetzung und Entwicklung des Universums von seiner Entstehung bis zum heutigen Tag.

Insgesamt stellen die mit der neuen Planck-Karte gewonnenen Erkenntnisse eine eindeutige und zudem die bisher präziseste Bestätigung des kosmologischen Standardmodells dar und setzen so neue Richtwerte für das Bild von der Zusammensetzung des Universums. Dank der außerordentlichen Präzision der Planck-Karte konnten jedoch auch einige bisher ungeklärte Phänomene aufgedeckt werden, für deren Verständnis neue physikalische Erklärungsversuche erforderlich sein könnten.

"Die herausragende Qualität dieses Porträts, das uns Planck von einem noch in seinen Kinderschuhen stehenden All gezeichnet hat, ermöglicht uns, Schicht für Schicht bis zu seinem Ursprung vorzudringen, und macht uns gleichzeitig deutlich, dass unsere bisherige Vorstellung vom Kosmos alles andere als vollkommen ist", urteilte ESA-Generaldirektor Jean-Jacques Dordain.

"Seit 2010, als Plancks erstes den gesamten Himmel umfassendes Bild veröffentlicht wurde, waren wir damit beschäftigt, die Emissionen im Vordergrund, die den Blick auf das erste Licht des Universums bisher verstellt hatten, vorsichtig herausfiltern und zu analysieren, so dass sich die kosmische Mikrowellen-Hintergrundstrahlung uns nun in ihren kleinsten, bisher unerkannten Details offenbart", erklärt George Efstathiou von der University of Cambridge.

Zu den wohl überraschendsten Ergebnissen zählt die Tatsache, dass die Fluktuationen bei den Temperaturen der Hintergrundstrahlung auf großen Winkelskalen nicht den im Standardmodell vorhergesagten Werten entsprechen: Ihre Signale sind nicht so stark, wie dies von der von Planck entdeckten kleinmaßstäbigeren Struktur zu erwarten gewesen wäre. Ebenfalls verblüffend ist die Asymmetrie der Durchschnittstemperaturen an den entgegengesetzten Hemisphären des Himmels. Dies widerspricht der im Standardmodell postulierten grundsätzlichen Ähnlichkeit des Universums, ganz gleich in welche Richtung man blickt.

Darüber hinaus erstreckt sich ein kalter Fleck über ein Areal am Himmel, das wesentlich größer ist als erwartet. Bereits Plancks Vorgänger, die NASA-Mission WMAP, gab Hinweise auf die Asymmetrie und den kalten Fleck, jedoch schenkte man ihnen aufgrund der Zweifel an ihrem kosmischen Ursprung kaum Beachtung. "Die eindeutige Erfassung dieser Anomalien durch Planck lässt keine weiteren Zweifel an ihrer Existenz zu. Sie können nun nicht mehr als Messfehler betrachtet werden. Wir müssen sie als Tatsachen hinnehmen und nun nach einer plausiblen Erklärung suchen", bekräftigt Paolo Natoli von der italienischen Universität Ferrara.

"Stellen Sie sich vor, Sie untersuchen das Fundament eines Hauses und stellen dabei einige Schwachstellen fest. Auch wenn Sie nicht sagen können, ob diese das Haus irgendwann zum Einsturz bringen, werden Sie zumindest versuchen, möglichst rasch neue Stützen zu errichten", macht François Bouchet vom Pariser Institut für Astrophysik die Bedeutung der Funde deutlich.

Eine mögliche Erklärung für diese Anomalien wäre die Hypothese, dass das All in Wirklichkeit in einer größeren als der von uns beobachtbaren Skala nicht nach allen Richtungen hin gleich geartet ist. In diesem Szenario hätte das Licht der Hintergrundstrahlung einen wohl etwas komplizierteren Weg durch das Universum als bisher gedacht zurücklegen müssen, was zu einigen der ungewöhnlichen Beobachtungsergebnisse führen würde.

"Unser Fernziel sollte es sein, ein neues Modell zu entwerfen, das die Anomalien nicht nur vorhersagt, sondern auch zueinander in Beziehung setzt. Wir befinden uns jedoch gerade erst am Anfang und können noch nicht sagen, ob dies überhaupt möglich sein wird und welche neuen physikalischen Erklärungsversuche hierzu nötig wären. Es wird auf jeden Fall spannend", freut sich Efstathiou.

Von diesen Anomalien abgesehen stehen die Planck-Daten jedoch in erstaunlicher Übereinstimmung mit dem erwarteten, relativ einfachen Modell des Universums und ermöglichen den Wissenschaftlern, die einzelnen Steine seines Bauplans nun auch bis ins kleinste Detail zu beschreiben. Die normale Materie, aus der Sterne und Galaxien bestehen, macht lediglich 4,9 Prozent der Masse-/Energiedichte des Alls aus.

Dunkle Materie, die bisher nur indirekt über den Einfluss ihrer Schwerkraft nachgewiesen werden konnte, ist mit einem Anteil von 26,8 Prozent vertreten, also um fast ein Fünftel mehr als bisher angenommen. Die dunkle Energie hingegen, eine rätselhafte Kraft, die für die immer schnellere Ausdehnung des Universums verantwortlich gemacht wird, fällt weniger ins Gewicht als in den bisherigen Schätzungen.

Zu guter Letzt lässt sich anhand der Planck-Daten auch ein neuer Wert für die Hubble-Konstante ermitteln, also der Geschwindigkeit, mit der sich das Universum heute ausdehnt, nämlich 67,15 km/s/Megaparsec. Dies liegt deutlich unter dem derzeitigen, in der Astronomie verwendeten Standardwert. Aus diesen Daten lässt sich für das All ein Alter von 13,82 Milliarden Jahren errechnen.

"Mit diesen bisher präzisesten und ausführlichsten Karten des Himmelszelts im Mikrowellenspektrum schafft Planck ein neues Bild vom Universum und führt uns gleichzeitig an die Grenzen unseres Wissens, was die aktuellen kosmologischen Theorien angeht", fasst Jan Tauber, ESA-Projektwissenschaftler für Planck, die Resultate zusammen. "Wir stellen eine erstaunliche Übereinstimmung mit dem kosmologischen Standardmodell fest, wenn auch einige rätselhafte Phänomene uns keine andere Wahl lassen, als gewisse grundsätzliche Annahmen zu überdenken. Wir stehen erst am Anfang eines neuen Unterfangens und sind zuversichtlich, dass unsere kontinuierlichen Studien der Planck-Daten weiteres Licht auf diese Rätsel werfen werden." Der nächste Satz an kosmologischen Daten von Planck wird für Anfang 2014 erwartet.

Die jetzt vorgestellten Ergebnisse sollen in einer ganzen Reihe von Fachartikeln in der Zeitschrift Astronomy & Astropyhsics erscheinen.