Das erste Licht - wissenschaft.de
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Das erste Licht

Kosmologen mustern verzückt die Messdaten der Raumsonde WMAP: Das schärfste Bild vom Feuerball-Stadium nach dem Urknall verrät, in welchem Universum wir leben.

„Ich kann das gar nicht oft genug sehen“, sagt Max Tegmark und klickt auf dem Bildschirm seines Computers zwischen zwei Darstellungen von Kurven und Zahlen hin und her. Die eine zeigt eine scharfe Linie mit Datenpunkten, deren Fehlerbalken – sie markieren die Messunsicherheiten – kaum zu erkennen sind, während die Fehlerbalken auf der anderen Grafik ein verwirrendes Gestrüpp bilden. Zwischen diesen beiden Darstellungen liegen Welten – obwohl sie dieselbe Welt beschreiben, nämlich unsere eigene. „Das wird die Grundlage der gesamten Kosmologie der nächsten fünf Jahre sein“, ist der junge Physik-Professor an der University of Pennsylvania in Philadelphia überzeugt.

Keiner seiner Zuhörer sieht das anders. Rund hundert der bedeutendsten Kosmologen haben sich Ende März an der University of California in Davis getroffen, um die kurz zuvor veröffentlichten WMAP-Daten zu diskutieren und ihre Tragweite auszuloten. WMAP steht für Wilkinson Microwave Anisotropy Probe – eine Raumsonde, mit der die Forscher gleichsam den Fingerabdruck des Himmels unter die Lupe nehmen. Und wie kosmische Detektive können sie damit auf die Identität des observierten Objekts schließen, ein Profil und sogar einen detaillierten Steckbrief erstellen. „Wir haben jetzt ein Standardmodell der Kosmologie“, freut sich David N. Spergel, Professor an der Princeton University und Mitglied des WMAP-Teams. „Das ist der Anfang einer neuen Epoche im Studium des frühen Universums. Wir können damit die ersten Momente nach dem Urknall besser verstehen und haben eine Menge der Fragen beantwortet, die die Kosmologie der letzten beiden Jahrzehnte prägten.“ Auch WMAP-Teamleiter Charles Bennett vom Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt, Maryland, kann seine Begeisterung kaum zügeln. „Wir haben einen Grundstein für eine kohärente Theorie des Kosmos gelegt. Die Daten sind solide – eine echte Goldmine.“

Tatsächlich haben die Wissenschaftler nun genauere Antworten auf grundlegende Fragen als jemals zuvor (siehe Tabelle „ Kosmische Kennziffern“, Seite 51). Die wichtigsten Erkenntnisse:

• Das Alter des Universums seit dem Urknall beträgt 13,7 Milliarden Jahre – fast das Dreifache der Erde.

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• Die ersten Sterne bildeten sich viel früher als bislang angenommen – bereits etwa 200 Millionen Jahre nach dem Urknall. Das schließt das WMAP-Team aus der Polarisation, die der Hintergrundstrahlung nachträglich aufgeprägt wurde: Rund 15 Prozent ihrer Photonen wurden an Elektronen gestreut, die die UV-Strahlung der ersten Sterne aus dem Wasserstoff und Helium der Urgaswolken herausgeschlagen hatte (Reionisierung).

• Die Ausdehnungsrate des Weltraums – die Hubble-Konstante – beträgt 71 Kilometer pro Sekunde und Megaparsec (ein Megaparsec sind 3,26 Millionen Lichtjahre). Sie stimmt exzellent überein mit dem durch zehnjährige Beobachtungen gewonnenen Wert des so genannten Schlüsselprojekts des Hubble-Weltraumteleskops: 72 Kilometer pro Sekunde und Megaparsec. „Diese Übereinstimmung ist sehr beeindruckend, da die beiden Methoden auf ganz unterschiedlichen Beobachtungen, physikalischen Prozessen und Modell-Annahmen beruhen“, schreibt das WMAP-Team. Die Hubble-Konstante war lange Zeit der Heilige Gral der Kosmologen und widersetzte sich seit rund 70 Jahren hartnäckig genauen Messungen.

• Die Zusammensetzung des Weltalls ist tatsächlich so ungewöhnlich, wie es frühere Messungen nahe legten: Der Löwenanteil, fast eine Drei-Viertel-Mehrheit, geht auf das Konto einer rätselhaften Dunklen Energie, die die Ausdehnung des Weltraums immer weiter beschleunigt und die Zukunft unseres Universums bestimmen wird (siehe Artikel „Phantom-Energie zerreißt das Weltall“ ab S. 52). Ungefähr 23 Prozent stecken in der ominösen Dunklen Materie. Sie ist größtenteils kalt, das heißt sie bewegt sich langsam. Nur die Neutrinos schwirren fast lichtschnell herum und haben neuen Messungen zufolge auch eine winzige Ruhemasse, gehören also ebenfalls zur Dunklen Materie (siehe bild der wissenschaft 7/2003, „Swinging Neutrinos“). Sie machen aber nicht einmal ein Massenprozent des Alls aus. Die überwiegende Menge der Dunklen Materie existiert vermutlich in Form bislang unbekannter, aber von bestimmten physikalischen Theorien postulierten Elementarteilchen. Die ge-wöhnliche Materie aus uns bekannten Atomen – also alle Sterne und Planeten sowie Gas und Staub – beträgt hingegen nicht einmal fünf Prozent der Gesamtmasse oder -energiedichte des Universums.

Um zu diesen Resultaten zu gelangen, haben die Forscher in einer unglaublichen Detektivarbeit über eine Million verschiedene Modelle berechnet und mit den WMAP-Messungen und anderen kosmologischen Daten verglichen. Jedes Modell stellte gleichsam einen anderen Fingerabdruck dar – die Aufgabe war, den zu identifizieren, der mit der Wirklichkeit am besten übereinstimmt. „Ich habe noch nie so hart gearbeitet wie in den letzten Monaten – oft bis zwei Uhr in der Nacht. Wir sind ein sehr kleines Team, so dass wir alle eine große Verantwortung tragen“, sagt David Spergel vom WMAP-Team. „Was mich am meisten freut, ist die Präzision der Daten. Als ich mich der Kosmologie zuwandte, war sie eine spekulative Disziplin. Ich hätte nie gedacht, dass sie diese Genauigkeit erreicht. Jetzt ist sie eine wirklich experimentelle Wissenschaft.“

Die Forscher konnten sogar die Fehler der Fehlerbalken quantifizieren – sie betragen gerade mal zwei Prozent. „Wir haben uns geradezu obsessiv um eine Minimierung der experimentellen und systematischen Ungenauigkeiten gesorgt“, berichtet Spergels Kollegin Licia Verde – und wünscht sich eine ähnliche Sorgfalt von Kosmologen, die dem Universum mit anderen Methoden zu Leibe rücken. Denn neben Messungen der Hintergrundstrahlung spielen auch andere Verfahren eine wesentliche Rolle, zum Beispiel die Analyse der Verteilung von Galaxien und Galaxienhaufen, die Spektraluntersuchung des Lichts von Quasaren, die Messung der Helligkeit ferner Sternexplosionen und der Verteilung so genannter Gravitationslinsen-Effekte. Daraus ziehen Kosmologen Rückschlüsse auf Geometrie, Ausdehnungsrate, Materiedichte und -verteilung des Universums – und alle Daten stimmen erfreulicherweise gut mit den WMAP-Resultaten überein.

Das Erfolgsgeheimnis von WMAP ist, dass die Sonde buchstäblich das ganze beobachtbare Weltall ins Visier nimmt (siehe Kasten links „Der Kartograph des Kosmos“): Sie hat die Kosmische Hintergrundstrahlung des gesamten Himmels detailliert vermessen und kartiert. Diese bereits 1948 von dem Physiker George Gamow vorausgesagte und 1965 erstmals von den Radioastronomen und späteren Physik-Nobelpreisträgern Arno Penzias und Robert Wilson beschriebene Strahlung stammt aus der Frühzeit des Universums. Sie ist gewissermaßen das erste Licht, das noch immer den Raum durchflutet – nur die winzige Zahl von etwas über 400 Photonen pro Kubikzentimeter sind vom Feuerballstadium des frühen Kosmos heute noch übrig. Freigesetzt wurden sie etwa 380000 Jahre nach dem Urknall, lange bevor die Sterne und Galaxien entstanden. Damals sank die Temperatur aufgrund der Ausdehnung des Weltraums unter 3000 Grad Celsius, so dass die Atomkerne Elektronen einfangen konnten: Die ersten Atome bildeten sich, größtenteils Wasserstoff. Durch diese „Rekombination“ – sie zog sich WMAP zufolge gut 100000 Jahre hin – bekam das Licht, das zuvor ständig an den freien Elektronen gestreut oder von ihnen verschluckt und wieder ausgespien wurde, freie Bahn. Das Universum wurde durchsichtig.

Inzwischen hat die Expansion den Weltraum auf 2,73 Grad über dem absoluten Nullpunkt abgekühlt – also auf minus 270 Grad Celsius – und die Wellenlänge des ersten Lichts in den für unsere Augen unsichtbaren Millimeter- und Zentimeterbereich verschoben. Doch noch immer liefert die Kosmische Hintergrundstrahlung einen Schnappschuss des Zustands vor 13,7 Milliarden Jahren. Damals klang und schwang der Feuerball wie eine gigantische Glocke. Die Töne und Obertöne haben sich als Verdichtungen und somit Temperaturmuster auf unterschiedlichen Größenskalen in die Hintergrundstrahlung eingeprägt. Sie sind der Schlüssel zum Steckbrief des heutigen Universums.

Allerdings ist die Temperatur der Hintergrundstrahlung extrem gleichförmig. Erst 1992 hatte der Satellit COBE (Cosmic Background Explorer) winzige Schwankungen von etwa einem Hunderttausendstel Grad entdeckt. Sie sind die „Hauptmelodie“, erzeugt von geringfügigen Inhomogenitäten im Urgas, die sich unter der Schwerkraft später zu den Galaxien, Galaxienhaufen und -superhaufen verdichteten. Allerdings war COBEs Auflösungsvermögen nicht gut genug, um feine Details sichtbar zu machen. Die extrem empfindliche Technik dazu entstand erst in den letzten Jahren – durch hochfliegende Ballonsonden sowie spezielle Teleskope auf Berggipfeln und dem Plateau der Antarktis. So konnte man der irdischen Störstrahlung und der absorbierenden Wirkung des atmosphärischen Wasserdampfs einigermaßen entgehen. Dadurch gelang es mehreren Forscherteams, an die informationstragenden Obertöne des Urknall-Echos heranzukommen (bild der wissenschaft 6/2001, „Die flache Welt“ und Kasten „ Obertöne der kosmischen Melodie“). Neben dem Frequenzspektrum, das schon COBE maß, sind das hauptsächlich die Temperaturunterschiede auf allen Größenskalen und die Polarisation der Strahlung. Allerdings sind diese Messungen schwer miteinander vergleichbar, auf winzige Himmelsausschnitte beschränkt und sehr unterschiedlich in Sensitivität, Auflösung, Datenauswertung und dem Vermögen, Vordergrundquellen zu eliminieren. Hier hat WMAP neue Maßstäbe gesetzt.

Obwohl die Kosmische Hintergrundstrahlung 380000 Jahre nach dem Urknall freigesetzt wurde und wie ein Lichtvorhang wirkt, hinter den niemand zu schauen vermag, ist sie nicht das Ende der Beobachtungsmöglichkeiten. Im Gegenteil: In ihr stecken Spuren der allerersten Momente. Zwar ist das letzte Wort dazu noch keineswegs gesprochen, doch feiern zahlreiche Kosmologen die Daten von WMAP und ihre Kombination mit anderen astrophysikalischen Beobachtungen bereits als einen Triumph für das Modell der kosmischen Inflation.

Alexei A. Starobinsky, Alan Guth, Paul Steinhardt, Andreas Albrecht, Andrei Linde und andere haben dieses Modell Anfang der achtziger Jahre entwickelt, um zu erklären, wie unser Universum so groß geworden ist: durch eine gewaltige – sogar überlichtschnelle – Ausdehnung des Weltraums im ersten Sekundenbruchteil nach dem Urknall (bild der wissenschaft 12/2001, „Modell Klassik“). Auch wenn der Mechanismus dafür noch rätselhaft ist – für den „Antrieb“ sorgte ein unbekanntes Feld namens Inflaton –, machte das Szenario doch einige Voraussagen, die WMAP jetzt in bemerkenswerter Genauigkeit bestätigte:

• Der Weltraum ist „flach“, das heißt auf großen Skalen nicht gekrümmt wie die Oberfläche einer Kugel oder eines Sattels. Somit gilt die jedem von der Schule vertraute euklidische Geometrie auch im dreidimensionalen Weltraum: Beispielsweise beträgt die Winkelsumme von Dreiecken exakt 180 Grad.

• Das Polarisationsmuster der Hintergrundstrahlung stimmt perfekt. Das bewiesen zuvor schon Messungen des DASI-Teleskops.

• Das Spektrum der Temperaturfluktuationen gehorcht den vorausgesagten zufälligen thermischen Prozessen. Physiker sprechen von „adiabatisch“ und „gaußverteilt“.

• Die Fluktuationen sind nahezu skaleninvariant: Das Größenverhältnis der Flecken auf unterschiedlichen Skalen ist konstant – ähnlich wie in einem Geröllhaufen, bei dem auf einen Ein-Meter-Stein 100 Ein-Zentimeter-Steinchen kommen, auf ein Ein-Zentimeter-Steinchen 100 winzige 0,1-Millimeter-Körnchen und so weiter.

„Ich bin sehr erfreut und überrascht, dass dies alles so gut passt“, jubiliert Alan Guth vom Massachusetts Institute of Technology, der 1980 die bahnbrechende Grundidee der Inflation hatte. „Es war eine ziemlich radikale Idee, und ich war ein Neuling in der Kosmologie. Damals dachte ich keinen Moment lang, dass die Berechnungen zu meinen Lebzeiten mit Beobachtungen verglichen werden könnten. Später fürchtete ich, dass irgendwann alles auseinander fallen würde. Aber jetzt geht es hauptsächlich darum, die Details zu klären.“ Auf die kommt es freilich an. Denn noch immer weiß niemand, wann und wie die Inflation begann, wie lange sie gedauert und warum sie wieder aufgehört hat. Außerdem haben die Kosmologen inzwischen über 300 verschiedene Modelle entworfen, die zwar alle derselben Grundidee folgen, diese aber mathematisch und physikalisch unterschiedlich buchstabieren. „Die Daten sind jetzt so gut, dass sich einzelne Modelle ausschließen lassen, auch wenn noch keine Modell-Familie widerlegt ist“, freut sich Spergel. „Die Inflation ist nun ein Teil der experimentellen Wissenschaft.“

Allerdings hat die Inflation inzwischen Konkurrenz von anderen Theorien bekommen, und auf der Davis-Konferenz wurde heftig darüber gestritten. Stephen Hawking von der Cambridge University glaubt sogar, die Inflation stecke in ernsthaften theoretischen Schwierigkeiten. Er gab sich kämpferisch – trotz seines vor dem Hintergrund des Irak-Krieges getragenen „Stop the War“-Zeichens am Revers: „Selbst wenn die Inflation funktioniert, erklärt sie uns nicht, warum das Universum ist, wie es ist.“ Sie sage nichts über die fundamentale Physik aus, da es noch keine Verbindung mit dem gäbe, was den Urknall erzeugt hat.

Die meisten Konferenz-Teilnehmer ließen sich ihren Enthusiasmus aber nicht nehmen. Weitere Nagelproben der Inflation werden bald folgen. „Gravitationswellen sind jetzt der Heilige Gral“, sagt Michael Turner, Professor an der University of Chicago. Gemeint sind schwache Abdrücke, die die Raumzeit-Verzerrungen kurz nach dem Urknall dem Temperatur- und Polarisationsmuster der Hintergrundstrahlung aufgeprägt haben. Auswirkungen davon könnten schon in den nächsten Jahren gemessen werden. Das Modell vom Zyklischen Universum, das Paul Steinhardt von der Princeton University letztes Jahr entwickelte (bild der wissenschaft 5/2002, „Ewige Wiederkehr“), sagt dagegen keine solchen Signaturen voraus. Trotzdem ist er skeptisch, ob die Anhänger der Inflation aufgeben, wenn man keine Abdrücke findet. „ Die Inflationstheorie wird nicht durch Beobachtungen, sondern nur durch eine bessere Theorie sterben“, glaubt er.

Andrei Linde von der Stanford University ist dagegen unter keinen Umständen gewillt, die Grundidee der Inflation aufzugeben – sie sei einfach zu brillant und erklärungskräftig – und lässt am Zyklischen Modell kein gutes Haar. Boshaft schlägt er sogar ein doppelzyklisches Reparaturmodell vor, das er „Bicycle“ nennt. „ Selbst wenn das Haus der Inflation in Schwierigkeiten käme, würde man es vernünftigerweise nicht verlassen – sonst wäre man ja obdachlos.“ Steinhardt widerspricht: „Was aber, wenn es in Flammen steht?“

David Spergel wahrt Neutralität: „Die Inflation ist flexibel, aber nicht unbegrenzt flexibel.“ Und Andreas Albrecht von der University of California in Davis, der dort gerade ein leistungskräftiges Kosmologie-Zentrum aufbaut, hielt auf dem Kosmologentreffen sogar eine diplomatische Festrede zum 22. Geburtstag der Inflation: „Wie bei vielen erfolgreichen 22-Jährigen gibt es verschiedene Sichtweisen im Hinblick auf den gegenwärtigen Stand und die künftigen Aussichten. Und wie bei den meisten 22-Jährigen werden solche Fragen erst zu beantworten sein, wenn man weiß, was sie einmal erreichen werden.“ Zumindest habe sich die Inflation theoretisch und empirisch bewährt. Wichtiger noch: Sie motivierte viele Beobachtungen und Experimente – auch WMAP.

„Es ist eine großartige Zeit für einen Kosmologen“, freut sich Michael Turner. „Die Tür zur Präzisionskosmologie steht jetzt offen.“ Und sein Kollege Sean Carroll von der University of Chicago fügt hinzu: „Ein Pessimist könnte befürchten, dass die Kosmologen Opfer ihres eigenen Erfolgs werden. Denn unser provisorisches kosmologisches Modell passt sehr gut zu den Beobachtungen. Und man kann sich eine Zukunft vorstellen, in der die kosmischen Parameter immer genauer gemessen werden, ohne dass sich unser fundamentales Verständnis verbessert. Aber es erscheint mir viel wahrscheinlicher, dass die künftigen Messverfahren selbst Überraschungen mit sich bringen.“ So wie eine einzige Hautrille im Fingerabdruck einen ganzen Tatverdacht in Frage stellen kann, mag schon die nahe Zukunft wahrhaft kosmische Erkenntnisse bergen. Auch Joe Silk von der Oxford University, der schon vor Jahrzehnten Voraussagen zur Physik der Kosmischen Hintergrundstrahlung machte, die WMAP jetzt bestätigt hat, blickt enthusiastisch in die Zukunft: „Mit Winston Churchill denke ich: WMAP ist nicht der Anfang vom Ende, sondern das Ende des Anfangs.“

KOMPAKT

• Die Kosmische Hintergrundstrahlung ist ein Relikt aus der Zeit, als das Universum so weit abgekühlt war, dass es durchsichtig wurde – 380000 Jahre nach dem Urknall.

• Ihre winzigen Temperaturschwankungen geben Auskunft über grundlegende Eigenschaften des Universums – seine Geometrie, Ausdehnung, Zusammensetzung, Vergangenheit, Entwicklung und Zukunft.

• Die Daten der Raumsonde WMAP sind das wichtigste Fundament für das neue Standardmodell der Kosmologie.

Rüdiger Vaas

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