WMAP5 – Neues von den Eigenschaften des Universums

Gestern wurden als Vorabveröffentlichung auf dem von Astronomen weltweit, täglich beäugten Preprint-Server arXiv.org die aktuellen Resultate der Mission Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP, NASA) veröffentlicht. Es handelt sich um eine sehr erfolgreiche und viel beachtete Satellitenmission zur Vermessung der kosmischen Hintergrundstrahlung. Mittlerweile misst der Satellit die Temperaturverteilung von Mikrowellenstrahlung seit fünf Jahren, daher werden diese Ergebnisse kurz mit WMAP5 bezeichnet.

Was wird gemessen?
WMAP vermisst die Temperatur der elektromagnetischen Strahlung im Mikrowellenbereich. Hier strahlen zum einen vor allem Radioquellen und kühle Staubwolken in der Milchstraße; zum anderen messen die Astronomen damit ein Überbleibsel des Urknalls: die kosmische Hintergrundstrahlung, die aus allen Richtungen am Himmel kommt. Diese Strahlungsform entstand in einem heißen Urgas aus elektrischen geladenen Teilchen, und stammt aus einer Zeit, in der es weder Planeten, Sterne oder Galaxien, noch schwere Elemente gab – nämlich knapp 400.000 Jahre nach dem Urknall. Damals machte sich die heiße Strahlung auf den Weg durch den Kosmos und wurde durch dessen Expansion rotverschoben. Das sich ausdehnende Universum zieht die kurzen Wellenlängen zu langen Mikrowellen auseinander, die wir "vor der Haustür" beobachten – 13,7 Milliarden Jahre nach dem Urknall. Die Entdeckung der kosmischen Hintergrundstrahlung durch Penzias & Wilson 1965 (Nobelpreis 1978) stellt damit eine fulminante Entdeckung dar: sie beweist den Urknall. Es gibt in der Kosmologie unabhängig davon weitere Stützen des Urknallmodells.
Die kosmische Hintergrundstrahlung war also während ihrer Ausbreitung über Jahrmilliarden den Kräften des Kosmos ausgesetzt. So verwundert es nicht, dass diese Strahlungsform Informationen über das Universum als Ganzes enthält. Genau das misst WMAP. Allerdings ist das kein triviales Unterfangen, weil es zahlreiche Vordergrundquellen gibt: Sterne, Staub in der Milchstraße, Radioquellen, die Bewegung der Milchstraße uvm. Die Kunst des Beobachters besteht darin, diese störenden Einflüsse abzuziehen. Gelingt dies, so sieht man die berühmte Temperaturverteilung der Hintergrundstrahlung am ganzen Himmel. 1992 gelang mit der Mission Cosmic Background Explorer (COBE), dem Vorgänger von WMAP, ein ersten derartigen Schnappschuss. Mit Erstaunen stellten die Forscher fest, dass die Verteilung der kosmischen Hintergrundstrahlung über den Himmel nicht gleichmäßig in allen Richtungen ist. Physiker sagen: die Strahlung sei anisotrop (richtungsabhängig). Anders gesagt sieht man leichte Temperaturschwankungen. Sie sind extrem gering und liegen nur im Bereich von Mikrokelvin (Millionstel Grad); das messen zu können, ist eine gewaltige Herausforderung an die Messtechnik.

Warum die Anisotropien?
Die Interpretation dieses Phänomens ist höchst erstaunlich: die Temperaturschwankungen in der Hintergrundstrahlung sind auf die ersten Urgalaxien zurückzuführen! Als sie – etwa einige hundert Millionen Jahre nach dem Urknall – entstanden waren, wurde die "vorbeikommende" Hintergrundstrahlung daran gestreut und geringfügig in der Intensität oder Temperatur verändert. Dieses Muster bleibt mehr oder weniger erhalten, und die Astronomen beobachten es heute noch – viele Milliarden Jahre später.
Für die Entdeckung der Anisotropien mit COBE im Jahr 1992 erhielten John Mather und George Smoot 2006 den Nobelpreis für Physik.

Welches Modell des Universums wird angenommen?
Wir leben in Einsteins Kosmos, d.h. das Universum als Ganzes lässt sich bestens mit der Allgemeinen Relativitätstheorie als dynamische Raumzeit beschreiben, die expandiert. Die Fachleute nennen dies den Friedmann-Lemaitre-Robertson-Walker-Kosmos, benannt nach den Pionieren der theoretischen Kosmologie aus den 1920er Jahren. Im Prinzip wird der Kosmos als Flüssigkeit beschrieben, die sich aus unterschiedlichen Energieformen zusammensetzt: normale Materie, Dunkle Materie, Dunkle Energie und Strahlung. Mit WMAP kann man sehr präzise, die Anteile dieser Energieformen bestimmen. Daraus folgt auch die Krümmung des Universums. Weiterhin lässt sich die momentane Expansionsgeschwindigkeit des Kosmos bestimmen. Kosmologen nennen dies die Hubble-Konstante. 

Was kam bei den neuen Beobachtungen heraus?
Um eine höhere Messgenauigkeit zu erzielen, kombinierte das WMAP-Team seine Messung mit denjenigen unabhängiger Missionen, die diese Messgrößen auch liefern, nämlich mit Beobachtungen an Supernovae (Typ Ia) und der großräumigen Struktur der Galaxien.
And here are the results:

  • Die Dunkle Energie macht im lokalen Universum anteilig 72,1 Prozent aus.
  • Der Anteil der Dunklen Materie beträgt 23,3 Prozent.
  • Der Anteil der normalen (baryonischen) Materie beträgt nur 4,6 Prozent.
  • Strahlung macht im nahen Kosmos einen winzigen Anteil aus, nur 0,005 Prozent.
  • Die Hubble-Konstante beträgt 70,1 Kilometer pro Sekunde und pro Megaparsec.
  • Das Alter des Universums beträgt 13,73 Milliarden Jahre.
  • Das Universum ist (sehr wahrscheinlich) flach.

Wir leben in einem zu späten Entwicklungszeiten hin von Dunkler Energie dominierten Kosmos. Die favorisierte Form Dunkler Energie ist eine kosmologische Konstante (Lambda), die Einstein bereits 1917 erfand. Auch das bestätigt WMAP5, weil der so genannte w-Parameter nahe bei -1 bestimmt wurde. Zweite kosmische Hauptzutat ist die (kalte) Dunkle Materie (engl. cold dark matter, CDM). Daher sprechen die Experten von einem LambdaCDM-Modell.

Vergleich zu WMAP3 (2006)
Die Dunkle Energie hat zugunsten der Materie leichte Einbußen hinnehmen müssen (DE WMAP3: 74 Prozent). Die Hubble-Konstante ist ebenfalls kleiner geworden (H0 WMAP3: 73 Kilometer pro Sekunde und pro Megaparsec).

Wie geht's weiter?
Die Europäer bereiten den Start ihrer eigenen Mission vor, die noch genauer als WMAP die kosmische Hintergrundstrahlung vermessen soll. Das ist die PLANCK-Mission, die noch in diesem Jahr starten soll.

Andreas Müller

Veröffentlicht von

Die Astronomie ist faszinierend und schön – und wichtig. Diese interdisziplinäre Naturwissenschaft finde ich so spannend, dass ich sie zu meinem Beruf gemacht habe. Ich bin promovierter Astrophysiker und befasse mich in meiner Forschungsarbeit vor allem mit Schwarzen Löchern und Allgemeiner Relativitätstheorie. Aktuell bin ich der Scientific Manager im Exzellenzcluster Universe der Technischen Universität München. In dieser Tätigkeit im Forschungsmanagement koordiniere ich die interdisziplinäre, physikalische Forschung in einem Institut mit dem Ziel, Ursprung und Entwicklung des Universums als Ganzes zu verstehen. Besonders wichtig war mir schon immer eine Vermittlung der astronomischen Erkenntnisse an eine breite Öffentlichkeit. Es macht einfach Spaß, die Faszination am Sternenhimmel und an den vielen erstaunlichen Dinge, die da oben geschehen, zu teilen. Daher schreibe ich Artikel (print, online) und Bücher, halte öffentliche Vorträge, besuche Schulen und veranstalte Lehrerfortbildungen zur Astronomie, Kosmologie und Relativitätstheorie. Ich schätze es sehr, in meinem Blog "Einsteins Kosmos" in den KosmoLogs auf aktuelle Ereignisse reagieren oder auch einfach meine Meinung abgeben zu können. Andreas Müller

9 Kommentare Schreibe einen Kommentar

  1. Marco

    Welche Fehlerintervalle haben denn die o.g. Meßwerte ? Und um wieviel genauere Messungen darf man von der Planck-Mission erwarten ?

    P.S. Ihr Blog und Ihre sonstiges Internetangebot finde ich ganz hervorragend. Vielen Dank !

  2. Dunkle Energie

    Mir ist rätselhalft, wie Dunkle Energie als prozentueller Bestandteil des Universums aufscheinen kann. Es handelt sich ja um eine (eher rätselhafte) Kraft, die anscheinend die Expansion des Universums beschleunigt. Man müsste ja dann auch etwa die Gravitation als Bestandteil des Universums mit einbeziehen.

  3. @Marco – relative Fehler

    Die Angabe von Messfehlern ist immer wichtig – vielen Dank für diese Frage, Marco.
    Das WMAP-Team hat seine Messungen mit denjenigen anderer kombiniert, nämlich mit Supernovadaten und mit Beobachtungen anhand von Galaxienhaufen. Wie Sie im oben verlinkten WMAP5-Paper (schon im abstract) nachlesen bzw. nachrechnen können, liegen die relativen Fehler zwischen 2 und 3 Prozent. Das sind einerseits sehr präzise Messungen, andererseits bleibt durch diesen Fehlerbalken immer ein gewisser Spielraum für andere Modelle, als das allgemein favorisierte Standardmodell der Kosmologie (das so genannte Konkordanzmodell). Alternative Modelle könnten z.B. nicht flache Universen sein oder solche mit einer anderen Topologie (derjenigen eines Horns oder eine Dodekaeders) etc.
    Über den zu erwarteten Fehlerbalken von PLANCK vermag ich keine sichere Prognose zu machen – vielleicht ein relativer Fehler von einem Prozent? Dazu werden wir die Hintergrundstrahlungsmessungen abwarten müssen und auch diejenigen, mit denen sie kombiniert werden.

    Danke für die netten Schlussworte! 😉

    Beste Grüße,
    Andreas

  4. @ Dr. Klimesch – prozentuale Anteile

    Die prozentualen Angaben beziehen sich auf die so genannten Energiedichten („Omegas“) – sie haben keine Dimension, d.h. Einheit. In der theoretischen Kosmologie folgen diese Parameter aus einer Umformung der Friedmann-Gleichungen. Diese zwei Gleichungen beschreiben Einsteins Dynamischen Kosmos. Je nachdem, welche Anteile die Energiedichten für baryonische Materie, Dunkle Materie und Dunkle Energie haben, entwickelt das Universum eine andere Dynamik. So könnte es durch ein Zuviel an Materie wieder kollabieren oder sich durch ein Zuviel an Dunkler Energie ewig und sogar beschleunigt ausdehnen. – Letzteres scheint aufgrund der Messdaten für unser Universum zu gelten.
    Bitte berücksichtigen Sie auch, dass diese Anteile von der Zeit bzw. von der Rotverschiebung abhängen. Die Angaben im Blog-Post beziehen sich auf unsere gegenwärtige Epoche bei einer Rotverschiebung von z = 0. Anschaulich besagen die 72 Prozent der Dunklen Energie, dass wir in einer von der Dunklen Energie dominierten Entwicklungsphase des Kosmos leben.

    Sie haben vollkommen Recht, dass die Wissenschaftler nicht verstehen, was sich physikalisch hinter der Dunklen Energie verbirgt. Es ist eine rätselhafte, neue Kraft, die uns vielleicht darauf hinweist, dass das Universum mit mehr beschrieben werden muss, als mit Einsteins Relativitätstheorie. Bemühen wir Einstein, so handeln wir uns eine rätselhafte kosmologische Konstante ein, die wir physikalisch nicht verstehen.

    Derzeit laufen weltweit große Anstrengungen, um dieses Rätsel zu lösen. In der Theorie werden unzählige Modelle und neue Theorien entwickelt; geplante Experimente mit neuen Messdaten sind neben PLANCK noch eRosita (am MPE Garching) und der Dark Universe Explorer (DUNE) der ESA uvm.

    Beste Grüße,
    Andreas Müller

  5. Warum die Anisotropien?

    können wir daraus schließen, dass die Inflation ein „glattes“ Universum hinterlassen hat – von „aufgeblähten Quantenfluktuationen“ also keine Rede mehr?

  6. Ihre Frage zum Labyrinth

    Lieber andreas Müller:
    Ich wähle diesen orthodoxen Weg, weil ich über Ihren Kommentar zu meinem Beitrag nicht zu Ihnen durchkomme (auf diese Weise lerne ich endlich mal Ihre Kolumne kennen – für einen Astro-Freak seit der frühen Kindheit höchste Zeit). Ihre Frage war:
    „Ich kenne den Ariadnefaden von dem Minotaurus-Labyrinth, das Dädalus für König Minos auf Kreta erbaute, um das Ungeheuer Minotaurus zu beherbergen. Worin bestand der Sinn dieses (sicher im oben dargestellten Sinne kretischen) Labyrinths, wenn das Ungeheuer doch so leicht daraus entkommen konnte?“
    JvS: Da geht in der Überlieferung einiges durcheinander. Die Idee war wohl,
    dass man den Minotauros in ein verwinkeltes Gebäude sperrte (das Daidalos erbaute), aus dem er nicht herauskonnte. Ansonsten sind ja Labyrinthe immer nach oben offene Strukturen, waren wohl nie anderes als (als Mosaik ausgelegte?) Choreographien für spezielle Tänze.
    Das finden Sie im Detail alles auf meiner website unter LABYRINTHIADE : http://www.hyperwriting.de/loader.php?pid=132 = LABYRINTHIADE
    Astronomisch interessant ist an der Labyrinth-Geschichte übrigens, dass die Griechen Ariadne als Sterbild an den Himmel versetzte: als „corona“ oder „Diadem“.
    Mit besten Grüßen Ihr J. vom Scheidt

  7. Off-topic…

    …aber wird Dich wahrscheinlich Interessieren: Dr. Thoma hat jetzt tatsächlich einen schönen Gastbeitrag für mich geschrieben, der nach Ostern in „Abgefischt“ auftauchen wird.

  8. Astronomie-Blogs und ein Blog-Karneval

    Hallo!

    Ich würde gerne eine deutsche Version des Carnival of Space organisieren. Dadurch könnten wir die Vernetzung der einzelnen deutschsprachigen Astronomie/Raumfahrt-Blogs steigern und uns auch ein bisschen besser kennenlernen (und auch unseren jeweiligen Lesern die anderen Blogs vorstellen). Details dazu findet ihr in diesem Beitrag in meinem Blog. Ich würde mich sehr freuen, wenn wir gemeinsam so eine Veranstaltunge auf die Beine stellen könnten.

    MfG Florian

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