Ein schöneres Jubiläumsgeschenk hätten sich Kosmologen nicht vorstellen können: Fast 50 Jahre nach dem ersten Nachweis des Urknallechos – einem schwachen Glimmen von langwelligen Photonen, bekannt als kosmischer Mikrowellenhintergrund (cosmic microwave background, CMB) – wird die Forschgemeinde erneut überrascht, von dem womöglich letzten großen Geheimnis dieser Strahlung.

Am 17. März verkündeten Astronomen, dass ein Mikrowellendetektor am Südpol die ersten Signale von primordialen 'B-Moden' erfasst habe: schwache, wirbelartige Muster im kosmischen Mikrowellenhintergrund, die in der Frühphase des Universums aufgeprägt wurden. Man feierte das Resultat als direkten Beleg für Gravitationswellen – Erschütterungen der Raumzeit –, die wenige Sekundenbruchteile nach dem Urknall bei einer plötzlichen "Inflation" des Universums entstanden.

Doch ist das gemessene Signal echt? Diese Frage löste einen regelrechten Wetteifer unter Forschergruppen aus, die ihre Teleskope am Boden, im Weltall oder an Ballons gehängt betreiben. "Es geht nun darum, das Ergebnis zu bestätigen", sagt Amber Miller von der Columbia University in New York City.

BICEP2-Gebäude
© Glenn Grant, National Science Foundation
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Auf dem Dach des blauen Gebäudes ist BICEP2 (Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization) montiert. Mit ihm untersuchen die Forscher die Polarisation der kosmischen Hintergrundstrahlung. Die große trichterartige Öffnung dient dem Schutz vor irdischer Störstrahlung. Das eigentliche Teleskop sitzt im Zentrum des Trichters und ist hier noch nicht montiert. Rechts ist das South Pole Telescope mit seinem Spiegel von zehn Meter Durchmesser zu sehen. Die ganze Anlage wurde rund 500 Meter abseits der Amundsen-Scott-Station in der Antarktis errichtet und dient der Erforschung des kosmischen Mikrowellenhintergrunds.

Sollten sich die Ergebnisse als richtig erweisen, ließe sich ein neuer Zweig in der Astronomie etablieren – die B-Moden-Astronomie. Wissenschaftler wollen die Muster im Mikrowellenhintergrund dabei umfassender und präziser vermessen. Mit Hilfe solcher Daten hoffen sie nicht nur, die ersten Momente des Universums besser zu verstehen, sondern auch, wie sich die ersten Galaxien nach dem Urknall formten und in Galaxienhaufen zusammenfanden. Die B-Moden könnten auch etwas über die Natur von bisher geheimnisvollen Bestandteilen des Kosmos verraten, etwa über Dunkle Materie und Dunkle Energie, die Form und Schicksal des Universums festlegen.

"Der Mikrowellenhintergrund ermöglicht uns bei Weitem den besten Zugang zum frühen Universum", sagt George Efstathiou von der University of Cambridge in Großbritannien. Eine neue Ära der B-Moden-Astronomie ist allerdings keineswegs besiegelt. Die finanziellen Mittel sind knapp, die laufenden Beobachtungen sind untereinander nicht gut abgestimmt und die verfügbaren Instrumente begrenzt. Zudem müssen Theoretiker erst noch genauer bestimmen, was die neuen Muster im Mikrowellenhintergrund verraten können. Selbst als Wissenschaftler die diesjährige Entdeckung feierten, sorgten sie sich über die Zukunft ihres Forschungsfelds. Entscheidungen in den kommenden Monaten werden zeigen, ob Astronomen die wissenschaftlichen Verheißungen dieses neuen Beobachtungsfensters in den nächsten zehn oder mehr Jahren tatsächlich verwirklichen können.

Die Anfänge

Die Entdeckung des Mikrowellenhintergrunds war ein glücklicher Zufall: Die beiden Astronomen Arno Penzias und Robert Wilson von den Bell Labs in Holmdel, New Jersey, kartierten gerade die Radioemissionen aus der Milchstraße, als sie am 20. Mai 1964 ein schwaches Signal bemerkten, das aus allen Himmelsrichtungen zu kommen schien. Penzias und Wilson vermuteten zunächst, es handele sich um ein Störsignal, das von irgendeiner Quelle auf der Erde stammte. Erst ein Gespräch mit einem Kollegen ließ sie zu dem Schluss kommen, dass die Strahlung nicht irdischen, sondern kosmischen Ursprungs war.

Theoretiker, so erfuhren sie, hatten ein derartiges Signal bereits lange vorhergesagt: Es galt als starker Beleg für die Urknalltheorie, wonach das Universum vor Milliarden von Jahren explosionsartig aus einem winzigen Punkt hervorging, anstatt seit eh und je in einem unveränderlichen, stationären Zustand zu verharren. Durch den Nachweis des Mikrowellenhintergrunds hatten Penzias und Wilson bestätigt, dass das Universum einst viel heißer war als heute. Die von ihnen aufgefangenen Photonen traten ihre Reise rund 380 000 Jahre nach dem Urknall an. Der junge, expandierende Kosmos hatte sich damals gerade so weit abgekühlt, dass sich Elektronen und Protonen zu Wasserstoffatomen vereinen konnten. Seither rasen die Photonen durch das Weltall und mit ihnen eine Momentaufnahme des Universums zu jenem Augenblick, in dem sie freigesetzt wurden.

50 Jahre kosmische Hintergrundstrahlung
© 1964, NASA; 1990, NASA/COBE Science team; 1992, NASA; 1999, BOOMERANG/NASA/NSF
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Ein halbes Jahrhundert nach ihrer Entdeckung bleibt die kosmischen Hintergrundstrahlung der beste Ansatzpunkt zur Untersuchung des jungen Universums.

1990 bestimmte man mit dem Satelliten Cosmic Background Explorer (COBE) der NASA erstmals präzise die Temperatur des Mikrowellenhintergrunds: 2,725 Grad über dem absoluten Nullpunkt. Da der Messwert in allen Himmelsrichtungen gleich ausfiel, musste das heiße Gas im frühen Universum ziemlich einheitlich gewesen sein [1].

Doch schon bald wurde klar, dass die Hintergrundstrahlung nicht vollkommen homogen ist. Ihre Temperatur variiert am Himmel um etwa 0,01 Promille, stellten Wissenschaftler der COBE-Mission 1992 fest [2]. Und diese kleinen "Anisotropien" liefern bedeutende Informationen über die Entwicklung des Universums. Die heißen und kalten Flecken spiegeln kleine Variationen in der Dichte des urzeitlichen Gases wider – zu jenem Moment als die Photonen des Mikrowellenhintergrunds ausgesendet wurden. Die Schwerkraft ließ diese Schwankungen später anwachsen, nehmen die meisten Kosmologen an, und es entstanden dichtere Regionen, aus denen schließlich Galaxien und Galaxienhaufen hervorgingen.

Der Fund dieser Anisotropien inspirierte auch Theoretiker, erinnert sich Marc Kamionkowski von der Johns Hopkins University in Baltimore, Maryland. So deckten sie auf, dass die warmen und kalten Flecken im Mikrowellenhintergrund charakteristische Größen aufweisen, festgelegt durch ausgedehnte Dichtewellen, die durch den frühen Kosmos hallten – ähnlich wie die Obertöne in einer Geige. Anhand dieser dominanten Frequenzen oder akustischen Peaks in der Hintergrundstrahlung können Astronomen viele physikalische Eigenschaften des Universums ableiten. Das größte Maximum – analog zum lautesten Oberton – findet sich beispielsweise auf Winkelskalen von rund einem Grad, das entspricht am Himmel etwa dem doppelten Durchmesser des Vollmondes. Genau dieses Muster würde man erwarten, wenn das expandierende Universum geometrisch flach wäre. In einem solchen Weltall würden sich parallele Lichtstrahlen niemals treffen. Aus der Lage und relativen Stärke des zweiten Maximums, bei etwa 0,4 Grad, konnten Astronomen schließen, dass die gewöhnliche Materie – wie man sie in Atomen, Planeten und Sternen findet – weniger als fünf Prozent der gesamten Materie beziehungsweise Energie im Kosmos ausmacht. Den Rest stellen unsichtbare Dunkle Materie und Dunkle Energie.

Polarisationsmuster

Vor zehn Jahren machte die Erforschung des Mikrowellenhindergrunds einen großen Schritt nach vorne. Detektoren waren inzwischen empfindlich genug, um die Polarisation der Strahlung zu messen – also die Schwingungsrichtung der Photonen, die aus allen Himmelsrichtungen auf die Erde treffen. Diese Polarisation geht auf die Streuung der Photonen an freien Elektronen im kosmischen Plasma zurück und sie zu messen, versprach einen großen wissenschaftlichen Nutzen: Eine Komponente, die wirbelartigen B-Moden, könnte den ersten direkten Beleg dafür liefern, dass das Universum eine extreme Inflation durchlebte, als es gerade einmal 10-36 bis 10-32 Sekunden alt war. Theoretiker hatten dieses Konzept in den frühen 1980er Jahren entwickelt, um zu erklären, warum das Universum sowohl auf den größten Skalen gleichförmig als auch geometrisch flach ist [3]. Die hyperschnelle Expansion – in der das Weltall um mindestens das 1026-Fache anwuchs – sollte die meisten Anomalien verwischt und jede Krümmung geglättet haben. Bei den wenigen verbleibenden Abweichungen – heute erkennbar als Anisotropien im Mikrowellenhindergrund – handelt es sich um enorm vergrößerte Dichtschwankungen, die auf Quantenfluktuationen zurückgehen.

Ballon-Detektor BOOMERANG
© ESA / Planck Collaboration
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Der auf einer Ballon-Gondel installierte Detektor BOOMERANG hat 1999 Temperaturfluktuationen im kosmischen Mikrowellenhintergrund gemessen.

Der erste Nachweis von B-Moden gelang 2013, wobei die Messungen noch auf einen kleinen Winkelbereich begrenzt waren und Gravitationsfelder von Galaxien – die der Mikrowellenhintergrund durchquerte – die Polarisationsmuster verzerrten [4, 5]. Der eigentliche Erfolg stellte sich dann im März 2014 ein: Astronomen am Detektor BICEP2 am Südpol verkündeten, B-Moden auf Winkelskalen von etwa einem Grad gemessen zu haben. Dieser Himmelsbereich sei groß genug, um störende Signale von Galaxien zu vermeiden und ursprüngliche Polarisationsmuster zu untersuchen – wie eben B-Moden, die von Gravitationswellen aus der inflationären Phase hervorgerufen wurden [6].

Nach so vielen Jahren der Suche sorgten die BICEP2-Ergebnisse für eine große Euphorie unter den Kosmologen. "Sie lösten einen wahren Adrenalinschub aus", berichtet Shaul Hanany von der University of Minnesota in Minneapolis. Doch die sensationellen Resultate brachten nicht nur Begeisterung mit sich, sondern stellen die Forscher auch vor ein Problem. Denn die von BICEP2 detektierten Muster fallen deutlich stärker aus als von den meisten kosmologischen Modellen vorhergesagt. Und sie stimmen nicht mit Daten des inzwischen abgeschalteten Planck-Satelliten der Europäischen Weltraumorganisation überein: Den nun gemessenen Signalen zufolge sollten Gravitationswellen die Temperaturschwankungen im Mikrowellenhindergrund stärker beeinflusst haben, als von Planck erwartet. "Das Ergebnis von BICEP2 war ein kleiner Schock für mich", sagt Efstathiou, Mitglied des Planck-Teams. "Ich denke, es ist noch nicht das letzte Wort darüber gesprochen", was es bedeutet und ob es überhaupt echt ist.

Denn womöglich haben Prozesse innerhalb der Milchstraße das nun gemessene Signal einfach nur vorgetäuscht, bemerken Kritiker. Streuen Mikrowellen beispielsweise am galaktischen Staub, können sie ein ähnliches Polarisationsmuster aufweisen. Tatsächlich kommen zwei unabhängige Arbeiten zu dem Schluss, dass die Forscher bei BICEP2 diese Effekte nicht korrekt in ihrer Analyse berücksichtigten. Einem Team um Raphael Flauger von der New York University und dem Institute for Advanced Study in Princeton zufolge unterschätzten sie schlichtweg die durch Staub verursachte Polarisation. So würde eine im Mai vom Planck-Team veröffentlichte Himmelskarte einen höheren Staubanteil in der untersuchten Region nahelegen, als bei der BICEP2-Analyse angenommen. Würde man diesen Vordergrundeffekt vollständig erfassen, würde das im März vorgestellte Signal entweder verschwinden oder fiele deutlich schwächer aus.

Der Planck-Satellit
© ESA
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Mit dem Planck-Satellit gelingen die genauesten Messungen der kosmischen Mikrowellenstrahlung aus dem Orbit.

In einer anderen Studie untersuchten Uroš Seljak und Michael Mortonson von der University of California in Berkeley die vom BICEP2-Team analysierten Daten erneut. Dabei schauten sie, wie sich das Polarisationssignal, verursacht durch Staub, den Gravitationslinseneffekt – Lichtstrahlen werden hierbei durch massereiche Objekte im Weltall ablenkt – oder eben frühzeitliche Gravitationswellen, auf unterschiedlichen Winkelskalen und Frequenzen verändert. Auch sie kommen zu dem Ergebnis, dass die Signale wohl eher auf Staub als auf primordiale Gravitationswellen zurückgehen.

Eine endgültige Entscheidung erwarten die Forscher aber frühestens, wenn noch detailreichere Karten des galaktischen Staubs vorliegen – im Oktober sollen entsprechende Messungen vom Planck-Satelliten veröffentlicht werden. Planck erfasste einen breiteren Frequenzbereich als erdgebundene oder Ballonexperimente, denn diese sind auf die schmalen Frequenzbänder beschränkt, die der Wasserdampf in der Atmosphäre nicht absorbiert. Mit Hilfe der neuen Daten werden Astronomen die durch unsere Galaxie verursachte Polarisation viel zuverlässiger herausrechnen können. Zudem hatte man mit Planck einen freien Blick auf den Himmel. Von einem Standort auf der Erde lässt sich dagegen jeweils nur ein begrenzter Ausschnitt betrachten.

Auch mehrere Experimente in der Antarktis und Chile versuchen, die Ergebnisse zu bestätigen. Mitglieder des BICEP2-Teams arbeiten schon an zwei neuen Teleskopen am Südpol: Das bereits einsatzfähige Keck-Array verfügt über fünfmal so viele Detektoren wie BICEP2 und deckt zwei Frequenzbänder ab. Bei dem anderen, genannt BICEP3, handelt es sich um eine verbesserte Version des vorherigen Detektors, der ab Dezember 2014 die ersten Daten aufnehmen soll. Ein oder zwei von den USA finanzierte Ballonexperimente starten eventuell auch noch in diesem Jahr von der McMurdo-Station in der Antarktis; im vergangenen Jahr musste man Flüge auf Grund des lahmgelegten US-Haushalts streichen.

Kann Planck die BICEP2-Ergebnisse tatsächlich bestätigen, fliegen die Champagnerkorken. Wenn nicht, müssen Kosmologen die Abweichung erklären – und das dürfte sie vor eine ziemliche Herausforderung stellen. Um nur ein Beispiel zu nennen: Gravitationswellen, die so stark sind wie die von BICEP2 aufgezeichneten, sollten sich merklich auf die akustischen Peaks auswirken – die bisher verfügbaren Planck-Daten liefern darauf jedoch keine Hinweise.

"Wie lässt sich das in Einklang bringen?", fragt Efstathiou. Die bisher vorgebrachten Ideen wirken konstruiert, so der Kosmologe. Kamionkowski ist da optimistischer, und empfiehlt Geduld. "Vielleicht werden Jahre vergehen bis wir wirklich wissen, was die vielversprechendsten Modelle sind und wie man diese erkennt."

Experimente der nächsten Generation

Bis dahin konzentrieren sich die meisten Wissenschaftler darauf, den Nachweis von B-Moden zu optimieren. Viele Theorien beschreiben den Ablauf der Inflation beispielsweise sehr genau und jede von ihnen macht spezifische Aussagen darüber, wie die primordialen B-Moden über den Himmel verteilt sein müssten. Wären Astronomen in der Lage, die B-Moden auch auf den größten Winkelskalen zu messen, ließen sich offensichtlich falsche Theorien aussortieren.

Auf kleineren Winkelskalen werden die B-Moden dadurch beeinflusst, wie sich die Masse im Universum verteilt und wie ausgedehnte Galaxienhaufen im Lauf der Zeit anwuchsen. Mit Hilfe eines solchen Signals dürften sich bisher schwer fassbare kosmologische Unbekannte weiter eingrenzen lassen, einschließlich Dunkler Energie – jener geheimnisvollen Kraft, durch die sich die Expansion des Universums beschleunigt – sowie Dunkler Materie, die immerhin mehr als 80 Prozent der Materie im Weltall stellt.

Ein Abgleich der kartierten B-Moden mit der Verteilung von Wasserstoff im Universum könnte dagegen Auskunft über eine Phase geben, in der die ersten Sterne und Galaxien ihre ionisierende Strahlung anknipsten. In jener Epoche auftretende Elektronenstreuung sollte ihren Fingerabdruck in der untersuchten Polarisationskomponente des Mikrowellenhindergrunds hinterlassen haben.

Die Zukunft der Forschung wird aber nicht zuletzt durch die begrenzten finanziellen Mittel eingeschränkt. Pläne für einen britischen Konkurrenten zu BICEP2 wurden 2009 aus finanziellen Gründen gestrichen, da der Geldgeber bereits Mühe hatte, seinen Verpflichtungen gegenüber internationalen Organisationen wie dem Forschungszentrum CERN in der Schweiz nachzukommen. Unterdessen verlagerte Europa als Ganzes sein Forschungsprogramm zum Mikrowellenhintergrund nahezu ausschließlich auf Planck – eine Entscheidung, die Efstathiou als "großen Fehler" bezeichnet. Ohne Folgemission in der Pipeline und wenig Aktivitäten an erdgebundenen Teleskopen besteht die Sorge, dass Hunderte von Postdocs und Studenten zu neuen Fachgebieten wechseln, sobald das Forschungsprogramm endet.

Was die Forschungsförderung in den Vereinigten Staaten angeht, fällt die Erforschung des Mikrowellenhintergrunds durch das gängige Raster: Bei der NASA konkurrieren die Weltraum- und Ballonprojekte mit Missionen zur Planetenerforschung und Röntgenastronomie, und beim Department of Energy (DOE) und bei der National Science Foundation (NSF) wetteifern erdgebundene Detektoren gegen Teilchenphysikexperimente. Gemeinnützige Spenden von Stiftungen wie der Keck oder Simons Foundation helfen dabei, die Lücke zu schließen.

Als möglichen Ausweg schlagen einige Astronomen vor, die Zahl erdgebundener Experimente mit ähnlichen Zielen zu reduzieren. Kritiker bringen vor, dass solche erdgebundenen Experimente ihre Daten kaum untereinander austauschen, was die Forderung nach weiteren Projekten untergräbt. Die meisten wissenschaftlichen Weltraummissionen sind dazu verpflichtet, ihre Daten öffentlich zugänglich zu machen, sagt Jean-Loup Puget von der Université Paris-Sud. "Das sollte auch bei erdgebundenen Experimenten so sein", meint der Astronom und Projektleiter bei der Planck-Mission.

Die erdgebundenen Experimente seien kostengünstig und eine gewisse Vielfalt sei gut für das Forschungsgebiet, argumentieren wiederum andere Forscher. In einer Sache sind sich aber alle einig: Es bedarf zwingend einer weiteren Weltraummission zur Erforschung des Mikrowellenhintergrunds. Bemühungen sind bereits im Gang, damit es irgendwann nach 2020 losgehen kann.

Es verspricht allerdings ein mühsames Unterfangen zu werden. Im "Decadal Survey" der NASA von 2010 schaffte es kein CMB-Satellit auf die oberen Ränge der Prioritätenliste. Und diese von der Forschergemeinde durchgeführte Bewertung legt immerhin wissenschaftliche Schwerpunkte für die Auswahl künftiger Missionen fest. Eine Passage in dem Bericht empfiehlt jedoch eine zusätzliche Begutachtung, für den Fall, dass B-Moden entdeckt würden. Nach BICEP2 fordert die CMB-Forschergemeinde in den USA – mit Hanany und Jamie Bock vom Jet Propulsion Laboratory im kalifornischen Pasadena an der Spitze –, dass der wissenschaftliche Nutzen für eine solche Mission erneut geprüft und Geld von bestehenden, aber sich verzögernden Missionen umverteilt werden muss.

Ein Zusammenschluss von Experimentalphysikern aus den USA regt einen Nachfolger für das gegenwärtige South Pole Telescope sowie das Atacama Cosmology Telescope an. Das als CMB-S4 bezeichnete Experiment soll über Hunderttausende von Detektoren verfügen und könnte nach 2020 betriebsbereit sein – vorausgesetzt, man räumt ihm in einem Begutachtungsverfahren für Teilchenphysikexperimente, das derzeit von der DOE und dem NSF durchgeführt wird, eine hohe Priorität ein. Ballonexperimente könnten auch eine Rolle spielen. "Ein stimmiges wissenschaftliches Programm ist garantiert", sagt Hanany.

Auch die Europäische Weltraumorganisation hat sich bisher noch nicht auf einen Planck-Nachfolger mit höherer Auflösung festgelegt. Derzeit bastelt man an einer überarbeiteten Mission für die nächste Ausschreibungsrunde. Falls erfolgreich, könnte sie Mitte der 2020er Jahre starten.

Solche komplexen Vorhaben seien teuer und schwierig zu realisieren, sagt Efstathiou. "Halte es einfach" lautet jetzt sein Motto. Ihm schwebt eine kleine Mission vor, die sich ausschließlich der Beobachtung von B-Moden auf großen Winkelskalen widmet und damit allein auf die Signatur von Gravitationswellen abzielt. Faktisch wäre es also ein BICEP2-Experiment im Weltall, sagt Peter Ade von der Cardiff University in Großbritannien, der Detektoren sowohl für erdgebundene Experimente als auch für Planck entwickelte. Die Technik ist ausgereift und ihm zufolge könnte eine solche Mission bereits in fünf Jahren startklar sein.

Bei dem Satelliten LiteBIRD könnte es sich um genau so eine Mission handeln. Den Antrag dazu stellen Physiker aus Japan, zusammen mit Experimentalphysikern aus den Vereinigten Staaten, Deutschland und Kanada. Würde das Vorhaben mit rund 100 Millionen US-Dollar finanziert, könnte es in den frühen 2020er Jahren losgehen. In der Zwischenzeit entwickeln die Forscher eine erdgebundene Version des Experiments, genannt GroundBIRD.

Trotz dieser ungewissen Zukunft geben sich die CMB-Wissenschaftler optimistisch. "Die Natur meint es gut mit uns, erlaubt sie uns doch dieses klare Bild vom frühen Universum", so Efstathiou. "Diesen Umstand sollten wir ausnutzen, so gut wir können."