„Planck“ stellt Einstein auf die Probe
5. März 2015
Grafik: ESA and the Planck Collaboration
Bei der Auswertung von Daten der „Planck“-Satellitenmission der Europäischen Raumfahrtbehörde (ESA) haben Forscher unter Beteiligung von Physikern der Universität Heidelberg neue Erkenntnisse zur dunklen Energie und der Gravitationstheorie gewonnen. Ihre Ergebnisse zeigen, dass das Standardmodell der Kosmologie immer noch eine sehr gute Beschreibung des Universums ist. Kombiniert man die von Planck gelieferten Daten jedoch mit anderen astronomischen Beobachtungen, so ergeben sich einige Abweichungen. Ob diese durch Messunsicherheiten oder durch bisher unentdeckte physikalische Zusammenhänge zu erklären sind, die auch Einsteins Gravitationstheorie in Frage stellen würden, müssen weitere Untersuchungen zeigen. Die Auswertung der Planck-Daten geben daher wichtige Impulse für den Forschungsgegenstand zukünftiger Weltraummissionen.
Der ESA-Satellit Planck hat von 2009 bis 2013 Messungen des sogenannten kosmischen Mikrowellenhintergrundes durchgeführt. Dabei handelt es sich um eine Strahlung, die vor etwa 13 Milliarden Jahren entstanden ist, etwa 380.000 Jahre nach dem Urknall. Aufgrund der Expansion des Universums ist dieses Licht heute über den gesamten Himmel verteilt auf Mikrowellenlängen zu sehen. Von 2009 bis 2013 hat Planck mehrere komplette Himmelskarten dieses urzeitlichen Lichtes in bisher unerreichter Genauigkeit erstellt. Nun wurden mehrere Forschungsarbeiten zu den Planck-Daten veröffentlicht. Eine dieser Studien entstand unter Beteiligung der Forschungsgruppe Kosmologie am Institut für Theoretische Physik (ITP) der Universität Heidelberg.
„Wenn man die kosmische Mikrowellenstrahlung präzise misst, so finden sich in ihr winzige Temperaturunterschiede. Auf einer Himmelskarte sehen diese Temperaturschwankungen wie kleine Flecken aus: Jeder Fleck ist ein Gebiet mit etwas höherer oder niedrigerer Temperatur“, erklärt Dr. Valeria Pettorino, Nachwuchsgruppenleiterin am ITP. Nach bisherigen Erkenntnissen lässt sich das Universum in seiner Entwicklung seit dem Urknall mit nur sechs Parametern relativ genau beschreiben – mit dem sogenannten Standardmodell der Kosmologie. Mit Hilfe der Temperaturdifferenzen des kosmischen Mikrowellenhintergrundes können Wissenschaftler diese Parameter recht genau bestimmen. Einer von ihnen beschreibt die sogenannte Dunkle Energie, die rund 70 Prozent der Gesamtenergie des Universums ausmacht und für seine beschleunigte Ausdehnung verantwortlich ist.
Die Erforschung der Dunklen Energie steht noch am Anfang – zwar zeigen die Daten des kosmischen Mikrowellenhintergrundes, dass sie erforderlich ist, doch es ist bisher noch unklar, woraus sie besteht. Die Planck-Forscher haben mit den neuesten Daten des Satelliten verschiedene Theorien auf den Prüfstand gestellt, die die Dunkle Energie einbeziehen und von einer modifizierten Gravitation ausgehen – und damit von der Gravitationstheorie, wie sie in Albert Einsteins Relativitätstheorie formuliert ist, abweichen. Sie nutzten dazu ein breites Methodenspektrum und bezogen auch Daten aus anderen Messungen ein. Diese umfassten unter anderem Baryonische Akustische Oszillationen, das sind Dichtewellen aus dem frühen Universum, lokale Messungen der Hubble-Konstante, die die Ausbreitungsrate des Universums zum heutigen Zeitpunkt beschreibt, sowie eine bestimmte Gruppe von Supernovae, also explosiv aufleuchtenden Sternen.
Aus den Planck-Daten konnten die Wissenschaftler ermitteln, wie viel Dunkle Energie es in der Vergangenheit gegeben haben muss. „Überraschenderweise war die Menge dieser ‚Frühen Dunklen Energie’ deutlich geringer, als wir erwartet hatten: Bisher hat man angenommen, dass die Dunkle Energie maximal ein Prozent der gesamten Energie zum Zeitpunkt der Freisetzung der Mikrowellenhintergrundstrahlung ausmacht. Die neuen Planck-Ergebnisse zeigen jedoch, dass es höchstens 0,4 Prozent gewesen sein können“, erklärt Dr. Pettorino. „Für die theoretischen Modelle der Dunklen Energie, die eine deutlich größere Energiemenge für das frühe Universum vorhergesagt haben, ist das ein großes Problem“, ergänzt Dr. Matteo Martinelli, Postdoktorand am ITP.
Darüber hinaus hat die Analyse der Planck-Daten gezeigt, dass sich auch kleine Störungen der Schwerkraft selbst zeigen, die sich nicht ganz mit dem Standardmodell der Kosmologie vereinbaren lassen. Auch wenn diese Abweichungen nur gering sind und mit dem jeweils untersuchten Datensatz variieren, machen sie weitere Tests und Untersuchungen mit anderen Datensätzen erforderlich. „So könnten wir herausfinden, ob es sich tatsächlich um Abweichungen von Einsteins Gravitationsgesetz handelt, die eine Neuformulierung erforderlich machen würden“, so Valeria Pettorino. Nach den Worten der Physikerin sind die Auswertungen richtungsweisend für die kosmologische Forschung zu Dunkler Energie und Gravitation. Auch im Hinblick auf kommende Satelliten-Missionen, etwa die von ESA und NASA für 2020 geplante Mission „Euclid“, können sie wichtige Impulse geben. An dieser Mission sind die astronomischen Institute der Universität Heidelberg ebenfalls wieder maßgeblich beteiligt.
