Botschaften aus der Geschichte des Universums

  • 16. December 2016

Die Mikrowellen-Hintergrundstrahlung tritt mit Galaxienhaufen in Wechselwirkung und verrät dadurch Eigenschaften dieser riesigen, kosmischen Strukturen.

Die 1964 von Arno Penzias und Robert Wilson entdeckte Mikrowellen-Hintergrundstrahlung (Cosmic Microwave Background, CMB) entstand zirka 400000 Jahre nach dem Urknall, als das Urgas sich bis auf einige Tausend Grad abgekühlt hatte und Elektronen und Protonen sich zu Atomen zusammenfanden. Damit wurde das Gas für Strahlung durchsichtig, die noch heute das Universum durchzieht.

Nachdem das Weltraumteleskop COBE im Jahr 1990 winzige Strukturen in der Strahlungsintensität des CMB nachweisen konnte, wurde diese Messung mit den Nachfolgern Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) der NASA und dem Weltraumteleskop Planck der Europäischen Weltraumorganisation ESA verbessert. Sie trugen wesentlich zur Idee bei, dass Fluktuationen in der Verteilung der Materie im frühen Universum durch Gravitation verstärkt wurden und zu jenen großskaligen Strukturen führten, die wir in der Verteilung der Galaxien sehen.

Neben diesen primären Fluktuationen, gibt es eine Reihe von Prozessen, die zu Wechselwirkungen der Photonen aus dem CMB mit kosmischen Strukturen führen. Ihre Analyse führt zu neuen astrophysikalischen und kosmologischen Erkenntnissen.

Eines der am besten untersuchten Phänomene ist der thermische Sunyaev-Zel’dovich-Effekt. Er basiert darauf, dass Photonen des CMB an freien Elektronen im heißen Plasma im Inneren von Galaxienhaufen gestreut werden. Dieser Compton-Effekt stellt einen thermischen Kontakt dar, der einen Wärmefluss vom heißen Plasma innerhalb des Galaxienhaufens zum kalten CMB ermöglicht. In Richtung eines Galaxienhaufens beobachtet man dann eine charakteristische Verzerrung des Planck-Spektrums des CMB.

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Abb. Der Shapley-Supergalaxienhaufen bei einer Rotverschiebung von z=0,046 (Rückblickzeit etwa 500 Mio. Jahre) beinhaltet mehr als 8000 Galaxien. Die Streuung der CMB-Photonen am intergalaktischen Gas (thermischer Sunyaev-Zel’dovich-Effekt) macht ihn sichtbar. 

Mit Planck ließ sich der Sunyaev-Zel’dovich-Effekt bei mehreren hundert Galaxienhaufen bis in Entfernungen von mehreren Milliarden Lichtjahren nachweisen. Er spiegelt den Druck des Plasmas im Inneren des Galaxienhaufens wider. Eine wichtige Anwendung des Sunyaev-Zel’dovich-Effekts sind kosmologische Durchmusterungen, denn die Anzahldichte der Galaxienhaufen als Funktion der Entfernung (und damit der Zeit nach dem Urknall) lässt Rückschlüsse auf kosmologische Modelle zu. Besonders interessant ist in diesem Zusammenhang, dass die Stärke des Effekts unabhängig vom Abstand eines Galaxienhaufens ist. Deshalb eignet er sich, um Galaxienhaufen zu entdecken.

Es gibt viele weitere Wechselwirkungen der Photonen des CMB mit Strukturen im Universum, wie den Birkinshaw-Gull-Effekt, den Sachs-Wolfe-Effekt oder den Gravitationslinseneffekt. Sie geben weitere Hinweise auf die Entwicklungsgeschichte der Galaxien und Galaxienhaufen.

In der aktuellen Ausgabe von Physik in unserer Zeit erklärt Björn Malte Schäfer von der Universität Heidelberg diese Effekte und präsentiert erste Ergebnisse. Der Artikel steht bis Heiligabend frei zum Download bereit (danach nur mit Online-Abo).

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