Das Standardmodell der Kosmologie, Teil 2 - Institut für ...

Einen eleganten Ausweg schlug Jim
Peebles (Abb. 2) vor. Er argumentierte,
dass die Schwankungen im Millikelvin-
Bereich nur dann zu erwarten wären,
wenn alle Materie im Universum elektromagnetisch
wechselwirken könnte.
Sollte die Dunkle Materie, aus der die
kosmischen Strukturen überwiegend bestehen,
aber gar nicht mit Licht in Wechselwirkung
treten können, so würden die
Temperaturschwankungen im CMB etwa
um das Hundertfache geringer ausfallen
und im Bereich von einigen zehn Mikrokelvin
liegen. Es war ein Triumph dieser
Überlegung, als schließlich der Satellit
Cobe genau solche Schwankungen im
CMB fand (Abb. 3). Damit wurde die Tatsache,
dass Temperaturschwankungen
im CMB nicht im Bereich von Millikelvin,
sondern im Bereich von etwa zehn Mikrokelvin
liegen, zum kräftigsten Argument
für die Annahme, dass die Dunkle
Materie aus Elementarteilchen bestehe,
die nicht elektromagnetisch wechselwirken
können.
Die Bestätigung der Temperaturschwankungen
im CMB war eine von
zwei bahnbrechenden Leistungen, die
mit dem Cobe-Satelliten gelangen und
die mit dem Nobelpreis für das Jahr 2006
ausgezeichnet wurden. Die andere war
die genaue Vermessung des Spektrums
des CMB und die Bestätigung, dass es
sich in der Tat um das erwartete Planck-
Spektrum handelt (Abb. 4). Tatsächlich ist
das Spektrum, das der Cobe-Satellit vom
CMB aufnahm, das bisher genaueste experimentell
bestätigte Planck-Spektrum,
einschließlich aller Labormessungen.
Die daraus abgeleitete Temperatur von
2.728 Kelvin bestätigte Gamows Abschätzung
aus den 1940er Jahren auf eindrucksvolle
Weise.
Eine interessante Frage schließt sich
hier unmittelbar an. Vorhin wurde erwähnt,
dass der CMB nicht instantan freigesetzt
wurde, sondern im Verlauf von
etwa 40 000 Jahren. Währenddessen fiel
die Temperatur um etwa 200 Kelvin ab.
Manche der CMB-Photonen, die wir heute
beobachten, sollten also etwas früher
ein etwas heißeres, manche etwas verspätet
ein etwas kühleres Plasma verlassen
haben. Wir sollten also gerade nicht
ein Planck-Spektrum zu einer einzigen,
scharf definierten Temperatur sehen,
sondern eine Mischung von Planck-Spektren
aus einem Temperaturbereich von
etwa 200 Kelvin. Wie kann es sein, dass
wir trotzdem ein Planck-Spektrum zu einer
Temperatur beobachten?
Die Antwort liefert einen weiteren indirekten
Hinweis auf die Gültigkeit der
Friedmann-Kosmologie. Ein verfrühtes
CMB-Photon hatte eine etwas längere Reise
vor sich als ein verspätetes. Zwischen
der Aussendung des verfrühten Photons
und heute dehnte sich das Universum
daher etwas mehr aus und kühlte damit
das verfrühte Photon etwas stärker ab.
Im Rahmen der Friedmann-Kosmologie
ist diese etwas stärkere Abkühlung gerade
so groß, dass sie die etwas höhere Anfangstemperatur
des Photons exakt ausgleicht.
Erst diese nachträgliche, leicht
unterschiedliche Abkühlung reduziert die
eigentlich erwartete Mischung aus Planck-
Spektren zurück auf ein einziges. Die Tatsache,
dass Cobe mit höchster Genauigkeit
ein Planck-Spektrum fand, beweist
also neben dem thermischen Ursprung
des CMB auch, dass die Temperatur im
Lauf der Entwicklung des Universums gerade
in der Weise abgefallen ist, wie ein
Friedmann-Modell es erwarten lässt.
Strukturen im CMB
Für die Strukturen im CMB (Abb. 5) sind
drei physikalische Effekte verantwortlich.
Zu den bereits angelegten Dichteschwankungen
gehören Schwankungen
des Gravitationspotentials. Wo die Dichte
etwas erhöht war, war das Potential
geringer, und umgekehrt. Photonen, die
aus Potentialsenken herauslaufen mussten,
als der CMB freigesetzt wurde, verloren
einen kleinen Teil ihrer Energie, und
ebenso gewannen solche Photonen Energie,
die von Potentialhügeln loslaufen
konnten. Dieser Effekt, der allein dadurch
bedingt ist, dass die CMB-Photonen in einer
leicht hügeligen Potentiallandschaft
freigesetzt wurden, heißt Sachs-Wolfe-Effekt
und spielt auf den größten Skalen die
wesentliche Rolle.
Auf kleineren Skalen setzen Schwingungen
ein. Sie werden dadurch verursacht,
dass Überdichten aus Dunkler
Materie aufgrund ihrer Schwerkraft
das Gemisch aus Photonen und Gas zu
komprimieren beginnen, sodass dessen
Druck steigt und der Kompression
entgegen wirkt. Das ist derselbe Mechanismus,
der es Schallwellen ermöglicht,
sich durch die Luft auszubreiten, weshalb
man von akustischen Schwingungen spricht.
Sie breiten sich mit einer Schallgeschwindigkeit
aus, die knapp sechzig Prozent der
Lichtgeschwindigkeit beträgt und kamen
daher in den etwa 400 000 Jahren zwischen
dem Urknall und der Freisetzung
des CMB höchstens etwa 230 000 Lichtjahre
weit. Strukturen, die größer als die-
Intensität [MJy/steradian]
400
300
200
100
2
Wellenlänge [mm]
1
0.67
0
0 150
300 450
600
Frequenz [GHz]
0.5
Nasa/Cobe
Abb. 4: Das vom Firas-Instrument
an Bord des Cobe-Satelliten aufgenommene
Spektrum des kosmischen
Mikrowellenhintergrunds
ist das beste jemals gemessene
Planck-Spektrum. Die Fehlerbalken
der einzelnen Messpunkte
entsprechen 400 Standardabweichungen!
Abb. 5: Der Wmap-Satellit hat inzwischen
eine sehr viel detailliertere
Karte der Temperaturschwankungen
im CMB aufgenommen.
Anhand der charakteristischen
Skalen der sichtbaren Strukturen
können viele kosmologische
Parameter genau bestimmt werden.
38 Sterne und Weltraum September 2007