PLANCK
Die ersten Sterne entstanden später
Redaktion / Pressemitteilung des Max-Planck-Instituts für Astrophysik
astronews.com
6. Februar 2015

Neue Karten des ESA-Satelliten Planck deuten darauf hin, dass sich die ersten Sterne später gebildet haben, als Astronomen bislang angenommen hatten. Die Daten geben zudem neue Einblicke in unsere Milchstraße und zeigen, dass deren Staub sehr viel über die galaktischen Magnetfelder verraten kann. Vernachlässigen sollte man den Staub zudem nirgendwo am Himmel.

Eine Visualisierung der Polarisation des Mikrowellenhintergrunds, wie sie vom Planck-Satelliten über den gesamten Himmel vermessen wurde. Bild: ESA und die Planck Collaboration [Gesamtansicht]

Die Geschichte unseres Universums begann vor 13,8 Milliarden Jahren. Für die Wissenschaftler, die versuchen seine Entwicklung zu verstehen, ist der kosmische Mikrowellenhintergrund oder CMB (für Cosmic Microwave Background) eine der wichtigsten Informationsquellen. Dieses fossile Licht stammt aus einer Zeit nur 380.000 Jahre nach dem Urknall, als das Universum noch sehr heiß und dicht war.

Durch die Expansion des Universums sehen wir dieses Licht heute über den gesamten Himmel bei Mikrowellen-Wellenlängen. Von 2009 bis 2013 erstellte Planck mehrere komplette Himmelskarten dieses urzeitlichen Lichtes in bisher unerreichter Genauigkeit. Winzige Temperaturunterschiede zwischen den verschiedenen Regionen zeigen dabei, dass die Dichte im frühen Kosmos nicht ganz uniform war - aus diesen kleinen Fluktuationen entstanden alle zukünftigen Strukturen: die Sterne und Galaxien von heute.

In den letzten zwei Jahren veröffentlichten Forscher der Planck-Kollaboration die Ergebnisse aus der Analyse dieser Daten in einer Vielzahl von wissenschaftlichen Arbeiten und bestätigten das kosmologische Standardmodell unseres Universums mit immer höherer Genauigkeit.

"Die detaillierte Karte der CMB-Temperaturstrukturen kann als eines der Schlüsselergebnisse der Wissenschaft des einundzwanzigsten Jahrhunderts betrachtet werden", erklärt Simon White, Direktor am Max-Planck-Institut für Astrophysik und einer der  an Planck beteiligten Wissenschaftler. "Es ist ein detailreiches Bild der Grenzen des sichtbaren Universums, das uns seine Struktur in allen Einzelheiten zeigt, als es 40.000 Mal jünger war als heute. Es gibt uns sogar unsere besten Hinweise, was zu noch früheren Zeiten im Universum geschah."

"Aber es gibt noch mehr: der CMB enthält zusätzliche Hinweise über unsere kosmische Geschichte, die in seiner 'Polarisation' codiert sind", erläutert Jan Tauber, ESA-Planck-Projektwissenschaftler. "Planck hat dieses Signal zum ersten Mal mit einer hohen Auflösung über den gesamten Himmel vermessen und jetzt diese einzigartigen Karten veröffentlicht."

Licht wird polarisiert, wenn es in einer bevorzugten Richtung schwingt; dies kann die Folge sein, wenn Photonen - die Lichtteilchen - von anderen Teilchen wie Elektronen abprallen. Genau das passierte mit dem CMB im frühen Universum. Plancks Polarisationsdaten bieten einen unabhängigen Weg, die kosmologischen Parameter zu messen, und bestätigen damit die Details des kosmologischen Standardmodells, wie es aus den CMB-Temperaturschwankungen bestimmt worden war.

Auf seinem Weg durch Raum und Zeit wurde das CMB-Licht aber auch durch die ersten Sterne beeinflusst - und die Polarisationsdaten deuten nun an, dass die ersten Sterne etwa 550 Millionen Jahre nach dem Urknall zu leuchten anfingen und damit das "Dunkle Zeitalter" beendeten - dies ist mehr als 100 Millionen Jahre später als bisher angenommen und passt besser zu anderen Daten über diese Epoche.

Doch den Astronomen geht es nicht nur um die ersten Sterne: Mit den jetzt veröffentlichten, neuen Planck-Daten untersuchen die Wissenschaftler auch die Polarisation der Vordergrundemission durch Gas und Staub in der Milchstraße, um die Struktur des galaktischen Magnetfeldes zu analysieren.

"Mit seinen neun Frequenzkanälen ist Planck bestens dafür geeignet, um das kosmologische Signal und die Vordergrundstrahlung zu entwirren. Allerdings müssen wir bei der Analyse der Daten sehr vorsichtig sein", erklärt Torsten Enßlin, Leiter des Planck Software-Teams am Max-Planck-Institut für Astrophysik. "Unsere Ergebnisse zeigen, dass der Beitrag von Staub in unserer Milchstraße über den gesamten Himmel hinweg signifikant ist - damit werden alle früheren Hoffnungen zunichtegemacht, dass einige Bereiche sauber genug sein könnten, um einen direkten Blick auf das frühe Universum zu erhaschen. Das polarisierte Licht des Staubes zeichnet die galaktischen Magnetfeldlinien mit einer fantastischen Detailtreue nach und ermöglicht bisher ungeahnte Einblicke in Wetterphänomene in unserer Milchstraße."

Die Daten lieferten auch wichtige neue Einblicke in den frühen Kosmos und seine Bestandteile, einschließlich der faszinierenden Dunklen Materie und der schwer fassbaren Neutrinos; auch diese Ergebnisse werden in den in dieser Woche veröffentlichten Arbeiten beschrieben.

Selbst die noch frühere Geschichte des Kosmos kann mit den Planck-Daten erforscht werden, bis zurück zur Phase der Inflation - einer kurzen Zeit der beschleunigten Expansion, als das Universum gerade erst einen winzigen Bruchteil einer Sekunde alt war. Als ultimative Signatur dieser Epoche suchen die Astronomen nach Hinweisen auf Gravitationswellen, die durch die Inflation ausgelöst wurden und später die Polarisation des CMB prägten.

Frühere Berichte über einen direkten Nachweis dieses Signals mussten angesichts der Planckkarten des polarisierten Lichtes revidiert werden (astronews.com berichtete). Kombiniert man allerdings die neuesten Planck-Daten mit neuen Ergebnissen von anderen Experimenten, so können die Grenzwerte für diese primordialen Gravitationswellen noch genauer bestimmt werden. Die neuen Obergrenzen sind bereits in der Lage einige Inflationsmodelle auszuschließen.

Die Ergebnisse der Auswertungen der Planck-Daten sind in zahlreichen Fachartikeln beschrieben, die in der Zeitschrift Astronomy & Astrophysics erscheinen werden.