Das neue Bild des alten Universums

 Das neue Bild der Kosmischen Hintergrundstrahlung, aufgenommen vom europäischen Planck-Satellit (erste 15,5 Monate der Messungen), im Vergleich zum bisher besten Bild, das der NASA-Satellit WMAP innerhalb von neun Jahren aufnahm. Die Planck-Daten haben eine rund zehnmal größere Präzision und enthalten weniger Störsignale und Messfehler. (Copyright: ESA, Planck Collaboration / NASA, WMAP Science Team)
Das neue Bild der Kosmischen Hintergrundstrahlung, aufgenommen vom europäischen Planck-Satellit (erste 15,5 Monate der Messungen), im Vergleich zum bisher besten Bild, das der NASA-Satellit WMAP innerhalb von neun Jahren aufnahm. Die Planck-Daten haben eine rund zehnmal größere Präzision und enthalten weniger Störsignale und Messfehler. (Copyright: ESA, Planck Collaboration / NASA, WMAP Science Team)
Ein großer Tag für die Menschheit! Heute Morgen um 10.15 Uhr wurden in Paris die Daten der Raumsonde Planck zur Kosmischen Hintergrundstrahlung vorgestellt. Es sind die genauesten Messungen dieser den ganzen Weltraum ausfüllenden Mikrowellen-Strahlung, die es jemals in der menschlichen Geschichte gegeben hat. Und sie verraten die grundlegenden Kennziffern unseres Universums. Aber sie haben auch beunruhigende neue Rätsel aufgeworfen.
Die 2009 gestartete Raumsonde Planck der Europäischen Raumfahrtagentur ESA besitzt die präzisesten Instrumente zur Messung des „Babyfotos“ unseres Universums, die jemals entwickelt wurden. In neun verschiedenen Frequenzbändern zwischen 30 und 857 Gigahertz registrierten die beiden auf fast 0 Kelvin (genauer: ein Millionstel Grad über 0) gekühlten Detektoren LFI und HFI die Mikrowellenstrahlung vom gesamten Himmel.

In jahrelanger Arbeit haben die Wissenschaftler diese Daten der ersten 15,5 Monate Messzeit nun ausgewertet und die störenden Vordergrundsignale von der Milchstraße und anderen Galaxien herausgerechnet, etwa die Wärmestrahlung von kosmischem Staub. Das Ergebnis ist die genaueste Himmelskarte der Kosmischen Hintergrundstrahlung, die es überhaupt gibt – rund zwanzig Mal präziser als die bisher beste Gesamthimmelskarte dieser Art (2003 von der NASA-Raumsonde WMAP erstmals veröffentlicht und seither noch mehrfach präzisiert).

Und dieses Fossil des frühen Universums, 380.000 Jahre nach dem Urknall entstanden, hat es in sich! George Efstathiou von der University of Cambridge, der die Daten auf einer Pressekonferenz in Paris vorstellte, sprach von einer „Goldmine der Information“ und meinte, er kenne Kosmologen, die ihre Kinder dafür gegeben hätten, um die neue Himmelskarte so schnell wie möglich zu erhalten.

Nun sind die Planck-Daten – die Himmelskarte ist nur ein Teil davon – für jeden frei zugänglich. Das Planck-Team hat 29 Fachartikel mit zusammen vielen 100 Seiten ins Web gestellt. Sie werden in der Zeitschrift Astronomy and Astrophysics erscheinen.

Das Alter der Welt: 13,8 Milliarden Jahre

Aus den Planck-Daten lässt sich der Wert der Hubble-Konstante errechnen. Sie beschreibt die Ausdehnungsrate des Weltraums heute. Der neue Wert: 67,3 plus/minus 1,2 Kilometer pro Sekunde und Megaparsec. Daraus lässt sich – unter bestimmten mehr oder weniger gut etablierten Annahmen – das Weltalter erschließen.

Ergebnis: Wir leben heute 13,81 Milliarden Jahre nach dem Urknall. Dieser Wert ist nun auf plus/minus 50 Millionen Jahre genau bekannt – eine Präzision, die noch vor einem Jahrzehnt utopisch erschien. Der neue Wert ist geringfügig höher als der bisherige. „Jeder von uns ist etwa 100 Millionen Jahre älter als gedacht“, scherzte Efstathiou.

Dass die Hubble-Konstante laut Planck niedriger ist als in den bislang favorisierten Werten (um 70) gehört zu den spannendsten und schwierigsten Resultaten. Denn nun gibt es Spannungen zwischen den kosmologischen und den astrophysikalischen Messungen (mithilfe von Sternexplosionen und so weiter). Womöglich müssen die astrophysikalischen Annahmen und Modelle modifiziert werden. Hier ist noch viel Spielraum für Verbesserungen! Aber vielleicht gibt es auch irgendwelche systematischen Fehler - bei Planck oder anderswo -, die die Forscher narren.

(Nebenbemerkung: Interessanterweise sprach die wenige Minuten später von der ESA veröffentlichte Pressemitteilung von einer Hubble-Konstanten von 67,15 und einem Weltalter von 13,82 Milliarden Jahren – was aber so nicht dem veröffentlichten Fachartikel übereinstimmt. Doch die Sache ist ohnehin diffiziler: Es kommt darauf an, mit welchen Modellen man die Planck-Daten analysiert und ob man weitere astronomisch Daten dabei berücksichtigt - und wenn ja: welche und mit welcher Gewichtung. Über diese Details wird es noch lange Diskussionen geben. Fest steht aber: Das Weltalter ist genauer bekannt denn je, und die Diskussionen betreffen jetzt den Prozent- und Promillebereich, während noch vor 15 Jahren Weltalter von 11 bis über 30 Milliarden Jahren im Gespräch waren!)

Die Bestandteile der Welt

Auch die Zusammensetzung des Universums ist nun noch genauer bekannt. Es besteht zu 68,3 Prozent aus der ominösen Dunklen Energie (die die Ausdehnung des Alls seit sechs Milliarden Jahren beschleunigt), aus 26,8 Prozent Dunkler Materie (vermutlich unbekannte Elementarteilchen, die nicht elektromagnetisch wechselwirken) und lediglich aus 4,9 Prozent gewöhnlicher Materie (Protonen, Neutronen und Elektronen). Nur über diesen winzigen Anteil, aus dem wir selbst bestehen, wissen wir wirklich Bescheid; das Gros des Universums ist rätselhaft.

Die zuvor besten Werte waren 72,8 Prozent Dunkle Energie, 22,7 Dunkle Materie und 4,5 gewöhnliche Materie. „Wir verstehen jetzt also ein bisschen mehr vom Universum“, schmunzelte Efstathiou, weil der Prozentsatz der gewöhnlichen Materie etwas größer ausfiel und der Anteil der Dunklen Energie ein wenig geringer ist als bislang angenommen.

Wichtige Details - und drei Familien

Die mittlere Materiedichte des Universums beträgt laut Planck 0,315 plus/minus 0,017 (1 markiert die sogenannte kritische Dichte, die eine flache Geometrie beschreibt, den Grenzfall zwischen einer sphärischen und einer hyperbolischen, das heißt einer positiven und einer negativen Krümmung).

Da die Gesamtenergiedichte auf ein Prozent genau 1 betragen dürfte, wie die Hintergrundstrahlung verrät, wird das All anscheinend von der ominösen Dunklen Energie dominiert. Sie addiert sich zum Wert der Materiedichte und ergibt die 1. Alle kosmischen Ingredienzen zusammen ergeben somit eine „flache“ Geometrie – quasi der einfachste Fall, jedenfalls aus mathematischer Sicht.

Plancks Daten sind vereinbar mit der Hypothese, dass die Dunkle Energie die schon von Albert Einstein eingeführte Kosmologische Konstante ist. Das wäre die simpelste Erklärung – und eine, die in der Allgemeinen Relativitätstheorie einen festen Platz hat.

Noch ein wichtiger Nebenaspekt für die Teilchenphysik: Die Planck-Daten lassen auch darauf schließen, dass es keine vierte Familie der Neutrinos – und mithin der gesamten Elementarteilchen der Materie – gibt. Drei Familien sind bekannt und bilden das Standardmodell der Elementarteilchen. Die Suche nach einer weiteren Familie verlief mit Teilchenbeschleunigern bislang erfolglos. Die Schützenhilfe der Kosmologen besagt nun: Das Universum hält es mit dem Sprichwort „Aller guten Dinge sind drei“.

Auch eine obere Massengrenze für die Summe der Einzelmassen der drei Neutrino-Typen hat Planck geliefert: 0,23 Elektronenvolt. Neutrinos sind also extrem leicht und tragen fast nicht zur Materiedichte des Universums bei.

Kosmische Aufblähung

Die Planck-Daten stimmen auch erstaunlich gut mit den einfachsten Modellen der Kosmischen Inflation überein. Diesem Szenario zufolge hat sich das Weltall sofort nach dem Urknall exponentiell aufgebläht (sogar überlichtschnell, was kein Widerspruch zur Relativitätstheorie ist, denn die Inflation betraf den Raum selbst, nicht Bewegungen im Raum). Und genau deshalb erscheint es geometrisch „flach“ – eine anderweitig extrem unwahrscheinlich anmutende Tatsache.

Zum Szenario der Inflation gibt es Hunderte von verschiedenen Modellen. Es ist ein Riesenerfolg, dass ein großer Teil davon durch die neuen Daten jetzt schon ausgeschlossen werden können. Aber auch, dass sich die Grundidee, die schon über 30 Jahre alt ist, noch immer glänzend bewährt.

Tatsächlich wurde sogar eine weitere Voraussage bestätigt: Dass eine Größe namens „slope“ oder Spektralindex im sogenannten Winkelleistungsspektrum der Temperaturverteilung der Kosmischen Hintergrundstrahlung kleiner als 1 ist. Plancks Messung: 0,9585 plus/minus 0,007. Allein über diese Zahl werden in den nächsten Monaten Dutzende von Fachartikeln geschrieben werden (sagt der bdw-Astronomie-Redakteur voraus).

„Wir haben den Wert mit sechs Standardabweichungen gemessen. Das sagt etwas über die Dynamik des frühen Universums aus“, betonte Efstathiou. „Wenn ich Inflationskosmologe wäre, dann wäre ich jetzt sehr froh.“

Ein fast perfektes Universum

Das kosmologische Standardmodell, das sich seit 1998 etabliert hat, und das seit etwa 2003 auf festen Beinen steht, haben die Planck-Daten nun glänzend bestätigt. Das ist ein gewaltiger Erfolg!

Nach wie vor lässt sich unser Universum kosmologisch mit nur sechs Parameter sehr präzise beschreiben. (Zum Vergleich: Im Standardmodell der Teilchenphysik sind rund 30 nicht weiter ableitbare "Kennziffern" nötig, etwa zu den Massen der verschiedenen Teilchen und der Stärke ihrer Wechselwirkungen.) Und das Standardmodell der Kosmologie, das auf diesen Parametern basiert, wurde nun von Planck im wesentlichen bestätigt. Wir leben also wirklich im Zeitalter der Präzisionskosmologie. (Manch ein Forscher hätte sich natürlich große Überraschungen an dieser Stelle gewünscht und ist nun etwas enttäuscht.)

„Die Daten von Planck passen extrem gut zum Standardmodell der Kosmologie“, meinte auch Torsten Enßlin. Er leitet die am Max-Planck-Institut für Astrophysik in München angesiedelte deutsche Beteiligung an der Planck-Mission. „Die kosmologischen Parameter konnten mit Planck jetzt so genau bestimmt werden wie nie zuvor. Und unsere Analyse bestand mit Bravour alle Tests gegenüber diversen anderen astronomischen Beobachtungen.“

Nicht alles passt!

„Wir könnten hier aufhören und sagen, das sei eine extrem gute Übereinstimmung. Und mit dem Riesenerfolg sei die Kosmologie im Grunde beendet“, fuhr Efstathiou fort. „Aber es gibt kleine Abweichungen vom Standardmodell“. Efstathiou spricht deshalb von einem „fast perfekten Universum“ – ganz perfekt wäre es, wenn das kosmologische Standardmodell hundertprozentig gepasst hätte. Das tut es aber nicht. Und die Abweichungen sind hochinteressant für die Kosmologen.

„Die Abweichungen müssen wir kritisch begutachten. Denn hier verbirgt sich vielleicht ein Hinweis auf eine neue Physik.“

Man könnte auch von einem Problem für das Standardmodell sprechen. Und dafür gab es schon früher mehrere Hinweise (bild der wissenschaft hat darüber immer wieder ausführlich berichtet, etwa in den Heften 9/2008, 5/2010 und 9/2011).

Diverse Überraschungen

Zu den überraschendsten Resultaten gehört die Tatsache, dass die Temperaturschwankungen der Hintergrundstrahlung auf großen Winkelskalen geringer sind als vom kosmologischen Standardmodell vorhergesagt. Das war schon früher gemessen worden, aber weniger genau, und manche Kosmologen versuchten es als Messfehler abzutun. Doch diese seltsame Eigenschaft des Universums ist anscheinend real.

Ebenfalls verblüffend: Die Durchschnittstemperaturen beziehungsweise Fluktuationsmuster an entgegengesetzten Himmelshälften sind asymmetrisch. Dies widerspricht der Annahme, dass das Universum im großen Maßstab überall gleich aussieht.

„Es scheint, als gäbe es eine Vorzugsrichtung“, sagte Efstathiou. „Das ist sehr seltsam. Und sie liegt auch noch in der ekliptischen Ebene“ – sie korreliert also ungefähr mit der Bahnebene der Erde um die Sonne. Doch warum sollte das Sonnensystem etwas mit den grundlegenden Eigenschaften des Universums als Ganzes zu tun haben? „Das ist ein vollständiges Rätsel.“

Darüber hinaus erstreckt sich ein kalter Fleck über ein Areal am Himmel, das wesentlich größer ist als erwartet. Diese Region mit unterdurchschnittlicher Temperatur weist auf ein riesiges „Loch“ im All hin, einer viele 100 Millionen Lichtjahre großen Region, in der es fast keine Materie gibt. Auch das haben frühere Messungen schon angezeigt, sie waren aber umstritten.

Andere Universen und eine Zeit vor dem Urknall?

„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“, betonte Paolo Natoli von der italienischen Universität Ferrara.

Zu diesen Effekten gibt es zwar spekulative Erklärungsansätze. Sie weisen jedoch alle über das kosmologische Standardmodell hinaus.

Vielleicht ist unser Universum nicht typisch, aber auf größeren Skalen – also hinter dem Horizont dessen, was wir beobachten können – ist es doch überall gleichförmig. Dann hätten wir zufällige Abweichungen vor Augen.

Oder es gibt großräumige Unterschiede in der Materieverteilung. Aber dann sind viele Modelle der Kosmischen Inflation in Schwierigkeiten, die eine gigantische „Gleichverteilung“ voraussagen – und ja gerade angetreten sind, um diese zu erklären.

Oder es gibt gleichsam „Abdrücke“ anderer Universen, die mit unserem interagiert hatten – vielleicht schon vor dem Urknall. Es könnte auch sein, dass der Urknall eben kein absoluter Anfang der Welt war, der Beginn von Raum und Zeit, sondern ein Übergang. Vielleicht ist ein Vorgänger-Universum kollabiert und hat so den Urknall ausgelöst. Und die Seltsamkeiten der Kosmischen Hintergrundstrahlung sind quasi Spuren dieser Phase vor dem Urknall – kosmische Erinnerungen.

Überhaupt ist die Vorstellung von anderen Universen in den letzten Jahren unter vielen Kosmologen attraktiv geworden. Und diese Ideen sind durchaus wissenschaftlich seriös, auch wenn das immer wieder bezweifelt wurde.

Neue Daten und rigorose Tests

Jede neue Erkenntnis wirft auch viele neue Fragen auf. Das ist ein Indiz für den wissenschaftlichen Fortschritt. Die neuen Planck-Daten werden Kosmologen über Jahre beschäftigen. Es gibt so schnell nichts Besseres auf dem Markt.

Aber Plancks Datenfülle jetzt ist erst der Anfang. Viele weitere Messungen sind noch nicht ausgewertet. Der öffentlich zugängliche Datensatz wird sich in nächster Zeit verdoppeln. Und die Messungen zur Polarisation der Kosmischen Hintergrundstrahlung sind auch noch nicht veröffentlicht. Das kann gut ein weiteres Jahr Arbeit bedeuten. Diese Messungen sind aber „im Kasten“, wie der Planck-Wissenschaftler Jean-Loup Puget sagte. Und sie sind sehr vielversprechend, testen sie doch die Modelle der Kosmischen Inflation sowie konkurrierende Erklärungsansätze. Diese für 2014 versprochene Daten werden mit Sicherheit zu einem weiteren Hypothesen-Sterben führen und zu neuen, besseren Erklärungsansätzen.

Die neuen Planck-Resultate werden also die kosmologischen Spekulationen und Hypothesen präziser überprüfen können und die Fülle der Weltmodelle weiter einschränken. Und genau so funktioniert Wissenschaft: Es werden Spekulationen formuliert, Hypothesen gebildet und rigoros getestet, neue Vorhersagen werden gemacht und kritisch überprüft. Es gibt viele Irrwege und Sackgassen. Doch allmählich schält sich der richtige, wenn auch verschlungene Pfad heraus, der zur Wahrheit über die Welt führt.
Rüdiger Vaas

Der Autor ist bdw-Redakteur für Astronomie und Physik sowie Verfasser des Buchs Hawkings Kosmos einfach erklärt – Vom Urknall zu den Schwarzen Löchern. In einer künftigen Ausgabe von bdw wird er die Planck-Daten und vor allem ihre Konsequenzen für unser Weltbild ausführlich darstellen.


Reload-Capcha neu laden Text der identifiziert werden soll

Bitte geben Sie zusätzlich noch den Sicherheitscode ein!

Rubriken

 


Harte Nuss
Rätsel: Berühmte Entdecker gesucht

 

Der Buchtipp

Henning Beck hat eine lange Liste von Fehlern und Schwächen unseres Gehirns zusammengetragen. Dennoch verteidigt der Neurowissenschaftler unser Denkorgan: Gerade wegen seiner Fehler sei es flexibel und kreativ und jedem Computer überlegen.

Zu allen Buchtipps


Alle Rechte vorbehalten
Vervielfältigung nur mit Genehmigung der Konradin Mediengruppe