Das Universum ist flach
Ein internationales Forscherteam misst mit Ballonen über der Antarktis das elektromagnetische Echo des Urknalls
Von Christian Buck
Rom — Es ist ein spektakulärer Blick in die Kinderstube des Kosmos, über den Kosmologen aus Italien, Frankreich, Kanada und den USA in der heutigen Ausgabe der Zeitschrift „Nature“ berichten. Das „Boomerang“-Experiment (Balloon Observations Of Millimetric Extragalactic Radiation And Geomagnetics) lieferte das bisher genaueste Bild der kosmischen Mikrowellenstrahlung, die aus den Tiefen des Alls auf die Erde trifft. Der 1965 entdeckte elektromagnetische „Nachhall“ des Urknalls entstand, als das Universum rund 300 000 Jahre alt war (vor ungefähr 15 Milliarden Jahren) und enthält einzigartige Informationen über seine Entstehungsgeschichte und seinen Aufbau.
Besonders interessant für die Kosmologen: Es kommt nicht gleichviel Strahlung aus jeder Richtung, ihre Intensität schwankt minimal, je nachdem, wohin man blickt. Diese Schwankungen sind die Folge von winzigen Inhomogenitäten im frühen Universum — ein in unsere Zeit geretteter Schnappschuss vom Zustand des jungen Weltalls. Hinweise auf solche „Anisotropien“ hatte schon der 1989 gestartete Nasa-Satellit „Cobe“ (Cosmic Background Explorer) geliefert. Das Boomerang-Experiment konnte die Anisotropien jetzt mit höchster Präzision vermessen.
Dazu starteten Wissenschaftler am 29. Dezember 1998 in der Antarktis einen mit Messgeräten bestückten Ballon, der über zehn Tage lang in rund 38 Kilometer Höhe über der Erde schwebte, um Störungen durch die Atmosphäre auszuschließen. Eine vorläufige Analyse der Daten legte das 36-köpfige Wissenschaftlerteam unter Führung der Universität Rom La Sapienza und des California Institute of Technology in Pasadena jetzt vor. Wichtigste Erkenntnis: Das Universum ist „flach“, seine Geometrie folgt den euklidischen Regeln und ist nicht etwa gekrümmt wie auf der Oberfläche einer Kugel — was nach Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie durchaus möglich gewesen wäre.
Ursache ist der besondere Wert der Massen- und Energiedichte des Weltalls, die man aus den Boomerang-Daten relativ genau abschätzen kann. Zudem stützen die Daten „inflationäre“ Modelle über den Anfang des Universums. Die Theorie der Inflation besagt, dass sich das Weltall unmittelbar nach seiner Entstehung für eine winzige Zeitspanne exponentiell ausdehnte, bevor es zu einer langsameren Expansion überging, wie man sie heute beobachtet. So erlaubt die Messung von winzigen Schwankungen in der kosmischen Mikrowellenstrahlung einen Blick auf die großräumige Struktur des Kosmos und die Vorgänge am Anfang der Zeit.
Noch detailliertere Erkenntnisse über die filigranen Muster in der kosmischen Mikrowellenstrahlung werden zwei Nachfolger von „Cobe“ und Boomerang liefern: der Nasa-Satellit „Map“ (Microwave Anisotropy Probe), der im Herbst dieses Jahres ins All fliegen soll, und „Planck“, eine Sonde der Esa, die Anfang 2007 startet. Dann wird das Weltall wieder um ein paar Geheimnisse ärmer sein.
Siehe auch die Forschungsprojekte zur Struktur des Universums
Boomerang
NASA-Experimente zur kosmischen Hintergrundstrahlung
Die ESA zu eben diesem Gebiet
Das COBE-Projekt zur kosmischen hintergrundstrahlung
Bei dieser Art von Artikeln frage ich mich immer, für wen sie eigentlich geschrieben sind.
Die damit befaßten Wissenschaftler bekommen die Information doch ohnehin über Fachzeitschriften.
Für den Rest der einigermaßen intelligenten Bevölkerung sind sie schwer nachvollziehbar, weil wesentliche Informationen fehlen.
Etwa: 1. Weshalb ist die elektromagnetische Strahlung ausgerechnet über der Antarktis meßbar? Vermutlich, weil dort das elektromagnetische Feld der Erde am schwächsten ist?
2. Wie hat man sich diese elektromagnetische Strahlung vorzustellen? Gibt es neben den in dem Artikel genannten quantitativen auch qualitative Unterschiede in der gemessenen elektromagnetischen Strahlung?
3. Weshalb wird überhaupt in erster Linie von einem flachen Universum gesprochen, wenn es ganz grundsätzlich eigentlich um Inhomogenitäten in der elektromagnetischen Strahlung geht?
4. Welche Erklärungsansätze gibt es für eine flache Expansion des Universums?
5. Welchen Zusammenhang gibt es zu Einsteins Relativitätstheorie und aus welchem Grund hätte diese auch ein gekrümmtes Universum möglich gemacht? Wie hat sich ein Laie überhaupt ein gekrümmtes Universum vorzustellen?
(6. Was nützt es uns, das zu wissen??)
Ad 1: Korrekt.
Ad 2: Verstehe die Frage nicht. Es gibt nur ein Frequenzband. Es geht darum, ob die Strahlung einer bestimmten Frequenz aus allen Richtungen in gleicher oder nicht in gleicher Intensität eintritt.
Ad 3: Die Theorie eines flachen Universums sagt eben diese Gleichmäßigkeit voraus. Man kann aus den Ausgangskräften auf die (Nicht-)Homogenität folgern.
Ad 4: Es geht ausschließlich darum, mit welcher Energie das Universum ursprünglich urknallte. Anders gesprochen: Um seine Masse.
Ad 5: Einsteins Relativitätsrtheorie hat bewiesen, daß Raum nicht absolut ist. Hat auch bewiesen, daß Masse Raum krümmt. Dies ist Fakt. Das läßt sich beobachten. Masse krümmt Raum.
Die strittige Frage ist hier bloß, ob dies lokal gilt, oder auch für das Universum im Ganzen.
Diese Frage ist noch nicht entschieden. Dazu müssen noch genauere Messungen außerhalb der Erde durchgeführt werden.
Bis jetzt scheint nur klar, daß der Raum nicht besonders intensiv gekrümmt sein kann. Ob die Planheit im Großen absolut oder nur in Näherung vorliegt, das ist absolut offen.
Ad 6: Letztlich ist die Frage: wie groß war die Ausgangsmasse/energie entscheidend für Dauer & Entwicklungsgang des Universums. Es handelt sich also um eine zentrale Erkenntnisfrage.
Nochmal zu:
Wie hat sich ein Laie überhaupt ein gekrümmtes Universum vorzustellen?
Es gibt gekrümmte Räume ohne Ende.
Letztlich ist ihnen eigen, daß die Gerade nicht die kürzeste Verbindung zwischen zwei Punkten ist.
Dies ist beispielsweise in der Nähe jeder Masse feststellbar, selbst Licht wird abgelenkt. In der Nähe von Gravitationskollapsaren, vulgo Schwarzen Löcher, ist der Raum hinter dem Ereignishorizont geschlossen; nichts kann heraus, aber alles gelangt hinein.
Noch eine Nachfrage: Hätten diese Untersuchungen ergeben, daß das Universum gekrümmt sei, hätte man sich als nächstes die Frage stellen müssen, worum (um welche Masse)?
Worum?
'Um' die Masse des Universums, worum sonst?
Es gibt keinen nackten Raum.
Kürzer: Es gibt keinen Raum. Es gibt bestenfalls Raumzeit, und auch diese wohl nur, wenn Masse/Energie drin ist.
Ich werde die Tage mal ein Extra-Forum zur Relativitätstheorie aufmachen.
Das aber mundgerecht aufzuarbeiten, das wird Arbeit. (So gut bin ich in der Materie auch nicht drin.)
Noch eine Nachfrage: Hätten diese Untersuchungen ergeben, daß das Universum gekrümmt sei, hätte man sich als nächstes die Frage stellen müssen, worum (um welche Masse)?
Darf ich mal in aller Bescheidenheit fragen, liebe Annette, was Du hier eigentlich fragst?
Du darfst. Allein ich verstehe die Frage nicht.
Pardon, ich verstehe sie wohl doch.
Mein Gedanke war, daß das Universum sich z.B. auch um ein anderes Universum krümmen könnte.
Nein. Dann wären es nicht zwei, sondern nur eines.
Annette: Mein Gedanke war, daß das Universum sich z.B. auch um ein anderes Universum krümmen könnte.
Krümmen .... Hmm vielleicht zu räumlich gedacht, aber eingebettet in eine weitere Dimension oder auch mehr??? Warum nicht Alexander? Strings sind doch als Modell auch erst in der 7(?) Dimension mathematisch stabil?
Betreff der Masse: Sind die Wissenschaftler nicht am Rätseln ob nicht die Neutrinos die "gesuchte" Masse im Universum sein könnten...? -Also jetzt wieder in Bezug auf die Relativitätstheorie.
(Soweit ich das verstanden habe hat Einstein in seiner Theorie eine bestimmte Masse errechnet die im Universum sein müßte, nur fanden die Wissenschaftler nicht genügend Materie.)
Zu dem o. a. Artikel: wie kann man sich -räumlich, als Laie, ein flaches Universum vorstellen?
Ne, Pete.
Die Frage ist bloß, ob Neutrinos Masse haben. Also Higgs-Teilchen beinhalten.
Wenn Du ein flaches Universum sehen willst, guck aus dem Fenster. Genau das ist gemeint. Erst die Krümmung macht die Sache unanschaulich.
Pete,
Sind die Wissenschaftler nicht am Rätseln ob nicht die Neutrinos die "gesuchte" Masse im Universum sein könnten...?
Es gibt durchaus hinweise darauf, daß sich verschiedene Neutrinoarten ineinander umwandeln können und daß dabei aus Spezies im Spiel sind, die Masse haben. Die entsprechenden Messungen haben bislang aber noch eine zu große Unsicherheit um endgültige Urteile zu fällen.
Davon abgesehen braucht man möglicherweise weder schwere Neutrinos, noch eine völlig unbekannte Art der Materie um die fehlende Masse des Universums zu erklären. Die Astronomen finden nämlich ständig neue Objekte, die zwar Masse haben aber nicht leuchten. Entegegen früheren Annahmen könnten die Sterne im Reich der Himmelskörper derart in der Minderheit sein daß sich der größte Teil der gewöhnlichen Materie auf MACHO-Objekte und schwarze Löcher verteilt und die ominöse dunkle Materie weit weniger als 90% des Universums ausmacht oder überhaupt nicht vorhanden ist.
wie kann man sich -räumlich, als Laie, ein flaches Universum vorstellen?
Um solche Frage so zu beantworten, daß es auch normale Menschen verstehen, haben sich die Mathematiker Flachmenschen ausgedacht, die nur zwei Dimensionen kennen. Wenn deren Universum flach ist, dann bewegen sie sich in einer gewöhnlichen Ebene. Wenn man sie allerdings auf einen Kugeloberfläche klebt, dann befinden sie sich in einem gekrümmten Universum.
Das schöne an der Sache ist nun, daß die Flachmenschen nicht nur messen können, daß ihre Welt gekrümmt ist, sondern sie können sogar feststellen, daß es sich um eine Kugel handelt und wie groß diese Kugel ist. Dazu müssen sie nichts weiter tun, als die Innenwinkelsummen von Dreiecken zu messen. Die ist auf einer Kugel nämlich größer als 180°.
Auf ähnliche Weise kann man auch die Krümmung des Universums messen, wobei man bislang festgestellt hat, daß keine Krümmung da ist.
Dunkle Materie
Mit dem Hubble Space Telescope ist es gelungen, Aufnahmen von zwei Galaxien zu machen, die sich gegenseitig verdecken. Dabei absorbiert die im Vordergrund liegende Galaxie mehr Licht als erwartet, was den Schluß zuläßt, daß Galaxien mehr Staub enthalten, als bisher angenommen. Zu den bislang favorisierten konventionellen Formen dunkler Materie wie MACHOS und mittelschweren schwarzen Löchern gesellt sich nun auch gewöhnlicher Dreck sowie Sterne, die sich in diesem Dreck verstecken. Wenn das so weitergeht, dann bleibt nicht mehr viel Masse für exotische Formen dunkler Materie übrig.
In die gleiche Kerbe:
Doppelt soviel normale Materie, wie gedacht?
Perry Rhodan bestätigt?
Antigravitation ist wieder schwer im Kommen.
Ich dachte die Existenz einer von 0 verschiedenen kosmologischen Konstante galt bereits vorher als erwiesen.
Wie sollte die bewiesen sein?
Durch die meßbare beschleunigte Ausdehnung des Universums. Diese wurde zwar tatsächlich anhand der Leuchtdichten entfernter Supernovae bestimmt, allerdings nicht erst jetzt, sondern schon vor drei Jahren: http://www.astronomie.de/news/0000003.htm