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Astronomie+Physik

Rätsel der Anomalien bleibt

Hintergrundstrahlung
Planck-Temperaturkarte der kosmischen Hintergrundstrahlung mit einigen hervorgehobenen Anomalien. (Bild: ESA/ Planck Collaboration)

Die kosmische Hintergrundstrahlung ist ein Relikt aus der Zeit kurz nach dem Urknall und liefert daher wertvolle Informationen über Entwicklung und Beschaffenheit des Universums. Doch einige ihrer Merkmale geben Astronomen Rätsel auf, denn sie passen nicht zu den Modellen. Sind diese Anomalien möglicherweise Hinweise auf eine neue Physik jenseits des Standardmodells? Jetzt haben Forscher auf Basis der Daten des Planck-Satelliten der ESA diese Anomalien noch einmal überprüft. Demnach treten einige dieser Anomalien in den Polarisationskarten der Hintergrundstrahlung nicht mehr auf – was eher gegen eine neue Physik spricht, so die Wissenschaftler.

Sie erfüllt das gesamte Universum, ist aber für unsere Augen unsichtbar: die kosmische Hintergrundstrahlung. Wie eine Tapete kleidet dieses Mikrowellenrauschen den gesamten Himmel aus. Diese Strahlung entstand, als sich rund 380.000 Jahre nach dem Urknall Atomkerne mit Elektronen zu den ersten Atomen zusammenfanden. Während zuvor die Strahlung an den frei umherfliegenden Elektronen gestreut wurde, konnte sich die elektromagnetische Strahlung danach nahezu ungehindert im Raum bewegen – das Universum wurde erstmals transparent. Im Laufe der gut 13 Milliarden Jahre, die seither vergangen sind, hat die Ausdehnung des Kosmos diese zuvor kurzwellige und energiereiche Strahlung stark gedehnt. Sie manifestiert sich daher nun im Mikrowellenbereich als schwaches „Grundrauschen“.

Kalter Fleck und Asymmetrien

Den kosmologischen Modellen zufolge müsste die kosmische Hintergrundstrahlung in großem Maßstab betrachtet gleichmäßig über den Himmel verteilt sein. Das bunte Fleckenmuster winziger Temperaturabweichungen sieht in allen Regionen des Himmels nahezu gleich aus – es ist weitgehend isotrop, wie auch die Messungen des Planck-Satelliten der ESA im Jahr 2013 bestätigten. Doch die Karte des Satelliten enthüllte auch auffallende Anomalien im Mikrowellen-Himmel. Unter anderem scheint der Mikrowellen-Hintergrund in großen Skalen betrachtet in der südlichen Himmelshemisphäre im Schnitt etwas wärmer zu sein als im Norden. Außerdem gibt es dort einen rätselhaften kalten Fleck in der Hintergrundstrahlung – eine riesige Zone ungewöhnlich kühler Temperaturen. „Die Existenz dieser Anomalien ist unbestritten, aber angesichts der schwachen Signifikanz, mit der sie vom kosmologischen Standardmodell abweichen, bleibt unklar, inwieweit sie eine Verletzung der Isotropie darstellen“, konstatieren die Forscher der Planck-Kollaboration.

Theoretisch könnte es sich bei diesen Phänomenen um bloß statistische Ausreißer handeln. „Wenn aber eines von ihnen einen physikalischen Ursprung hat, dann wäre das enorm wichtig“, so die Physiker. Denn dann könnten diese Anomalien ein Indiz für eine sogenannte neue Physik sein – physikalische Prozesse, die mit dem Standardmodell nicht erklärbar sind. Um diese Frage zu klären, haben die Planck-Forscher nun einen bestimmten, zuvor noch nicht ausgewerteten Aspekt der Messungen untersucht – die sogenannten E-Modi der Polarisation. Diese Signale beruhen auf der Schwingungsrichtung der primordialen Strahlung und gehen auf Kollisionen der Photonen mit Elektronen unmittelbar vor dem Freiwerden der Hintergrundstrahlung zurück.

Anomalien in der Polarisation nicht sichtbar

Es zeigte sich: „Die Polarisationsdaten der Planckmessungen sind fantastisch, aber trotz der großartigen Daten sehen wir keine signifikanten Spuren der Anomalien“, berichtet Planck-Projektforscher Jan Tauber von der ESA. Der rätselhafte kalte Fleck der Temperaturkarte taucht in den Polarisationsdaten nicht auf –diese Region unterscheidet sich damit in ihrer Polarisation nicht vom Rest des Kosmos. Auch die Temperaturunterschiede der beiden Himmelshalbkugeln konnten die Forscher in ihrer Auswertung nicht bestätigen. „In den Polarisationskarten haben wir aber einige schwache Hinweise auf eine mögliche Asymmetrie im Leistungsspektrum gefunden, die der der Temperaturkarten ähnelt“, erklärt Enrique Martínez González vom Institut für Physik in Santander. Diese Abweichungen waren aber zu schwach, um daraus klare Schlussfolgerungen zu ziehen.

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Damit scheint klar, dass die meisten Anomalien in der kosmischen Hintergrundstrahlung sich zwar in der Temperatur, aber nicht in der Polarisation der Strahlung manifestieren. Das macht es ein wenig wahrscheinlicher, dass es sich um statistische Ausreißer handeln könnte, schließt allerdings eine neue Physik noch nicht aus, wie die Planck-Forscher erklären. Denn rein theoretisch wäre es durchaus möglich, dass es ein noch unbekanntes Phänomen oder einen Prozess gibt, der nur die Temperatur des Mikrowellen-Hintergrunds beeinflusste, nicht aber die Schwingungsrichtung der Strahlung. Vorerst müssen die Kosmologen und Astrophysiker daher weiter darüber rätseln, ob sich im Kosmos eine „neue Physik“ versteckt oder nicht.

Quelle: Planck Collaboration, Astronomy & Astrophysics, doi: 10.1051/0004-6361/201935201

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