BICEP2 und kosmische Inflation: Es sieht nicht gut aus

Über die BICEP2-Resultate, die im Frühjahr dieses Jahres herauskamen, hatte ich an dieser Stelle ausführlich berichtet (erstes Ergebnis, erste Kritik, eine Expertenmeinung, weitere Kritik, hat BICEP2 zu früh veröffentlicht, BiCEP2-Fachartikel erschienen).  Was da als Ergebnis von Messungen an der kosmischen Hintergrundstrahlung (dem „elektromagnetischen Nachhall des Urknalls“) präsentiert wurde, war ja auch durchaus spannend: ein direkter Nachweis von Eigenschaften der Hintergrundstrahlung, die auf die Verhältnisse Sekundenbruchteile nach dem Urknall schließen ließen. Eine weitere Bestätigung für die noch lange nicht gut verstandene Inflationsphase beschleunigter Ausdehnung im frühen Universum. Und der Nachweis wellenartiger Verzerrungen im frühen Kosmos, nämlich von urtümlichen Gravitationswellen.

In die zu weiten Teilen durchaus enthusiastischen Kommentare zu diesem Ergebnis haben sich damals aber auch recht bald kritische Stimmen gemischt. (Dass man die Rezeption unter den Wissenschaftlern dank der Online-Medien fast live mitverfolgen konnte, von Diskussionen auf Facebook bis zu Blogbeiträgen und ins Netz gestellten Vortragsfolien, war für mich einer der anregendsten Aspekte der ganzen Angelegenheit.)

Als Knackpunkt kristallisierte sich bald die Unterscheidung von Vordergrund und Hintergrund heraus. Die kosmische Hintergrundstrahlung erreicht uns von soweit her, wie nur überhaupt irgendetwas uns erreichen kann, nämlich vom Rand des beobachtbaren Universums. Bis sie zu uns gelangt ist, hat sie dementsprechend weite Teile des Weltalls durchquert. Nun ist das Weltall zum Glück weitgehend leer (andernfalls wäre es für uns auch ungleich schwieriger, überhaupt Kosmologie zu betreiben und das Weltall im Großen zu modellieren). Aber sozusagen auf der Zielgeraden wird es für uns, die wir der Strahlung Informationen über das frühe Universum entlocken wollen, kritisch: Dann nämlich, wenn die Strahlung in unsere Heimatgalaxie eintaucht, die Milchstraße.

Kritisch wird es nicht, weil sich der Strahlung dort etwas in den Weg stellen würde, sondern vor allem, weil die Strahlung Konkurrenz bekommt. Unsere Milchstraße besteht ja nicht nur aus den rund 200 Milliarden Sternen, von denen wir einige Tausend am dunklen Nachthimmel sehen können, sondern darin treiben außerdem noch diffuse Gas- und Staubwolken herum. Und dieser Staub kann Strahlung mit ähnlichen Eigenschaften aussenden wie Teile der kosmischen Hintergrundstrahlung – auch jene Eigenschaft, Polarisation, auf der die BICEP2-Aussagen zu Inflation, Gravitationswellen und Co. beruhen. Diesen Vordergrund und die Hintergrundstrahlung muss man erst einmal auseinanderhalten können.

Damit stellte sich die kritische Frage: Handelt es sich bei dem, was BICEP2 da gemessen hat, tatsächlich vornehmlich um Strahlung aus der Frühzeit unseres Universums, oder haben sich da Anteile von Staubstrahlung beigemischt? Wurde der Staub-Vordergrund richtig berücksichtigt, oder sind die BICEP2-Resultate ein Irrtum – eine unsinnige Interpretation eines ganz anderen Signals, nämlich dem galaktischen Staubs?

Zu diesem Thema gab es lange, aber mit den damaligen Daten nicht entscheidbare Diskussionen (ich hatte dazu zuletzt hier dazu gebloggt). Schon zu jenem Zeitpunkt war aber klar, welche Messungen die Frage wohl entscheiden würden: die Beobachtungen des ESA-Satelliten Planck nämlich, der die kosmische Hintergrundstrahlung, aber auch die verschiedenen galaktischen Effekte seit 2009 mit hoher Genauigkeit vermisst.

Planck ist BICEP2 nicht in jeder Hinsicht überlegen. Bei den Messungen geht es jeweils darum zu messen, wie die Eigenschaften der kosmischen Hintergrundstrahlung je nach Beobachtungsrichtung ein winziges bisschen variieren. Bildlich lässt sich die Variation auf Himmelskarten wie der folgenden darstellen, die aus einer früheren Veröffentlichung von Planck stammt (Bild: ESA und die Planck Collaboration):

Planck_CMB

Rot steht dabei, vereinfacht gesagt, für Bereiche, aus denen uns ein bisschen mehr Strahlungsenergie erreicht, blau für etwas energieärmere Bereiche (genauer ist die Hintergrundstrahlung eine Wärmestrahlung; rot entspricht einer Temperatur einige hunderttausendstel Grad [Celsius- bzw. Kelvinskala] über dem Durchschnitt, blau einige hunderttausendstel darunter).

Das Muster kombiniert kleinere Flecken, größere Flecken und Temperaturtrends, die sich über weite Teile des Himmels hinziehen. Eine Stärke von Planck ist, dass der Satellit die Eigenschaftsschwankungen der Hintergrundstrahlung auf all diesen verschiedenen Größenskalen kartieren kann. Eine Stärke von BICEP2 ist, dass das Teleskop die Schwankungen auf Skalen um ein Winkelgrad herum, anders ausgedrückt: die Eigenschaften von recht kleinen Flecken, sehr genau vermisst; nicht über den ganzen Himmel verteilt, sondern in einer kleineren, sorgfältig ausgewählten Himmelsregion. In seinem „Spezialgebiet“, bei den kleineren Fleckengrößen, misst BICEP2 sogar noch genauer als Planck.

Eine weitere Stärke von Planck, die für den vorliegenden Fall besonders wichtig ist, ist, dass Planck bei unterschiedlichen Frequenzen messen kann. In einer Hinsicht unterscheiden sich die Vorhersagen für die polarisierte kosmische Hintergrundstrahlung und die Staubstrahlung nämlich doch: Bei der kosmischen Hintergrundstrahlung sollte der Effekt bei allen Frequenzen gleichermaßen nachweisbar sein, während die Eigenschaften der Staubstrahlung sich je nach Frequenz ändern.

Mit den Staub-Polarisationskarten von Planck, so die Erwartung, würde sich daher klären, worum es sich beim BICEP2-Signal handelt.

Heute war es dann soweit: Unter dem Titel „Planck intermediate results. XXX. The angular power spectrum of polarized dust emission at intermediate and high Galactic latitudes“ hat das Planck-Team die lange erwarteten Staub-Ergebnisse ins Online-Vorabdruck-Archiv arXiv gestellt.

Kurz gesagt: Es sieht erst einmal nicht gut aus für die ursprünglichen BICEP2-Resultate.

Hier sind erst einmal die Planck-Karten zur „Staubverschmutzung“, also den Staubstrahlungs-Beiträgen zu derjenigen Eigenschaft der empfangenen Strahlung, an der die Schlüsse zu Inflation und Gravitationswellen hängen (Quelle für die Bilder im Rest meines Beitrags ist der oben verlinkte Online-Artikel):

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Im Gegensatz zur vorigen Karte ist dabei nicht, weltkartenartig, der gesamte Himmel in die Ebene übertragen worden, sondern Nordhalbkugel (links) und Südhalbkugel (rechts) sind getrennt dargestellt. Die Projektion ist ungefähr so, als würde man direkt von unten in die entsprechenden Halbkugeln hineinschauen. Von blau über hellblau, grün, gelb, orange, rot wird der Staubeinfluss immer stärker.

Bei der Südhalbkugel ist derjenige Bereich eingezeichnet, den BICEP2 vermessen hat. Wie in der Karte zu sehen ist, ist die betreffende Region nicht die allerbeste, wenn man Staubeinflüsse vermeiden will. Was die Hauptfrage angeht, ist die bunte Karte nicht sehr aussagekräftig. Da muss man sich stattdessen ansehen, wie die Staubstrahlung auf unterschiedlichen Größenskalen aussieht, sprich: welche Beiträge zu kleinen Schwankungsflecken, größeren Flecken und weiträumigen Trends sie liefert.

Für die interessante Eigenschaft, die „B-Moden der Polarisation“ hat Planck dabei keine besonders detailreiche Kurve liefern können (auch die Karte selbst zeigt diesbezüglich ja deutlich weniger Details als die Temperaturkarte, die ich oben gezeigt habe). Aber zumindest eine Abschätzung des Staub-Beitrags liefern die neuen Messungen, und die sind hier als hellblaue Rechtecke dargestellt:

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Die schwarze Kurve ist das von BICEP2 behauptete Resultat – nicht die einzelnen Datenpunkte, sondern die Kurve für die Größenskalenabhängigkeit, welche das BICEP2-Team erschlossen zu haben meinte: der Verlauf der Größenskalenabhängigkeit in einem Kosmos, indem während der Inflationsphase reichlich (r=0,2) Gravitationswellen entstanden sind.

Das ist für BICEP2 durchaus ungünstig. Dass die schwarze Kurve nicht über die hellblauen Bereiche herausragt, deutet darauf hin, dass man die frühen Gravitationswellen nicht braucht, um ein Polarisationssignal von der Größe der von BICEP2 veröffentlichten Beobachtungen zu erklären; der Beitrag von Staub ist in den betreffenden Bereichen genau so stark wie das, was tatsächlich beobachtet wurde.

Die Staubkarten von Planck beruhen auf Messungen bei einer Frequenz von 353 GHz, zum Vergleich bis hinunter auf die BiCEP2-Frequenz von 150 GHz extrapoliert. Zur Kontrolle hat Planck außerdem noch seine Stärke ausgespielt, die Hintergrundstrahlung bei unterschiedlichen Frequenzen beobachten zu können, denn wie gesagt: Auch daran, wie sich das beobachtete Signal mit der Frequenz ändert (oder eben nicht) lassen sich kosmische Hintergrundstrahlung und Staubstrahlung auseinanderhalten.

Hier ist die Frequenzabhängigkeit des Signals, das Planck gemessen hat:

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Die acht roten Punkte sind die Ergebnisse der Planck-Messungen (genauer: einer bestimmten Art von Zusammenfassung von Messungen bei je zwei Frequenzen). Die gestrichelte Kurve (mit grauem Mantel) ist die Frequenzabhängigkeit, wie sie ein bestimmtes Modell für den galaktischen Staub vorhersagt. Wie’s aussieht, passen die Messdaten gut zum Modell – weiteres Indiz dafür, dass die von Planck gemessenen Strahlungseigenschaften auf Staub zurückgehen.

Sind die BICEP2-Resultate damit komplett widerlegt? Diese Aussage wäre dann auch zu vorschnell. Nach wie vor kann es sein, dass bei genauerem Hinsehen etwas von dem von BICEP2 behaupteten Effekt übrigbleibt. Die neuen Planck-Messungen zeigen zwar, dass Staubeffekte die nötige Stärke besitzen, um eine Messung in der Größenordnung wie bei BICEP2 zu erklären. Aber die BICEP2-Kurven enthielten ja noch deutlich mehr Detailinformation als die Planck-Daten, was die Größenskalenabhängigkeit des Polarisationssignals angeht. Möglich, dass in diesen Detailinformationen noch ein Rest von inflationserzeugten, urtümlichen Gravitationswellen nachweisbar ist.

Möglich ist andererseits, dass sich die Planck-Aussagen noch etwas ändern. Wie kurz erwähnt: Die Planck-Vergleiche extrapolieren die jetzt veröffentlichten Messungen bei 353 GHz zur BICEP2-Frequenz von 150 GHz. Dabei gehen Modelle für die Abstrahlung von Staub ein, in denen natürlich auch einige Unsicherheiten stecken.

Auch wenn der anfängliche Enthusiasmus einen großen Dämpfer erhalten hat und man vermutlich gut daran tut, keine größeren Geldbeträge auf die hier aufgezeigten Auswege zu verwetten: Die nächste Runde der BICEP2-Diskussion ist bereits in Vorbereitung: Zum einen in Form einer genaueren gemeinsamen Auswertung der Planck- und BICEP2-Daten, die in dem Planck-Artikel erwähnt wird – auch Planck liefert ja nicht nur Staubdaten, sondern die Planck-Beobachtungen sollten auch Informationen über etwaige inflationserzeugte Gravitationswellen enthalten. Entsprechende Veröffentlichungen dürften in den nächsten Monaten erscheinen.

Zum anderen misst BICEP seinerseits in verbesserter Konfiguration weiter, eine Reihe weiterer Projekte tun dies auch, und zwar wiederum bei mehr als einer Frequenz (und damit mit der Möglichkeit, Staub- und kosmische Strahlung zu unterscheiden) – und mit höherer Größenskalen-Detailgenauigkeit als die neuen Planck-Messungen. Nicht zuletzt zeigt die Planck-Karte ja südlich des BICEP2-Messgebiets noch einen Bereich (in der oben gezeigten Staubkarte deutlich blau), in dem ungestörtere Messungen möglich sind als in der BICEP2-Region; diese Region dürfte für zukünftige Messungen entsprechend interessant sein.

Etwas sollten wir daher noch abwarten, bis wir BICEP2 unter „sorry, außer Staub nichts los“ abheften. Bis dahin gibt es mit den Planck-Resultaten aber einen gewichtigen Grund, sich nicht zu große Hoffnungen zu machen.

Andere Beiträge zum Thema:

 

Markus Pössel hatte bereits während des Physikstudiums an der Universität Hamburg gemerkt: Die Herausforderung, physikalische Themen so aufzuarbeiten und darzustellen, dass sie auch für Nichtphysiker verständlich werden, war für ihn mindestens ebenso interessant wie die eigentliche Forschungsarbeit. Nach seiner Promotion am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut) in Potsdam blieb er dem Institut als "Outreach scientist" erhalten, war während des Einsteinjahres 2005 an verschiedenen Ausstellungsprojekten beteiligt und schuf das Webportal Einstein Online. Ende 2007 wechselte er für ein Jahr zum World Science Festival in New York. Seit Anfang 2009 ist er wissenschaftlicher Mitarbeiter am Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg, wo er das Haus der Astronomie leitet, ein Zentrum für astronomische Öffentlichkeits- und Bildungsarbeit. Pössel bloggt, ist Autor/Koautor mehrerer Bücher, und schreibt regelmäßig für die Zeitschrift Sterne und Weltraum.

2 Kommentare Schreibe einen Kommentar

    • In der Tat, die Information hätte ich noch hervorheben sollen – es ist ein Vorabdruck, und von „accepted“ steht bei dem betreffenden arXiv-Eintrag nichts.