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

SuW
einem negativ gekrümmten Raum voneinander
weg gekrümmt. Dementsprechend
erscheint dieselbe physikalische
Länge, zum Beispiel der Schallhorizont,
in einem positiv gekrümmten Raum unter
einem größeren, in einem negativ gekrümmten
Raum unter einem kleineren
Winkel (Abb. 6). Die Winkelgröße des
Schallhorizonts kann aus den Temperaturschwankungen
des CMB abgelesen
werden, und seine physikalische Größe
ist bekannt. Aus dem Vergleich beider
folgt, dass unser Universum mit hoher
Genauigkeit gerade nicht gekrümmt, sondern
räumlich flach ist.
Das allein ist in mindestens zweierlei
Hinsicht ein bemerkenswertes Ergebnis.
Zum einen ist räumliche Flachheit eine instabile
Eigenschaft eines Friedmann-Modells.
Nur solche Modelle, die von Anfang
an räumlich flach waren, bleiben es auch.
Jede anfängliche Krümmung verstärkt
sich im Lauf der kosmischen Entwicknegativ
gekrümmt
flach
positiv
gekrümmt
ser Schallhorizont waren, konnten also
nicht akustisch schwingen.
Auf noch kleineren Skalen setzt ein
Effekt ein, der daher kommt, dass ausreichend
kleine Strukturen Photonen nicht
400 000 Jahre lang einschließen können.
Wenn die Strecke, die ein durchschnittliches
Photon vor seiner Freisetzung zurücklegen
konnte (seine mittlere freie
Weglänge), größer war als die Struktur,
in der es sich aufhielt, konnte es sie einfach
verlassen und damit dazu beitragen,
die Struktur zu verwischen. Dieser Diffusionsprozess
der Photonen heißt Silk-
Dämpfung und sorgte dafür, dass Strukturen
umso stärker unterdrückt wurden, je
kleiner sie waren.
Entscheidend für die Kosmologie ist,
dass diese drei Effekte empfindlich von
den kosmologischen Parametern abhängen,
insbesondere von den Dichteparametern
der Dunklen und der baryonischen
Materie sowie der kosmischen
Expansionsrate zur Zeit der Entstehung
des CMB, die durch die Hubble-Konstante
parametrisiert wird. Weiterhin sorgen die
drei genannten Effekte für charakteristische
Muster in der Intensität beziehungsweise
der Temperatur des CMB und können
daher durch deren statistische Analyse
bestimmt werden. Ohne Details zu
beschreiben, sind vielleicht zwei Beispiele
hierfür nachvollziehbar.
Die akustischen Schwingungen werden
durch das Wechselspiel von Gravitation
und Druck getrieben. Die Schwerkraft,
mithin die Gesamtdichte der Dichteschwankungen,
sorgt für Kontraktion,
der Druck, bestimmt durch die Dichte
des Gases, durch dessen Temperatur
und durch die Photonendichte, verursacht
die Expansion. Die Ausprägung dieser
Schwingungen, insbesondere deren
Amplitude, ist durch das Verhältnis der
Dichten der baryonischen zur Dunklen
Materie gegeben.
Besonders eindrücklich ist das folgende
zweite Beispiel. Oben wurde schon
erwähnt, dass akustische Schwingungen
nur auf solchen Skalen auftreten können,
die kleiner als der Schallhorizont sind. Diese
physikalische Länge kennen wir aus
der Theorie. Am Himmel können wir
feststellen, wie groß die dazugehörige
Winkelgröße ist. Unter welchem Winkel
eine bestimmte physikalische Länge erscheint,
ist eine Frage der Raumgeometrie
beziehungsweise der Raumkrümmung:
Während sich in dem uns vertrauten euklidischen
Raum zwei Lichtstrahlen aus
einer Quelle geradlinig ausbreiten und
dabei ihren Abstand zueinander linear
vergrößern, werden sie in einem positiv
gekrümmten Raum aufeinander zu, in
Abb. 6: Der Winkel, unter dem
uns eine gegebene Länge in einer
gegebenen Entfernung erscheint,
hängt von der Art der
Raumkrümmung ab.
Nasa/Wmap
Sterne und Weltraum September 2007
39