Orientierung ist etwas, an das wir Menschen ziemlich gewöhnt sind. Da wir in unserer freundlichen terrestrischen Umgebung leben, sind wir es gewohnt, die Dinge in Bezug auf oben und unten, links und rechts, vorwärts oder rückwärts zu sehen. Und für uns ist unser Bezugsrahmen fest und ändert sich nicht, es sei denn, wir bewegen uns oder befinden uns in einem Umzug. Aber wenn es um Kosmologie geht, wird es etwas komplizierter.
Kosmologen glauben seit langem, dass das Universum homogen und isotrop ist – also grundsätzlich in alle Richtungen gleich ist. In diesem Sinne gibt es im Raum kein „oben“ oder „unten“, sondern nur Bezugspunkte, die ganz relativ sind. Und dank einer neuen Studie von Forschern des University College London hat sich diese Ansicht als richtig erwiesen.
Für ihre Studie mit dem Titel „ Wie isotrop ist das Universum? “ nutzte das Forschungsteam Umfragedaten der Kosmischer Mikrowellen-Hintergrund (CMB) – die vom Urknall übrig gebliebene Wärmestrahlung. Diese Daten wurden zwischen 2009 und 2013 von der ESA-Raumsonde Planck gewonnen.
Die kosmische Mikrowellen-Hintergrundstrahlung, verstärkt, um die Anomalien zu zeigen. Quelle: ESA und die Planck-Kollaboration
Das Team analysierte es dann mit einem Supercomputer, um festzustellen, ob es Polarisationsmuster gab, die anzeigen würden, ob der Weltraum eine „bevorzugte Richtung“ der Expansion hat. Der Zweck dieses Tests bestand darin, festzustellen, ob eine der Grundannahmen, die dem am weitesten verbreiteten kosmologischen Modell zugrunde liegen, tatsächlich richtig ist.
Die erste dieser Annahmen ist, dass das Universum durch den Urknall geschaffen wurde, was auf der Entdeckung, dass sich das Universum in einem Expansionszustand befindet, und der Entdeckung des kosmischen Mikrowellenhintergrunds basiert. Die zweite Annahme ist, dass der Raum homogen und istrop ist, das heißt, es gibt keine großen Unterschiede in der Verteilung der Materie über große Skalen.
Dieser Glaube, der auch als bekannt ist Kosmologisches Prinzip , basiert teilweise auf dem Kopernikanischen Prinzip (das besagt, dass die Erde keinen besonderen Platz im Universum hat) und Einsteins Relativitätstheorie – die gezeigt hat, dass die Messung der Trägheit in jedem System relativ zum Beobachter ist.
Diese Theorie hatte schon immer ihre Grenzen, da Materie auf kleineren Skalen (d. h. Sternensystemen, Galaxien, Galaxienhaufen usw.) eindeutig nicht gleichmäßig verteilt ist. Kosmologen argumentieren jedoch, dass Fluktuationen im kleinen Maßstab auf Quantenfluktuationen zurückzuführen sind, die im frühen Universum auftraten, und dass die großräumige Struktur homogen ist.
Zeitleiste des Urknalls und der Expansion des Universums. Bildnachweis: NASA
Durch die Suche nach Fluktuationen im ältesten Licht des Universums haben Wissenschaftler versucht herauszufinden, ob dies tatsächlich richtig ist. In den letzten dreißig Jahren wurden derartige Messungen von mehreren Missionen durchgeführt, wie z Kosmischer Hintergrund-Explorer (COBE) Mission, die Wilkinson Mikrowellen-Anisotropie-Sonde (WMAP) und die Planck-Raumsonde .
Für ihre Studie betrachtete das UCL-Forschungsteam – angeführt von Daniela Saadeh und Stephen Feeney – die Dinge etwas anders. Anstatt nach Ungleichgewichten im Mikrowellenhintergrund zu suchen, suchten sie nach Anzeichen dafür, dass der Weltraum eine bevorzugte Expansionsrichtung haben könnte und wie sich diese auf die CMB einprägen könnten.
Wie Daniela Saadeh – eine Doktorandin an der UCL und Hauptautorin des Artikels – gegenüber Universe Today per E-Mail sagte:
„Wir haben die Temperatur und Polarisation des kosmischen Mikrowellenhintergrunds (CMB), einer Reliktstrahlung aus dem Urknall, anhand von Daten der Planck-Mission analysiert. Wir haben das echte CMB mit verglichen unsere Vorhersagen wie es in einem anisotropen Universum aussehen würde. Nach dieser Suche kamen wir zu dem Schluss, dass es keine Beweise für diese Muster gibt und dass die Annahme, dass das Universum auf großen Skalen isotrop ist, gut ist.“
Grundsätzlich zeigten ihre Ergebnisse, dass die Wahrscheinlichkeit, dass das Universum anisotrop ist, nur 1 zu 121 000 beträgt. Mit anderen Worten, die Beweise deuten darauf hin, dass sich das Universum in alle Richtungen gleichmäßig ausgedehnt hat, wodurch alle Zweifel an ihrem tatsächlichen Richtungssinn im großen Maßstab beseitigt werden.
Ein „hier und dann“ All-Himmel-Bild, das von der Planck-Raumsonde aufgenommen wurde und gleichzeitig unsere Galaxie und ihre Strukturen wie in der jüngeren Geschichte zeigt; und „damals“ – das rote Nachleuchten des Urknalls, wie es nur 380.000 Jahre später aussah. Bildnachweis: ESA
Und das ist in gewisser Weise enttäuschend, da ein Universum, das nicht homogen und in alle Richtungen gleich ist, zu einer Reihe von Lösungen für Einsteins Feldgleichungen führen würde. Diese Gleichungen an sich erlegen der Raumzeit keine Symmetrien auf, aber das Standardmodell (von dem sie ein Teil sind) akzeptiert Homogenität als eine Art gegeben.
Diese Lösungen sind als Bianchi-Modelle bekannt, die Ende des 19. Jahrhunderts vom italienischen Mathematiker Luigi Bianchi vorgeschlagen wurden. Diese algebraischen Theorien, die auf die dreidimensionale Raumzeit angewendet werden können, werden dadurch erhalten, dass sie weniger restriktiv sind und somit ein anisotropes Universum ermöglichen.
Andererseits hat die Studie von Saadeh, Feeney und ihren Kollegen gezeigt, dass eine der Hauptannahmen, auf denen unsere aktuellen kosmologischen Modelle beruhen, tatsächlich richtig ist. Damit haben sie auch eine dringend benötigte Annäherung an eine langfristige Debatte geschaffen.
„In den letzten zehn Jahren gab es erhebliche Diskussionen darüber, ob es Anzeichen für eine großflächige Anisotropie im CMB gab“, sagte Saadeh. „Wenn das Universum anisotrop wäre, müssten wir viele unserer Berechnungen über seine Geschichte und seinen Inhalt revidieren. Die qualitativ hochwertigen Daten von Planck boten eine einmalige Gelegenheit, diesen Gesundheitscheck am Standardmodell der Kosmologie durchzuführen, und die gute Nachricht ist, dass es sicher ist.“
Wenn Sie also das nächste Mal in den Nachthimmel blicken, denken Sie daran … das ist ein Luxus, den Sie nur haben, wenn Sie auf der Erde stehen. Da draußen ist es ein ganz anderes Ballspiel! Genießen Sie diese Sache, die wir 'Richtung' nennen, wann und wo Sie können.
Und sehen Sie sich unbedingt diese Animation des UCL-Teams an, die die CMB-Daten der Planck-Mission veranschaulicht:
https://zenodo.org/record/48654/files/SVTT_movie.mp4Weiterlesen: arXiv , Wissenschaft