Planck-Karten des Mikrowellenhintergrundes

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Bildcredit: Europäische Weltraumorganisation, Planck Collaboration

Beschreibung: Woraus besteht unser Universum? Um das herauszufinden, startete die ESA den Satelliten Planck, der von 2009 bis 2013 so detailreich wie nie zuvor leichte Temperaturunterschiede auf der ältesten optischen Oberfläche kartierte, die wir kennen – dem Himmelshintergrund, der vor Milliarden Jahren übrig blieb, als unser Universum erstmals für Licht transparent wurde.

Dieser kosmische Mikrowellenhintergrund ist in allen Richtungen sichtbar. Es ist ein komplexer Bildteppich, der die beobachteten heißen und kalten Muster nur dort aufweist, wo das Universum aus bestimmten Arten von Energie besteht, die sich auf bestimmte Weise entwickelt haben. Letzte Woche wurden die endgültigen Ergebnisse veröffentlicht. Diese bestätigen erneut, dass ein Großteil unseres Universums aus rätselhafter, unbekannter Dunkler Energie besteht, und dass auch ein Großteil der verbleibenden Materienenergie seltsam dunkel ist.

Zusätzlich bestätigen die „finalen“ 2018er-Planckdaten eindrucksvoll, dass das Alter des Universums etwa 13,8 Milliarden Jahre beträgt, und dass die lokale Expansionsrate, die als Hubblekonstante bezeichnet wird, 67,4 (+/- 0,5) km/sec/Mpc beträgt. Seltsamerweise ist diese durch Beobachtung des frühen Universums ermittelte Hubblekonstante etwas niedriger ist als jene, die durch andere Methoden im späten Universum ermittelt wurde. Die dadurch entstehende Diskrepanz sorgt für viele Diskussionen und Mutmaßungen.

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Das beobachtbare Universum

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Illustrationscredit und Lizenz: Wikipedia, Pablo Carlos Budassi

Beschreibung: Wie weit können Sie sehen? Alles, was Sie jetzt gerade sehen können und könnten, wenn Ihre Augen alle Arten von Strahlung um Sie herum erkennen würden, ist das beobachtbare Universum.

Im elektromagnetischen Spektrum stammt das Fernste, das für uns sichtbar ist, vom kosmischen Mikrowellenhintergrund aus einer Zeit vor 13,8 Milliarden Jahren, als das Universum undurchsichtig wie dicker Nebel war. Einige Neutrinos und Gravitationswellen, die uns umgeben, kommen sogar von noch weiter draußen, doch die Menschheit hat noch keine Technologie, um sie zu erkennen.

Dieses Bild veranschaulicht das beobachtbare Universum in einem zunehmend kompakteren Maßstab mit Erde und Sonne im Zentrum, umgeben von unserem Sonnensystem, nahen Sternen, nahen Galaxien, fernen Galaxien, Fasern aus früher Materie und der kosmischen Hintergrundstrahlung.

Kosmologen gehen üblicherweise davon aus, dass unser beobachtbares Universum nur der nahe Teil eines größeren Ganzen ist, das als „das Universum“ bezeichnet wird, wo die gleiche Physik gilt. Doch es gibt einige Zeilen beliebter, aber spekulativer Überlegungen, die behaupten, unser Universum wäre Teil eines größeren Multiversums, in dem entweder unterschiedliche Naturkonstanten auftreten, andere physikalische Gesetze gelten, höhere Dimensionen wirken oder in denen es leicht abweichende Versionen unseres Standarduniversums gibt.

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Galaxienhaufengas reißt Loch in die Hintergrundstrahlung

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Bildcredit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), Kitayama et al., NASA/ESA Weltraumteleskop Hubble

Beschreibung: Warum reißt dieser Galaxienhaufen ein Loch in die kosmische Hintergrundstrahlung? Die berühmte Hintergrundstrahlung entstand durch abkühlendes Gas im frühen Universum und dringt durch den Großteil an Gas und Staub im Universum. Sie umgibt uns von allen Seiten.

Große Galaxienhaufen haben genug Gravitation, um sehr heißes Gas zu enthalten – dieses Gas ist heiß genug, um Mikrowellenphotonen in Licht mit deutlich mehr Energie hinaufzuverteilen und so ein Loch in CMB-Karten zu bilden. Dieser sogenannte Sunjajew-Seldowitsch-Effekt hilft seit Jahrzehnten, um neue Information über heißes Gas in Haufen zu bekommen, und man kann damit sogar Galaxienhaufen auf einfache und einheitliche Art und Weise zu entdecken. Hier ist das bisher detailreichste Bild des Sunjajew-Seldowitsch-Effekts: Mithilfe von ALMA wurde die Hintergrundstrahlung vermessen, und mit dem Weltraumteleskop Hubble wurden die Galaxien im massereichen Galaxienhaufen RX J1347.5-1145 abgebildet. Falschfarbenblau zeigt das Licht der Hintergrundstrahlung, und fast jedes gelbliche Objekt ist eine Galaxie. Die Form des SS-Lochs zeigt nicht nur, dass heißes Gas überall im Galaxienhaufen vorhanden ist, sondern auch, dass es überraschend ungleich verteilt ist.

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CMB-Dipol: Durchs Universum rasen

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Bildcredit: DMR, COBE, NASA, Vier-Jahres-Himmelskarte

Beschreibung: Unsere Erde steht nicht still. Die Erde bewegt sich um die Sonne. Die Sonne umrundet das Zentrum der Galaxis. Die Galaxis kreist um die Galaxien der Lokalen Gruppe. Die Lokale Gruppe stürzt auf den Virgo-Galaxienhaufen zu. Doch diese Geschwindigkeiten sind kleiner als jene, mit der sich all diese Objekte zusammen relativ zur kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung (CMBR) bewegen. Auf der oben gezeigten Karte des ganzen Himmels, die mit dem Satelliten COBE erstellt wurde, erscheint die Strahlung aus der Bewegungsrichtung der Erde blauverschoben und daher heißer, während Strahlung aus der gegenüberliegenden Himmelsrichtung rotverschoben und kühler ist. Die Karte lässt darauf schließen, dass sich die Lokale Gruppe relativ zu dieser Ursprungsstrahlung mit etwa 600 Kilometern pro Sekunde bewegt. Diese hohe Geschwindigkeit war unerwartet, und ihre Größe ist immer noch nicht erklärbar. Warum rasen wir so schnell? Was ist da draußen?

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Kosmische Wirbel in der Mikrowellenkarte zeigen Hinweise auf Inflation

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Bildcredit: BICEP2Kollaboration, NSF, Steffen Richter (Harvard)

Beschreibung: Gab es in der Geschichte des Universums einen frühen Zeitabschnitt mit extrem schneller Ausdehnung? Ein solcher inflationärer Zeitraum wurde postuliert, um einige rätselhafte Eigenschaften des Kosmos zu erklären, etwa warum unser Universum in entgegengesetzten Richtungen ähnlich aussieht. Gestern wurden Ergebnisse veröffentlicht, die einen überraschend starken erwarteten Hinweis zeigen, der die Vorhersage der Inflation stützt, nämlich dass es in der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung charakteristische Polarisationsmuster geben sollte. Die Hintergrundstrahlung ist Licht, das vor 13,8 Milliarden Jahren ausgestrahlt wurde, als das Universum erstmals durchsichtig wurde. Diese frühen Wirbelmuster werden als B-Modus-Polarisationen bezeichnet und können direkt auf Druck- und Dehnungseffekte zurückgeführt werden, die Gravitationswellen auf Photonen ausstrahlende Elektronen ausüben. Die überraschenden Ergebnisse wurden in Daten des Mikrowellen-Observatoriums Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization 2 (BICEP2) entdeckt, das in der Nähe des Südpols steht. BICEP2 ist die oben links abgebildete, auf dem Gebäude montierte Schüsselantenne. Beachten Sie, wie im Bildeinschub, der eine Mikrowellen-Himmelskarte zeigt, die schwarzen Polarisationsvektoren um die eingefärbten Temperaturspitzen zu wirbeln scheinen. Obwohl die Schlussfolgerungen statistisch schlüssig sind, werden sie wahrscheinlich umstritten bleiben, während in unabhängigen Beobachtungen nach Bestätigung gesucht wird.

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Planck kartiert den kosmischen Mikrowellenhintergrund

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Bildcredit: Europäische Weltraumagentur ESA, Planck Collaboration

Beschreibung: Woraus besteht unser Universum? Um das herauszufinden, startete die ESA den Satelliten Planck, um leichte Temperaturunterschiede in der ältesten bekannten Oberfläche so detailreich wie nie zuvor zu kartieren – den Hintergrundhimmel, der vor Milliarden Jahren zurückblieb, als unser Universum erstmals für Licht durchlässig wurde. Dieser in alle Richtungen beobachtbare kosmische Mikrowellenhintergrund ist ein komplexer Bildteppich, der die heißen und kalten Muster zeigt, die dort zu beobachten sind, wo das Universum aus spezifischen Arten von Energie besteht, die sich in einer bestimmten Weise entwickelte. Die Ergebnisse, die letzte Woche veröffentlicht wurden, bestätigen erneut, dass ein Großteil unseres Universums hauptsächlich aus geheimnisvoller und fremdartiger Dunkler Energie besteht, und dass sogar ein Großteil der Energie der restlichen Materie seltsam dunkel ist. Außerdem bestimmen die Planck-Daten das Alter des Universums eindrucksvoll mit etwa 13,81 Milliarden Jahren. Damit ist es nur wenig älter als mit zahlreichen anderen Instrumenten abgeschätzt wurde, etwa dem WMAP-Satelliten der NASA. Seine Ausdehnungsrate beträgt 67,3 (+/- 1,2) km/s/Mpc – also etwas weniger als laut früheren Schätzungen. Einige Besonderheiten der obigen Himmelskarte bleiben unbekannt, etwa warum die Temperaturschwankungen auf einer Himmelshälfte etwas größer zu sein scheinen als auf der anderen.

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Film mit Dunkler Materie aus der Bolshoi-Simulation


Video-Credit: A. Klypin (NMSU), J. Primack (UCSC) et al., Chris Henze (NASA Ames), NASA’s Pleiades Supercomputer; Musik (© 2002): Her Knees Deep in Your Mind von Ray Lynch

Beschreibung: Was wäre, wenn Sie durch das Universum fliegen und die Dunkle Materie sehen könnten? Während an der Technologie für einen solchen Flug noch gearbeitet wird, hat die Technik zur Visualisierung solch eines Flugs mit dem Abschluss der der Bolshoi-Kosmologie-Simulation einen großen Schritt vorwärts gemacht. Nach 6 Millionen CPU-Stunden warf der siebtschnellste Supercomputer der Welt viele wissenschaftliche Neuheiten aus, darunter die obige Flugsimulation. Ausgehend von der relativ gleichmäßigen Verteilung der Dunklen Materie im frühen Universum, die anhand des Mikrowellenhintergrundes und anderer großer Himmelsdatensätze feststellbar ist, folgte die Bolshoi-Simulation anhand des kosmologischen Standardmodells der Entwicklung des Universums bis zur oben gezeigten gegenwärtigen Epoche. Die hellen Punkte im obigen Video sind allesamt Knoten aus normalerweise unsichtbarer Dunkler Materie, von denen viele normale Galaxien enthalten. Lange Fasern und Galaxienhaufen, die gravitativ von Dunkler Materie beherrscht werden, werden treten hervor. Statistische Vergleiche zwischen Bolshoi und Himmelskarten aktueller Galaxien weisen eine gute Übereinstimmung auf. Obwohl die Bolshoi-Simulation das Vorhandensein Dunkler Materie stützt, bleiben viele Fragen zu unserem Universum offen, etwa die Zusammensetzung Dunkler Materie, die Natur der Dunklen Energie und wie sich die ersten Sterngenerationen und Galaxien gebildet haben.

Astrophysiker: Suchen Sie in der Astrophysics Source Code Library
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Die kalte CMB-Stelle

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Credit: WMAP Science Team, NASA

Beschreibung: Wie konnte ein Teil des frühen Universums so kalt sein? Niemand weiß das mit Sicherheit, und viele Astronomen glauben nun, dass die kalte Stelle in der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung (CMB) nicht besonders ungewöhnlich ist. Da das frühe Universum sich ausdehnte und abkühlte, wurde es plötzlich und vorhersagbarerweise transparent. Die Photonen, welche aus dieser Epoche zu uns kommen, sind überall um uns herum als CMB zu sehen. Nun ist dieses Strahlungsfeld zwar ziemlich einheitlich, hat aber etwas wärmere und kühlere Stellen, die uns viel über das frühe Universum verraten, das sie geprägt haben könnte. Bis auf vielleicht eine Stelle. Diese kalte CMB-Stelle in der Hintergrundstrahlung auf der oben gezeigten Karte des ganzen Himmels, die von WMAP im Laufe von 7 Jahren erstellt wurde, fiel auf, weil sie möglicherweise zu groß und zu kalt ist um leicht erklärt werden zu können. Unter den veröffentlichten Vermutungen fanden sich spektakuläre Vorläuferhypothesen wie eine riesige Leere, eine kosmische Textur oder sogar eine Quantenverschränkung mit einem Paralleluniversum. Gut möglich ist aber auch, dass man sogar von einem gewöhnlicheren Universum eine solche statistische Eigenart erwarten könnte, daher sagen Erklärungen der kalten CMB-Stelle wie diese vielleicht mehr über die menschliche Phantasie aus als über das frühe Universum.

Haben Sie ihn gesehen? Supermond-Fotogalerie
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Mikrowellenmilchstraße

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Credit: ESA, Planck HFI- und LFI-Arbeitsgruppen

Beschreibung: Die Milchstraße breitet sich von der Kantenperspektive aus gesehen über die Mitte dieser Falschfarben-Ansicht des ganzen Himmels aus. Die ausgedehnte Mikrowellenkarte basiert auf Daten, die im Laufe eines Jahres mit den Instrumenten an Bord der Raumsonde Planck, die den Himmel durchmustert, gewonnen wurden. Die hellen Streifen aus Gas- und Staubwolken entlang der galaktischen Ebene und die riesigen gewölbten Strukturen der Galaxis, die im Mikrowellenenbereich zu sehen sind, sind Hunderte oder Tausende Lichtjahre entfernt, während die gesprenkelten Regionen oben und unten der kosmischen Mikrowellenhintergrundstrahlung (CMB) entsprechen und an die 13.7 Milliarden Lichtjahre entfernt sind. Fluktuationen in der kosmischen Hintergrundstrahlung, die vom Urknall zurückgeblieben sind, entsprechen den Ursprüngen der Strukturen im sich entwickelnden Universum. Die Wissenschaftler von Planck, welche die Mikrowellendaten analysieren, wollen den Anteil der Milchstraße von der Hintergrundstrahlung zu trennen. Damit sollen die Charakteristika der Hintergrundstrahlung am gesamten Himmel untersucht und Informationen über den Aufbau unserer Galaxis, der Milchstraße, gesammelt werden.

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Das uns bekannte Universum


Credit und Bildrechte: American Museum of Natural History

Beschreibung: Wie würde eine Reise durch das uns bekannte Universum aussehen? Um sich das vorstellen zu können produzierte das American Museum of Natural History einen aktuellen Film, der zahlreiche visuelle Höhepunkte einer solchen Reise zeigt. Das Video beginnt auf der Erde im Himalaya, entfernt sich dann dramatisch und zeigt die Satelliten der Erde, die Sonne, das Sonnensystem, die Ausdehnung der ersten Radiosignale der Menschheit, die Milchstraße, nahe gelegene Galaxien, ferne Galaxien und Quasare. Wenn schließlich die ferne Oberfläche des Mikrowellenhintergrundes erreicht ist, wird Strahlung abgebildet, die Milliarden Lichtjahre entfernt abgestrahlt wurde, weniger als eine Million Jahre nach dem Urknall. Jedes Objekt im Video wurde unter Verwendung des Digital Universe Atlas gerendert, der auf den wissenschaftlichen Erkenntnissen von 2009 basiert – dem Jahr, in dem das Video produziert wurde. Der Film hat eine Ähnlichkeit mit dem berühmten Video Zehn hoch, das ein Favorit vieler Weltraumfreunde einer ganzen Generation war.

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CMBR-Dipol: Durchs Universum rasen

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Credit: DMR, COBE, NASA, Four-Year Sky Map

Beschreibung: Unsere Erde steht nicht still. Sie bewegt sich um die Sonne. Die Sonne umkreist die Milchstraße. Die Galaxis kreist in der Lokalen Gruppe. Die Lokale Gruppe stürzt auf den Virgo-Galaxienhaufen zu. Doch all diese Geschwindigkeiten sind kleiner als jene, mit der sich alle diese Objekte zusammen relativ zur kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung (CMBR) bewegen. Auf der obigen Ganzhimmelskarte des Satelliten COBE erscheint die Strahlung aus der Bewegungsrichtung der Erde blauverschoben und daher heißer, während Strahlung auf der anderen Seite des Himmels rotverschoben und kälter ist. Die Karte liefert Hinweise, dass sich die Lokale Gruppe im Verhältnis zu dieser ursprünglichen Strahlung mit etwa 600 Kilometern pro Sekunde bewegt. Diese hohe Geschwindigkeit war zunächst unerwartet, und ihre Größe ist immer noch unerklärlich. Warum bewegen wir uns so schnell? Was ist da draußen?

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