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Kosmologie: Hintergrundstrahlung belegt Standardmodell

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Aus allen Richtungen des Weltalls trifft die kosmische Hintergrundstrahlung auf die Erde. Nur rund 380 000 Jahre nach dem Urknall entkoppelte sie sich von der Materie und liefert den Wissenschaftlern damit ein detailreiches Abbild des jungen Kosmos. Nick Hand von der University of California in Berkeley und seine Kollegen nutzten das Urknallecho nun jedoch für andere Zwecke: Sie leiteten daraus die Bewegung von Galaxienhaufen ab und fanden so einen unabhängigen Beleg für das Standardmodell der Kosmologie.

Auf dem Weg zur Erde treffen die Photonen der kosmischen Hintergrundstrahlung auf Materieansammlungen im lokalen Universum, wodurch das ursprünglich aufgeprägte Muster leicht verzerrt wird. So streuen die Lichtteilchen unter anderem inelastisch an freien Elektronen, die sich in ionisierten Gaswolken zwischen den Mitgliedern von Galaxienhaufen befinden. Infolgedessen nehmen sie im Mittel etwas Energie auf und weisen somit eine höhere Frequenz auf als zuvor. Bewegt sich so eine Gaswolke – oder vielmehr der gesamte Galaxienhaufen – auf uns zu oder aber von uns weg, sollten die Wellenlängen der hier gestreuten Hintergrundphotonen zudem kollektiv gestaucht beziehungsweise gestreckt werden. Diesen so genannten kinematischen Sunjajew-Seldowitsch-Effekt konnten Hand und sein Team nun erstmals beobachten.

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Kosmischer Mikrowellenhintergrund | Diese Himmelskarte zeigt die Schwankungen in der kosmischen Hintergrundstrahlung, wie sie der Satellit WMAP vermessen hat. Aus den grünen Bereichen treffen Photonen mit der mittleren Energie ein, energieärmere aus blauen und energiereichere aus gelben und roten Regionen.

Dafür nutzen sie hoch aufgelöste Himmelskarten vom Mikrowellenhintergrund, aufgenommen vom Atacama Cosmology Telescope, sowie einen umfangreichen Galaxienkatalog, erstellt durch den Baryon Oscillation Spectroscopic Survey. In den Daten suchten sie nach Spuren von jeweils zwei benachbarten Galaxienhaufen, die sich gegenseitig anziehen. In diesem Fall würde sich der entferntere der beiden in unsere Richtung bewegen, während sich der uns nähere von uns entfernt – und mit ihnen die intergalaktischen Gaswolken. An den entsprechenden Positionen am Himmel sollte der beobachtete Mikrowellenhintergrund also ein ganz bestimmtes Muster aufweisen. Da die Signale für solche einzelnen Haufenpaare sehr klein ausfallen, mittelten Hand und seine Kollegen nun über insgesamt 5000 Galaxienhaufen und konnten anhand des Effekts tatsächlich nachweisen, dass sich die großen Materieklumpen aufeinanderzubewegen.

Die Ergebnisse stimmen mit dem überein, was Computersimulationen von großräumigen Strukturen im Universum erwarten lassen, berichten die Wissenschaftler. Da diese Simulationen auf dem Standardmodell der Kosmologie basieren, das ein von Dunkler Materie und Dunkler Energie dominiertes Universum annimmt, stelle ihre Studie einen unabhängigen Test für dieses Modell dar. Zukünftige verbesserte Messungen der Galaxienbewegungen könnten dazu beitragen, die Eigenschaften der Dunklen Energie, aber auch alternative Konzepte zu erforschen.

30. KW 2012

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 30. KW 2012

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