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06.11.09 · 12:15 Uhr

Verteilung von Materie, Dunkler Materie und Dunkler Energie im Universum bestätigt

Kategorie: Naturwissenschaften  ·  Kommentare: 3

Es gibt eine neue Veröffentlichung, die zu erwähnen zeitlich prima zu Florians Artikel über Dunkle Energie passt. Die Studie, die sich den Mikrowellenhintergrund genau angeguckt hat, hat die Masse/Energieverteilung im Universum bestätigen können. Man geht grob davon aus, dass wir 5% davon kennen - unsere "gewöhnliche" Materie - während 95% unbekannt sind - Dunkle Materie und Dunkle Energie.

Die Ergebnisse, die im Astrophysical Journal veröffentlicht wurden, bestätigen diese Erwartungen aus Messungen und theoretischen Modellen. Analysiert wurden dazu Daten, die sich ganz genau die Temperaturunterschiede und die Polarisation des Mikrowellenhintergrunds angesehen haben. Verwendet wurden dazu Daten eines ganz besonderen Teleskops:

Dieses Teleskop befindet sich nämlich am Südpol und das Experiment nennt sich QUaD. Das steht für "QUEST at DASI". QUEST wiederum ist der Originalname des Teleskops (Q and U Extragalactic Sub-mm Telescope) und DASI ist der Standort, bzw das Teleskop das sich vorher dort befand.
Das zweite Bild zeigt die Hornantennen, die in der Mitte dieses Instruments sitzen. Da sie speziell darauf ausgelegt sind, Polarisation zu bestimmen, und man die Sensoren die schwache elektromagnetische Wellen detektieren als Bolometer bezeichnet, nennt man das 2.6m-Teleskop ein Bolometer-basiertes Polarimeter.

Die Aluminumkappen, die auf den Antennen sitzen, sind nur zur Kalibration angebracht, normalerweise sind die Hörner natürlich offen und versorgen dann die Bolometer, also die Sensoren.
Warum aber befindet sich das Instrument am Südpol? Weil es dort wenig Luftfeuchte gibt, wenig Temperaturschwankungen, nur einen Tag und eine Nacht pro Jahr und dadurch auch lange gleichmäßige Beobachtungszeiten. (siehe auch diesen Vortrag (PDF)).

Erforschung der Hintergrundstrahlung

Noch einen Vorteil hat der Südpol: Hier kacken keine Tauben ins Instrument, wie es Penzias und Wilson glaubten, als sie mit ihrer Radioantenne experimentierten. Aber es stellte sich raus, es waren doch nicht die Tauben, es war der Mikrowellenhintergrund!
Der Mikrowellenhintergrund ist das Nachglühen des frühen, heißen Universums. Etwa 400000 Jahre nach dem Beginn des Universums wurde es transparent für Photonen - das heißt das ist der früheste Zeitpunkt ab dem so ein Photon nicht sofort wieder absorbiert wurde. Die übrig gebliebenen Photonen haben sich im Laufe der Zeit in den Mikrowellenbereich verschoben - denn die Raumzeit selbst hat sich unter ihnen ausgedehnt. Daher ist die Beobachtung des Hintergrundes so gut, um über den frühen Zustand des Universums und seine Entwicklung zu lernen.
Die erste Satellitenmission dazu war COBE, die zeigen konnte, dass der Hintergrund tatsächlich völlig homogen verteilt ist. Es gibt allerdings doch ganz ganz kleine Temperaturanomalien, die auf die Struktur des frühen Universums schließen lassen. Ihre Beobachtung durch den WMAP-Satelliten legte einen der Grundsteine für die gewaltigen Änderungen, die unser Verständnis vom Universum in den letzten Jahren erlebte.

Polarisation

Neben den Temperaturanomalien kann es aber auch Anomalien in der Polarisation der Photonen geben. Das ist die Aufgabe von QUaD, herauszufinden ob die Strahlung aus verschiedenen Himmelsregionen unterschiedlich polarisiert ist.
Eine elektromagnetische Welle ensteht dadurch, dass ein zeitlich verändertes Magnetfeld ein elektrisches Feld anregt, das wiederum ein Magnetfeld erzeugt, usw. Die Schwingungsrichtung des Magnetfeldes liegt senkrecht zur Ausbreitungsrichtung. Wenn das Licht eine bevorzugte Ebene hat, in der das Feld schwingt, ist es polarisiert. Nehmt einmal eine Sonnenbrille und dreht sie um 90°, während ihr durch sie den Himmel beobachtet. Es wird unterschiedlich dunkel werden, denn ein Teil des Lichts ist polarisiert. Durch Polfilter gelingen auch besonders beindruckende Landschaftsphotographien mit dem charakteristischen Helligkeitsverlauf am Himmel, so wie hier.
Die Photonen des Mikrowellenhintergrundes waren zu Beginn nicht polarisiert. Aber durch Kollision mit bewegter Materie sind sie polarisiert worden. Während also die Temperaturanomalien Hinweise darauf geben, wie die kleinen Strukturunterschiede im frühen Universum waren, kann man über die Polarisation ermitteln, welche Bewegungen es gab.
Und das hat QUaD gemessen:

In Farbe sieht man die Temperaturanomalien, die Striche bezeichnen die Polarisationsrichtung.
Die neuen Messungen sind genauer als die von WMAP und verbessern die Erwartungen, dass die Ideen zur Entwicklungen des Universums, zu Dunkler Materie und Dunkler Energie in den Standardmodellen der Kosmologie wohl richtig sind.

 

Autor: Jörg· 3 Kommentare· Permalink· Trackback-URL

Tags: antarktis· cobe· dasi· elektrodynamik· kosmologie· mikrowellenhintergrund· photonen· quad· quest· raumzeit· satellit· südpol· teleskope· universum· wellen· wmap