Planck findet das perfekte Universum – nicht ganz

22. März 2013

Der ESA Planck-Satellit hat nun sein erstes vollständiges Himmelsbild der kosmischen Mikrowellenhintergrundstrahlung geliefert, und damit das genaueste Bild des frühen Universums geliefert. Im Großen und Ganzen stimmen die Daten sehr gut mit dem „Standardmodell der Kosmologie“ überein und erlauben es nun, seine Parameter sehr viel genauer zu bestimmen. Gleichzeitig zeigen sich aufgrund der außergewöhnlich guten Qualität der Planck-Daten aber auch subtile Anomalien. Zwei grundlegende Annahmen des Standardmodells werden durch die CMB-Karten von Planck gründlich unter die Lupe genommen: Isotropie und Gaussianität. Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik und anderer Institute haben nun ihre statistischen Analysemethoden auf die Planck-Daten angewandt und herausgefunden, dass die Temperaturfluktuationen im CMB tatsächlich nicht einer vollständig zufälligen Gaussverteilung folgen, sondern dass es Phasenkorrelationen auf großen Skalen gibt. 

<p>Der kosmische Mikrowellenhintergrund, wie er von Planck aufgenommen wurde.</p> Bild vergrößern

Der kosmische Mikrowellenhintergrund, wie er von Planck aufgenommen wurde.

Die kosmische Mikrowellenhintergrundstrahlung (CMB) enthält wichtige Informationen über das sehr frühe Universum, da sie nur 380 000 Jahre nach dem Urknall ausgesandt, als der Kosmos durchsichtig wurde. Bei der Analyse des CMB wird meistens angenommen, dass die kleinen Temperaturfluktuationen wie ein Gauss’sches Zufallsfeld verteilt sind. Wenn das der Fall ist, so kann die Analyse auf das sogenannte „Leistungsspektrum“ der Verteilung zurückgreifen, das die Menge der linearen Fluktuationen auf verschiedenen Skalen beschreibt – jegliche Information über Korrelationen höherer Ordnung wird hierbei nicht berücksichtigt.

Diese nicht-Gauss’schen Anteile könnten aber wichtige Informationen über die Phase der „Inflation“ enthalten, einen Prozess im sehr frühen Universum, als das Universum sich nur winzige Bruchteile einer Sekunde nach dem Urknall extrem schnell ausdehnte. Während das Standardmodell für Inflation vorhersagt, dass die Fluktuationen nahezu perfekt Gauss-verteilt sind, so sagen komplexere Modelle signifikante Abweichungen von einem Gauss’schen Feld voraus.

<p>Maß für die Größe der nicht-Gaussianitäten, die in den Planck Daten gefunden wurden. Diese Anomalien scheinen darauf hinzudeuten, dass es – auch wenn die CMB Daten insgesamt extrem gut zum Standardmodell passen - noch einige, bisher unverstandene Aspekte gibt. Diese könnten auf grundlegende physikalische Phänomene hinweisen, die noch nicht verstanden werden.</p> Bild vergrößern

Maß für die Größe der nicht-Gaussianitäten, die in den Planck Daten gefunden wurden. Diese Anomalien scheinen darauf hinzudeuten, dass es – auch wenn die CMB Daten insgesamt extrem gut zum Standardmodell passen - noch einige, bisher unverstandene Aspekte gibt. Diese könnten auf grundlegende physikalische Phänomene hinweisen, die noch nicht verstanden werden.

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Christoph Räth und sein Team am Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik entwickelten eine neue Methode um nach diesen nicht-Gaussianitäten zu suchen und sie zu quantifizieren, die sie nun auf die neuen CMB-Daten angewendet haben. Wie in der herkömmlichen CMB-Analyse wird ein Leistungsspektrum aus den echten Daten bestimmt, das dann als Ausgangspunkt für die „Surrogat-Karten“ dient, in denen mögliche Phasenkorrelationen skalenabhängig ausgelöscht werden, während das Leistungsspektrum exakt erhalten bleibt. Mit geeigneten Statistiken kann man dann die Originaldaten mit den Surrogat-Karten vergleichen und anhand der Abweichungen zwischen Original und Surrogaten auf die Anwesenheit von Korrelationen höherer Ordnung schließen.

„Wir finden die gleichen nicht-Gaussianitäten und Abweichungen von der Isotropie egal welche Statistik wir einsetzen,“ erklärt Christoph Räth. „Wir haben diese Muster bereits in den Daten von WMAP gesehen, mit Planck sind unsere Ergebnisse eindrucksvoll bestätigt worden.“

<p>Dieselben nicht-Gaussianitäten wurden bereits in dem WMAP-Daten vom CMB gefunden und jetzt mit noch höherer Sicherheit bestätigt.</p> Bild vergrößern

Dieselben nicht-Gaussianitäten wurden bereits in dem WMAP-Daten vom CMB gefunden und jetzt mit noch höherer Sicherheit bestätigt.

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Die signifikantesten, mit WMAP gefundenen Anomalien tauchen auch in den Planck-Daten auf und es ist klar geworden, dass dies reale Merkmale im CMB sind. „Die Anomalien sind da – aber wir kennen die physikalischen Effekte nicht, die dafür verantwortlich sind“, sagt Christoph Räth.

Die Wissenschaflter erwarten allerdings, dass die Polarisationsdaten, die mit dem nächsten Datensatz 2014 veröffentlich werden, weitere wertvolle Informationen über die Natur dieser CMB Anomalien liefern werden.