0,000000000001 Sekunden nach dem Urknall
NeueBeobachtungen mit dem Weltraumobservatorium WMAP stützen die Hypothese der extremschnellen Entfaltung des Universums schon in seinen ersten Sekundenbruchteilen.
Die Theorie der Inflation des Universums besagt, dass das Universum sich nach demUrknall innerhalb einer Zeit, die viel kürzer ist als ein Fingerschnippen, auf einBillionenfaches seiner ursprünglichen, subatomaren Größe ausdehnte. Es expandiertedemnach mit einer Geschwindigkeit, die viel höher war als die des Lichts - wohl der besteHinweis, dass "damals" noch ganz andere physikalische Gesetze gegolten haben müssen alsheute. Aber schon im ersten Billionstel eines Billionstels der ersten Sekunde müssen sichFluktuationen in der Dichteverteilung ereignet haben, die zur Entstehung der erstenGalaxien und Sterne Hunderte von Millionen Jahren später führten. Und schon nach derersten Billionstelsekunde soll das Universum fast seine heutige Ausdehnung erreichthaben.
Expansion desUniversums: Extrem schnelle Inflation, dann lange wenig und in "letzter Zeit" durchdunkle Energie beschleunigte Ausdehnung
(Bild: NASA/WMAP Science Team)
Alan Guths Hypothese vom inflationären Universum entstand um 1980als Ergebnis bloßer Berechnungen mit Stift und Papier und war zunächst nur eine vonmehreren Urknall-Theorien. Sie beschäftigt sich auch nicht mit dem gesamten Urknall,sondern nur mit einer entscheidenden Anfangsphase bis zur Ausdehnung auf etwa die Größeeines Golfballs. Danach geht es dann nach dem Standard-Urknall-Modell weiter, das inseinen Anfängen noch aus der Zeit kurz nach dem Ersten Weltkrieg stammt. Allerdingserklärt die Inflationshypothese elegant einige sonst unerklärliche Phänomene, und seitdemwurden mehrfach neue Erkenntnisse gesammelt, die auf die Richtigkeit derInflationshypothese hin weisen. Nun hat die NASA Ergebnisse neuer Untersuchungenvorgelegt, die die Hypothese weiter stützen.
Diese neuen Erkenntnisse stammenaus Untersuchungen der kosmischen Hintergrundstrahlung im Mikrowellenbereich mit demWeltraumobservatorium WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe), auf Basis von dreiJahren kontinuierlicher Beobachtung. Die Hintergrundstrahlung kann man sich als eine Art"Nachglühen" des Urknalls vorstellen und gilt damit als ältestes Licht des Universums.WMAP wurde am 30. Juni 2001 gestartet und ist jetzt eine Million Meilen von der Erdeentfernt, in einer Lagrange-2-Position auf der von der Sonne abgewandten Seite.
"Die Inflationstheorie war ein erstaunliches Konzept, als es vor 25 Jahrenvorgestellt wurde, und jetzt können wir es mit realen Beobachtungen stützen", sagte Dr.Gary Hinshaw vom Goddard-Raumfahrtzentrum der NASA, WMAP-Teammitglied und Hauptautoreiner der neuen wissenschaftlichen Veröffentlichungen, die demnächst im "AstrophysicalJournal" erscheinen sollen.
Wie können wir auf das junge Universum zurückblicken? Die kosmische Hintergrundstrahlung stellt eine Art "astronomisches Fossil" dar,analog den versteinerten Überreste früherer Lebewesen. Eingebettet in diesem uraltenMikrowellenlicht sind subtile Muster, die noch immer auf sehr spezifische Bedingungen imfrühesten Universum hin deuten.
Frühere Beobachtungen mit WMAP haben sich aufdie Temperaturmuster dieses Lichts konzentriert und 2003 erstaunlich präzise Erkenntnisseüber das Alter des Universums und seine Geometrie und Zusammensetzung geliefert. DieseTemperaturunterschiede, mit einer Genauigkeit von einem Millionstel Grad erfasst, deutenauf früheste Dichteunterschiede hin - ein bisschen mehr Materie hier, ein bisschenweniger Materie dort. Im Verlaufe von Jahrmillionen formte die Gravitation aus derunterschiedlich dichten frühen Materie die Struktur des Universums: Sterne und Galaxien,getrennt durch riesige Leerräume.
Die neuen WMAP-Beobachtungen haben nicht nureine noch detailliertere Karte der Temperaturverteilung geliefert, sondern auch die ersteKarte der Polarisation der Hintergrundstrahlung über den gesamten Sternenhimmel. DasPolarisationssignal ist mindestens 100mal schwächer als das Temperatursignal.
Dieser wichtige Durchbruch versetzt Wissenschaftler in die Lage, noch tiefereEinsicht in das Geschehen innerhalb der ersten Billionstelsekunde zu gewinnen. DasWMAP-Team kündigt zwei Hauptergebnisse an: Hinweise auf die Richtigkeit derInflationstheorie und eine Bestätigung, wann sich die ersten Sterne bildeten. BeideErgebnisse stützen sich auf die kombinierten Temperatur- und Polarisationsdaten.
WMAP fand heraus, dass die ersten Sterne - die Urahnen aller nachfolgendenSterngenerationen und des Lebens selbst - sich bereits bemerkenswert früh formten, nurungefähr 400 Millionen Jahre nach der Inflation. Dies wird als "Reionsationsära"bezeichnet, als das Licht der ersten Sterne Wasserstoffatome ionisierte und derenElektronen abspaltete.
Polarisation wird durch die Umgebung beeinflusst, die dasLicht auf seinem Weg passiert, wie beispielsweise Sonnenlicht durch die Reflektion voneiner glänzenden Oberfläche polarisiert wird. Die Wissenschaftler interessieren sich fürzwei Arten von Polarisationssignalen der kosmischen Hintergrundstrahlung: Eine, genannt"E-Modus", rührt von der Reionisationsära her, wurde also durch ionisiertesWasserstoffgas verursacht. Die andere, "B-Modus", rührt direkt aus der Inflationsphase.
WMAP entdeckte E-Modus-Polarisation, aber noch keine B-Modus-Polarisation. Dabeiwäre gerade der Nachweis von B-Modus-Polarisation ein schlagender Beweis für Inflationund damit der gesamten Hypothese. Dennoch kann das WMAP-Team schon anhand derTemperaturkarte plus der E-Modus-Polarisationskarte verschiedene Aussagen über dieInflation machen.
NeuesWMAP-Mikrowellenbild des jungen Universums: Farben indizieren wärmere (rot) und kühlere(blau) Bereiche. Die weißen Striche zeigen die Polarisationsrichtung des Lichts.
(Bild: NASA/WMAP Science Team)
Zum Beispiel hat die Wissenschaftjetzt eine obere Grenze für die Energie der Inflation. Außerdem stützen die Datengrundsätzliche Vorhersagen über die Größe und Stärke der Raumzeit-Fluktuationen und wiesie auf kleineren Längenskalen schwächer werden.
"Es ist überwältigend, dass wirnun zwischen verschiedenen Versionen des Geschehens in der ersten Billionstelsekunde desUniversums unterscheiden können", sagte Dr. Charles Bennett von der JohnHopkins-Universität in Baltimore, der Forschungsleiter des WMAP-Teams.
Und eskann immer nur noch besser werden. Die Polarisationsdetektion wird in Zukunft nochstärker werden. "Je länger WMAP beobachtet, desto mehr wird es über die Zeit enthüllen,als unser Universum von mikroskopischen Quantenfluktuationen zu der riesigen Ausdehnungvon Sternen und Galaxien wuchs, die wir heute sehen", sagte Bennett.
Die ESAplant, 2008 die Mission Planck zu starten, die speziell die Polarisation derHintergrundstrahlung untersuchen soll. Die vorgeschlagene NASA-Beyond Einstein-Sondewürde sogar nach der B-Modus-Polarisation suchen, der Visitenkarte der Inflation.
Der Horizont vieler Menschen ist ein Kreis mit dem Radius Null - und das nennen sie ihren Standpunkt.
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