Späte Sterne

  • 06. February 2015

Nach den jüngsten Planck-Daten sind die ersten Sterne erst spät entstanden.

Die Geschichte unseres Universums begann vor 13,8 Milliarden Jahren. Für die Wissenschaftler, die versuchen, seine Entwicklung zu verstehen, ist der kosmischen Mikrowellenhintergrunds oder CMB (Cosmic Microwave Background) eine der wichtigsten Informationsquellen. Von 2009 bis 2013 erstellte das Weltraumobservatorium Planck mehrere komplette Himmelskarten dieses urzeitlichen Lichtes in bisher unerreichter Genauigkeit. Winzige Temperaturunterschiede zwischen den verschiedenen Regionen zeigten 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.

Von Planck gemessene Polarisation des kosmischen Mikrowellenhintergrunds. Ein kleiner Bruchteil des CMB ist polarisiert. In diesem Bild repräsentiert die Farbskala Temperaturdifferenzen im CMB, während die Textur die Richtung des polarisierten Lichts andeutet. Die dabei sichtbaren Muster sind charakteristisch für Polarisation im „E-Modus“, die dominierende Form der Polarisation beim CMB

Abb.: Von Planck gemessene Polarisation des kosmischen Mikrowellenhintergrunds. Ein kleiner Bruchteil des CMB ist polarisiert. In diesem Bild repräsentiert die Farbskala Temperaturdifferenzen im CMB, während die Textur die Richtung des polarisierten Lichts andeutet. Die dabei sichtbaren Muster sind charakteristisch für Polarisation im „E-Modus“, die dominierende Form der Polarisation beim CMB. (Bild: ESA / Planck Collaboration)

„Die detaillierte Karte der CMB-Temperaturstrukturen kann als eines der Schlüsselergebnisse der Wissenschaft des 21. Jahrhunderts betrachtet werden“, erklärt Simon White, Direktor am Max-Planck-Institut für Astrophysik und Co-Investigator von Planck. „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 heute diese einzigartigen Karten veröffentlicht.“

Licht wird polarisiert, wenn es in einer bevorzugten Richtung schwingt; dies kann die Folge sein, wenn Photonen 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. Durch Planck wissen wir also nun, dass dies mehr als 100 Millionen Jahre später ist, als bisher angenommen.

Dieses Ergebnis löst ein astronomisches Rätsel: Bisherige Studien der CMB-Polarisation schienen auf eine frühere Geburt der ersten Sterne hinzudeuten, während sehr tiefe Bilder des Himmels zeigten, dass die frühesten bekannten Galaxien im Universum erst etwa 300 bis 400 Millionen Jahre nach dem Urknall auftauchten, und damit nicht ausreichen würden, um das Dunkle Zeitalter nach 450 Millionen Jahren zu beenden. Mit den neuen Erkenntnissen von Planck ist dieses Problem nun deutlich kleiner geworden – die beobachteten frühesten Sterne und Galaxien sollten völlig ausreichend gewesen sein, um das von Planck vermessene Polarisationssignal des Endes des Dunklen Zeitalters zu erzeugen. Aber die ersten Sterne sind noch nicht alles. Mit den nun veröffentlichten neuen Planckdaten 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 zunichte gemacht, dass einige Bereiche sauber genug sein könnten, um einen direkten Blick auf das frühe Universum zu erhaschen. Das polarisierte Licht des Staubes zeichnet die Magnetfeldlinien mit einer fantastischen Detailtreue nach und ermöglicht bisher ungeahnte Einblicke in Wetterphänomene in unserer Galaxie.“

Die Daten lieferten auch wichtige neue Einblicke in den frühen Kosmos und seine Bestandteile, einschließlich der dunklen Materie und der Neutrinos. Selbst die noch frühere Geschichte des Kosmos kann mit den Planckdaten eruiert werden, bis zurück zur Phase der Inflation. 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. 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.

MPA / DE

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