PLANCK
Kosmologisches Standardmodell bestätigt
von Stefan Deiters
astronews.com
19. Juli 2018

Das Team der ESA-Mission Planck hat in dieser Woche das finale Ergebnis der Messungen des Weltraumteleskops vorgestellt. Planck hatte von 2009 bis 2013 äußerst präzise die kosmische Hintergrundstrahlung erfasst. Die detaillierte Auswertung bestätigte nun die hohe Übereinstimmung der Daten mit dem Standardmodell der Kosmologen. Kleine Ungereimtheiten bleiben allerdings.

Dieses Bild der winzigen Temperaturunterschiede in der kosmischen Hintergrundstrahlung basiert auf den finalen Daten der Planck-Mission, die jetzt vorgestellt wurden. Bild: ESA / Planck Collaboration [Gesamtansicht]

Das Weltraumteleskop Planck der europäischen Weltraumagentur ESA hat von 2009 bis 2013 mit hoher Genauigkeit die kosmische Hintergrundstrahlung vermessen - also jene Strahlung, die uns aus einer Zeit erreicht, in der das Universum gerade einmal rund 380.000 Jahre alt war. Es handelt sich um eine Strahlung im Mikrowellenbereich, die sich in jede Richtung messen lässt und sehr gleichförmig ist.

Allerdings lassen sich, wenn man genau hinschaut, doch winzige Temperaturunterschiede erkennen und genau diese erlauben Rückschlüsse auf die Entwicklung des Universums - genauer: Aus ihnen lässt sich ablesen, ob die bisherigen Vorstellungen der Kosmologen über die Entwicklung unseres Universums richtig oder kompletter Blödsinn sind.

2013 wurden erste Ergebnisse der Mission präsentiert und schon damals sah es gut aus für das kosmologische Standardmodell: Das Team sprach von einem fast perfekten Universum - nur "fast perfekt", weil die Daten auf einige kleinere Anomalien hinwiesen, die sich nicht mit dem Standardmodell vertrugen und die es weiter zu erforschen galt.

Nun haben die an der Planck-Mission beteiligten Wissenschaftler ihre endgültigen Schlussfolgerungen aus den Daten veröffentlicht; vorausgegangen war eine gründliche Analyse der Messwerte. Das Ergebnis bestätigt das vorläufige Resultat aus dem Jahr 2013, ist allerdings noch überzeugender: "Das ist das wichtigste Erbe der Planck-Mission", unterstreicht Jan Tauber, Planck-Projektwissenschaftler bei der ESA. "Bislang hat das Standardmodell der Kosmologie alle Tests bestanden und Planck hat die Messungen gemacht, die dies demonstrieren."

Das Standardmodell der Kosmologen basiert auf der Allgemeinen Relativitätstheorie und beinhaltet zwei recht exotische Komponenten: Die Dunkle Materie, die man nicht direkt beobachten kann und die sich nur durch ihre Anziehungskraft auf sichtbare Materie bemerkbar macht und die Dunkle Energie, die für eine beschleunigte Ausdehnung des Universums sorgt. Bislang weiß man nicht, um was es sich bei diesen beiden Komponenten handelt.

Außerdem geht das Standardmodell davon aus, dass sich das Universum im ersten Bruchteil einer Sekunde seiner Existenz mit extrem hoher Geschwindigkeit ausgedehnt hat. Die Wissenschaftler nennen diese Phase "Inflation" und auch sie wurde durch die Planck-Daten eindrucksvoll belegt. Während der Inflation wurden bereits die Saatkörner für die großräumigen Strukturen gelegt, die wir heute beobachten.

Planck hat nicht nur die Temperatur der kosmischen Hintergrundstrahlung mit hoher Genauigkeit vermessen, sondern auch ihre Polarisation, also praktisch die Schwingungsrichtung dieser Strahlung. Sie verrät etwas über die letzten Wechselwirkungen zwischen Strahlung und Materie im frühen Universum. Als man im Jahr 2015 eine weitere Auswertung der Daten vorstellte, war die Analyse der Polarisationsdaten noch nicht so weit fortgeschritten, dass man damit sichere kosmologische Aussagen machen konnte.

Das hat sich nun geändert: Sowohl die Temperatur als auch die Polarisation der Strahlung ist nun präzise bestimmt. "Wir sind nun sicher, dass wir ein kosmologisches Modell nur auf Grundlage der Temperaturdaten, der Polarisationsdaten oder aus einer Kombination von Temperatur und Polarisation bestimmen können", erklärt Reno Mandolesi, Mitglied des Planck-Teams von der Universität im italienischen Ferrara. "Und sie passen alle zusammen."

Doch die Daten beinhalten ein Rätsel, für das es bislang noch keine zufriedenstellende Lösung gibt - und dieses betrifft die sogenannte Hubble-Konstante, die die Ausdehnungsrate des Universums angibt. Ihre möglichst exakte Bestimmung war eine Hauptaufgabe des Weltraumteleskops Hubble. Beobachtungen mit Hubble und anderen Teleskope liefern inzwischen einen Wert von 73,5 km/s/Mpc mit einer Unsicherheit von nur zwei Prozent.

Die Hubble-Konstante lässt sich aber auch anders bestimmen, nämlich indem man ein kosmologisches Modell an die gemessenen Werte der kosmischen Hintergrundstrahlung anpasst und daraus die heutige zu messende Hubble-Konstante ableitet. Mithilfe der Planck-Daten wurde eine solche Berechnung vorgenommen - das Ergebnis: 67,4 km/s/Mpc mit einer Ungenauigkeit von weniger als einem Prozent.

Die Werte liegen zwar recht nahe beieinander, jedoch nicht innerhalb der jeweiligen Fehlergrenzen - und genau dies bereitet den Wissenschaftlern ein Problem: Irgendwo muss in den Auswertungen ein unerkannter Fehler stecken - oder aber die Diskrepanz ist ein Hinweis auf eine "neue Physik", die es noch zu entdecken gilt. Leicht dürfte dies allerdings nicht werden, denn diese "neue Physik" muss nicht nur die Diskrepanz bei den Werten der Hubble-Konstante erklären, sondern auch mindestens genauso gut mit den übrigen Messungen von Planck in Einklang zu bringen sein, die das Standardmodell ansonsten so hervorragend bestätigen.

Die neuen Ergebnisse sind in einer Reihe von Artikeln in der Fachzeitschrift Astronomy & Astrophysics veröffentlicht worden.