Die detaillierteste Karte des kosmischen Mikrowellenhintergrunds - die Reliktstrahlung des Urknalls - wurde heute veröffentlicht und enthüllt die Existenz von Merkmalen, die die Grundlagen unseres gegenwärtigen Verständnisses des Universums in Frage stellen.
Das Bild basiert auf den ersten 15,5 Monaten von Planck-Daten und ist das erste All-Sky-Bild des ältesten Lichts in unserem Universum, das am Himmel aufgenommen wurde, als es gerade einmal 380.000 Jahre alt war.
Zu dieser Zeit war das junge Universum mit einer heißen dichten Suppe wechselwirkender Protonen, Elektronen und Photonen bei etwa 2700ºC gefüllt. Als sich die Protonen und Elektronen zu Wasserstoffatomen vereinigten, wurde das Licht freigesetzt. Mit der Ausdehnung des Universums wurde dieses Licht heute auf Mikrowellenwellenlängen ausgedehnt, was einer Temperatur von nur 2,7 Grad über dem absoluten Nullpunkt entspricht.
Die von Planck beobachteten Anisotropien des kosmischen Mikrowellenhintergrunds (CMB). Die CMB ist eine Momentaufnahme des ältesten Lichts in unserem Universum, das am Himmel aufgenommen wurde, als das Universum gerade 380.000 Jahre alt war. Es zeigt winzige Temperaturschwankungen, die Regionen mit leicht unterschiedlicher Dichte entsprechen und die Keime aller zukünftigen Strukturen darstellen: die Sterne und Galaxien von heute. Credit: ESA und die Planck Collaboration
Dieser „kosmische Mikrowellenhintergrund“ - CMB - zeigt sehr früh winzige Temperaturschwankungen, die Regionen mit geringfügig unterschiedlicher Dichte entsprechen und die Keime aller zukünftigen Strukturen darstellen: die Sterne und Galaxien von heute.
Nach dem Standardmodell der Kosmologie traten die Fluktuationen unmittelbar nach dem Urknall auf und wurden während einer kurzen Periode beschleunigter Expansion, die als Inflation bekannt ist, auf kosmologisch große Dimensionen ausgedehnt.
Planck wurde entwickelt, um diese Schwankungen mit größerer Auflösung und Empfindlichkeit als je zuvor über den gesamten Himmel abzubilden. Indem wir die Art und Verteilung der Samen im CMB-Bild von Planck analysieren, können wir die Zusammensetzung und Entwicklung des Universums von seiner Geburt bis zur Gegenwart bestimmen.
Insgesamt liefern die Informationen aus Plancks neuer Karte eine hervorragende Bestätigung des Standardmodells der Kosmologie mit einer beispiellosen Genauigkeit und setzen einen neuen Maßstab in unserem Manifest des Inhalts des Universums.
Da die Genauigkeit der Planck-Karte jedoch so hoch ist, konnten auch einige eigenartige ungeklärte Merkmale aufgedeckt werden, die möglicherweise das Verständnis einer neuen Physik erfordern.
Verglichen mit der besten Übereinstimmung der Beobachtungen mit dem Standardmodell der Kosmologie zeigen Plancks hochpräzise Fähigkeiten, dass die Fluktuationen im kosmischen Mikrowellenhintergrund im großen Maßstab nicht so stark sind wie erwartet. Die Grafik zeigt eine Karte, die aus dem Unterschied zwischen den beiden abgeleitet wurde und die repräsentativ dafür ist, wie die Anomalien aussehen könnten.
„Die außergewöhnliche Qualität von Plancks Porträt des Säuglingsuniversums ermöglicht es uns, seine Schichten bis auf die Grundfesten zurückzuziehen, was zeigt, dass unser Blau des Kosmos alles andere als vollständig ist. Möglich wurden diese Entdeckungen durch die einzigartigen Technologien, die die europäische Industrie zu diesem Zweck entwickelt hat “, sagt Jean-Jacques Dordain, Generaldirektor der ESA.
„Seit der Veröffentlichung von Plancks erstem All-Sky-Bild im Jahr 2010 haben wir alle Vordergrundemissionen, die zwischen uns und dem ersten Licht des Universums liegen, sorgfältig extrahiert und analysiert und den kosmischen Mikrowellenhintergrund so detailliert wie möglich enthüllt“, fügt George hinzu Efstathiou von der University of Cambridge, UK.
Einer der überraschendsten Befunde ist, dass die Schwankungen der CMB-Temperaturen bei großen Winkeln nicht mit denen übereinstimmen, die vom Standardmodell vorhergesagt wurden - ihre Signale sind nicht so stark wie von der von Planck offenbarten Struktur im kleineren Maßstab erwartet.
Eine andere ist eine Asymmetrie der Durchschnittstemperaturen auf gegenüberliegenden Himmelshälften. Dies widerspricht der Vorhersage des Standardmodells, dass das Universum in jeder Richtung, in die wir blicken, weitgehend ähnlich sein sollte.
Darüber hinaus erstreckt sich ein kalter Fleck über ein viel größeres Stück Himmel als erwartet.
Die Asymmetrie und der kalte Punkt waren bereits bei Plancks Vorgänger, der WMAP-Mission der NASA, angedeutet worden, wurden jedoch weitgehend ignoriert, da nach wie vor Zweifel an ihrer kosmischen Herkunft bestanden.
Asymmetrie und kalter Fleck
„Die Tatsache, dass Planck diese Anomalien in so erheblichem Maße aufgedeckt hat, lässt Zweifel an ihrer Realität aufkommen. es kann nicht mehr gesagt werden, dass es sich um Artefakte der Messungen handelt. Sie sind real und wir müssen nach einer glaubwürdigen Erklärung suchen “, sagt Paolo Natoli von der Universität Ferrara, Italien.
„Stellen Sie sich vor, Sie untersuchen die Fundamente eines Hauses und stellen fest, dass Teile davon schwach sind. Sie wissen vielleicht nicht, ob die Schwächen irgendwann das Haus stürzen werden, aber Sie werden wahrscheinlich bald nach Möglichkeiten suchen, es zu verstärken “, fügt François Bouchet vom Institut d'Astrophysique de Paris hinzu.
Eine Möglichkeit, die Anomalien zu erklären, besteht darin, dass das Universum tatsächlich nicht in allen Richtungen in einem größeren Maßstab gleich ist, als wir beobachten können. In diesem Szenario haben die Lichtstrahlen des CMB möglicherweise einen komplizierteren Weg durch das Universum genommen als bisher angenommen, was zu einigen der heute beobachteten ungewöhnlichen Muster führte.
„Unser letztendliches Ziel wäre es, ein neues Modell zu konstruieren, das die Anomalien vorhersagt und miteinander verbindet. Aber das sind frühe Tage; Bisher wissen wir nicht, ob dies möglich ist und welche Art von neuer Physik erforderlich sein könnte. Und das ist aufregend “, sagt Professor Efstathiou.
Neues kosmisches Rezept
Abgesehen von den Anomalien stimmen die Planck-Daten jedoch auf spektakuläre Weise mit den Erwartungen eines eher einfachen Modells des Universums überein, sodass Wissenschaftler die bislang raffiniertesten Werte für seine Inhaltsstoffe ermitteln können.
Mit der hochpräzisen kosmischen Mikrowellen-Hintergrundkarte von Planck konnten Wissenschaftler die bisher raffiniertesten Werte der Inhaltsstoffe des Universums extrahieren. Normale Materie, aus der Sterne und Galaxien bestehen, trägt nur 4,9% zum Massen- / Energieinventar des Universums bei. Dunkle Materie, die indirekt durch ihren Gravitationseinfluss auf nahe Materie erfasst wird, nimmt 26,8% ein, während Dunkle Energie, eine mysteriöse Kraft, die für die Beschleunigung der Expansion des Universums verantwortlich sein soll, 68,3% ausmacht.
Die Vor-Planck-Zahl basiert auf der Neun-Jahres-Datenveröffentlichung von WMAP, die von Hinshaw et al. (2013) vorgelegt wurde.
Normale Materie, aus der Sterne und Galaxien bestehen, trägt nur 4,9% zur Masse / Energiedichte des Universums bei. Dunkle Materie, die bisher nur indirekt durch ihren Gravitationseinfluss entdeckt wurde, macht 26,8% aus, fast ein Fünftel mehr als die vorherige Schätzung.
Umgekehrt macht die Dunkle Energie, eine mysteriöse Kraft, die für die Beschleunigung der Expansion des Universums verantwortlich sein soll, weniger aus als bisher angenommen.
Schließlich legen die Planck-Daten auch einen neuen Wert für die Geschwindigkeit fest, mit der sich das Universum heute ausdehnt, die Hubble-Konstante. Dies ist mit 67,15 Kilometern pro Sekunde und Megaparsec deutlich weniger als der derzeitige Standardwert in der Astronomie. Die Daten deuten darauf hin, dass das Alter des Universums 13,82 Milliarden Jahre beträgt.
"Mit den genauesten und detailliertesten Karten des Mikrowellenhimmels, die jemals erstellt wurden, malt Planck ein neues Bild des Universums, das uns an die Grenzen des Verständnisses aktueller kosmologischer Theorien bringt", sagt Jan Tauber, Planck-Projektwissenschaftler der ESA.
„Wir sehen eine nahezu perfekte Anpassung an das Standardmodell der Kosmologie, aber mit interessanten Merkmalen, die uns dazu zwingen, einige unserer Grundannahmen zu überdenken.
"Dies ist der Beginn einer neuen Reise und wir gehen davon aus, dass unsere fortgesetzte Analyse der Planck-Daten dazu beitragen wird, dieses Rätsel aufzuklären."
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