Überblick

Planck und wie er die Welt sah

Die europäische Planck-Mission hat den Mikrowellenhintergrund mit bislang unerreichter Genauigkeit bestimmt, aber einige spannende Fragen offen gelassen.

  • Matthias Bartelmann
  • 03 / 2017 Seite: 35

Im Oktober 2013 wurde nach über vier Jahren Betrieb der Planck-Satellit abgeschaltet. Inzwischen gibt es die ersten Ergebnisse, in die Daten der gesamten Mission eingegangen sind. Auch wenn noch einige Probleme ungelöst bleiben, hat Planck das kosmologische Standardmodell glanzvoll bestätigt und seine Parameter mit großer Genauigkeit bestimmt. Zudem hat die Mission die letzte große Lücke im astronomisch beobachteten elektromagnetischen Spektrum geschlossen und eine Fülle astrophysikalisch bedeutender Ergebnisse geliefert.

Das Interesse am kosmischen Mikrowellenhintergrund (Cosmic Microwave Background, CMB) geht auf Arbeiten von Gamow, Alpher und Herman aus den 1940er-Jahren zurück. In diesen untersuchten sie die Möglichkeit, dass ein Großteil der leichten Elemente im Universum kurz nach dem Urknall entstanden sein könnte. So deutete die beobachtete Häufigkeit von Helium-4 in der Sonne darauf hin, dass die heutige Temperatur der Wärmestrahlung im Universum zwischen einem und fünf Kelvin liegen sollte. Mit einer Intensität, die dieser Erwartung genau entsprach, entdeckten Penzias und Wilson 1965 diese Restwärmestrahlung des Urknalls bei einer Frequenz von 4080 MHz [1]. Dass es sich dabei tatsächlich um Wärmestrahlung handelt, belegten Ergebnisse des Cobe-Satelliten 1989 und 1990. Demnach liegt die mittlere Temperatur des CMB bei 2,728 ± 0,004 K und das Intensitätsmaximum bei 160 GHz [2]. Mithilfe des Cobe-Satelliten gelang es, die lang erwarteten Temperaturschwankungen im Mikrowellenhintergrund zu finden. Die Winkelauflösung lag bei 7°, die des WMAP-Satelliten bei 15ʹ, Planck erreichte 5ʹ.

Der Mikrowellenhintergrund wurde freigesetzt, als das Universum 380 000 Jahre nach dem Urknall eine Temperatur von ca. 3500 K erreicht hatte. Zu dieser Zeit, bei dieser thermischen Energie und wegen der kleinen Amplitude der Schwankungen von Dichte, Intensität und Temperatur um ihren Mittelwert war das baryonische kosmische Material im vergleichsweise einfachen Zustand eines nichtrelativistischen, thermischen Plasmas mit kleinen Fluktuationen, dessen Wechselwirkung sich mit elektromagnetischer Strahlung durch Thomson-Streuung beschreiben lässt. Da der Thomson-Streuquerschnitt vom linearen Pola­risationszustand der Streustrahlung abhängt, gehen Temperaturschwankungen im CMB mit dazu korrelierten Schwankungen seiner Stokes-Parameter Q und U einher. (...)

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