Neue Aufnahmen des frühen Universums, die vom Atacama Cosmology Telescope (ACT) gemacht wurden, zeigen die bisher präzisesten „Babybilder“ der ersten Schritte des Kosmos bei der Entstehung der ersten Sterne und Galaxien.
Die Bilder der kosmischen Hintergrundstrahlung (CMB), einem fossilen Überrest des ersten Lichts im Universum, zeigen, wie das 13,8 Milliarden Jahre alte Kosmos nur 380.000 Jahre nach dem Urknall aussah.
Diese beeindruckende Leistung des ACT hat Wissenschaftlern geholfen, das Standardmodell der Kosmologie zu bestätigen – die beste Beschreibung, die wir bisher von der Entstehung und Entwicklung des Universums haben. Die ACT-Bilder zeigen nicht nur, wie außerordentlich robust dieses Modell ist, sondern liefern auch die Intensität und Polarisation des frühesten Lichts mit einer bisher unerreichten Klarheit.
Ein Teil des neuen Bildes, das die Schwingungsrichtungen (oder Polarisation) der Strahlung zeigt. Der vergrößerte Bereich rechts ist 10 Grad hoch. Polarisiertes Licht schwingt in einer bestimmten Richtung; Blau zeigt an, wo die Schwingungsrichtungen des umgebenden Lichts darauf ausgerichtet sind, wie Speichen an einem Fahrrad; Orange zeigt Stellen, an denen die Schwingungsrichtungen darum kreisen. (Bildnachweis: ACT Collaboration; ESA/Planck Collaboration.)
Die neuen Daten des ACT enthüllten die Bewegung der uralten Gase im Universum, die von der Schwerkraft angezogen werden. Dies zeigt die Entstehung alter Wolken aus Wasserstoff und Helium, die später kollabieren und die ersten Sterne hervorbringen werden. Damit markiert dies den ersten Schritt des Universums hin zur Bildung von Galaxien.
„Wir beobachten die ersten Schritte hin zur Entstehung der frühesten Sterne und Galaxien“, sagte Suzanne Staggs, Direktorin des ACT und Forscherin an der Princeton University, in einer Stellungnahme. „Und wir sehen nicht nur Licht und Dunkelheit; wir erkennen die Polarisation des Lichts in hoher Auflösung. Das ist ein entscheidender Faktor, der ACT von Planck und anderen früheren Teleskopen unterscheidet.“
Obwohl diese neuen Erkenntnisse des ACT den Wissenschaftlern viel über die Bedingungen im frühen Universum verraten haben, lieferten sie keine Hinweise, die helfen könnten, eines der größten Probleme unseres Verständnisses der kosmischen Evolution zu lösen: die sogenannte „Hubble-Spannung“.
Ein Teil des neuen Bildes, der die Schwingungsrichtungen (oder Polarisation) der Strahlung zeigt. Der vergrößerte Ausschnitt rechts ist 10 Grad hoch. Polarisiertes Licht schwingt in einer bestimmten Richtung; Blau zeigt an, wo die Schwingungsrichtungen des umgebenden Lichts darauf zulaufen, wie Speichen an einem Fahrrad; Orange zeigt Stellen, an denen die Schwingungsrichtungen darum kreisen. (Bildnachweis: ACT Collaboration; ESA/Planck Collaboration.)
Vor etwa 380.000 Jahren nach dem Urknall war das Universum buchstäblich ein dunkler Ort. Der Grund dafür war, dass das Universum zu dieser Zeit so heiß und dicht war, dass es von einem Plasma aus ungebundenen Elektronen erfüllt war. Diese Elektronen streuten Photonen, die Teilchen, aus denen Licht besteht, unablässig. Dadurch konnte sich das Licht nicht frei im Kosmos ausbreiten, und das Universum war undurchsichtig wie ein dichter Nebel.
Als das Universum sich ausdehnte und abkühlte (auf etwa 3000 Kelvin, was ungefähr 4900 Grad Fahrenheit oder 2700 Grad Celsius entspricht), konnten sich Elektronen mit Protonen verbinden und die ersten neutralen Atome von Wasserstoff und Helium bilden – die ersten Elemente. Dies bedeutete, dass Photonen plötzlich nicht mehr endlos gestreut wurden und frei wandern konnten. Nach diesem Ereignis, das als „letzte Streuung“ bezeichnet wird, wurde das Universum plötzlich durchsichtig.
Dieses erste Licht wird heute als die kosmische Hintergrundstrahlung (CMB) bezeichnet. Obwohl sie das Universum nahezu überall erfüllt, gibt es kleine Variationen in der CMB, die Wissenschaftler als „Anisotropien“ bezeichnen. Diese sind auf winzige Schwankungen in der Materiedichte während der letzten Streuung zurückzuführen.
Die Tatsache, dass dieses kosmische Fossilienlicht das am weitesten zurückliegende ist, das Astronomen mit Licht hoffen können zu sehen, und weil es seit der frühesten Epoche des Kosmos existiert, macht die kosmische Hintergrundstrahlung (CMB) zu einem hervorragenden Werkzeug, um die Entwicklung des Universums nachzuverfolgen.
Ein Teil des neuen Bildes, das die Schwingungsrichtungen (oder Polarisation) der Strahlung zeigt. Der vergrößerte Ausschnitt rechts ist 10 Grad hoch. Polarisiertes Licht schwingt in einer bestimmten Richtung; Blau zeigt an, wo die Schwingungsrichtungen des umgebenden Lichts darauf zulaufen, wie Speichen an einem Fahrrad; Orange zeigt Stellen, an denen die Schwingungsrichtungen darum kreisen. (Bildnachweis: ACT Collaboration; ESA/Planck Collaboration.)
Vom Standort hoch in den chilenischen Anderen aus hat ACT dieses Licht eingefangen, das über 13 Milliarden Jahre unterwegs war. Vor diesen ACT-Daten stammte das präziseste und detaillierteste Bild des kosmischen Mikrowellenhintergrunds vom Planck-Weltraumteleskop.
„ACT verfügt über eine fünfmal höhere Auflösung als Planck und eine größere Empfindlichkeit“, erklärte Sigurd Naess, Teammitglied und Forscher an der Universität Oslo, in einer Stellungnahme. „Das bedeutet, dass das schwache Polarisationssignal nun direkt sichtbar ist. Es gibt zwar andere moderne Teleskope, die die Polarisation mit geringem Rauschen messen, aber keines davon deckt so viel Himmel ab wie ACT.“
Diese Signatur der Polarisation ist von Bedeutung, da sie zeigt, wie sich Wasserstoff- und Heliumgase bewegten, als das Universum noch in seinen Kinderschuhen steckte und nur Spuren anderer schwererer Elemente enthielt.
„Früher konnten wir sehen, wo sich Dinge befinden, und jetzt sehen wir auch, wie sie sich bewegen“, sagte Staggs. „Ähnlich wie bei der Nutzung von Gezeiten, um die Anwesenheit des Mondes abzuleiten, zeigt uns die durch die Polarisation des Lichts verfolgte Bewegung, wie stark die Anziehungskraft der Schwerkraft in verschiedenen Teilen des Weltraums war.“
Ein Teil des neuen Bildes, der die Schwingungsrichtungen (oder Polarisation) der Strahlung zeigt. Der Ausschnitt rechts ist 10 Grad hoch. Polarisiertes Licht schwingt in einer bestimmten Richtung; Blau zeigt an, wo die Schwingungsrichtungen des umgebenden Lichts darauf zulaufen, wie Speichen an einem Fahrrad; Orange zeigt Stellen, an denen die Schwingungsrichtungen darum kreisen. (Bildnachweis: ACT Collaboration; ESA/Planck Collaboration.)
Mit den ACT-Daten konnten die Forscher auch unglaublich subtile Variationen in der Dichte und Geschwindigkeit der Gase erkennen, die das junge Universum erfüllten. Dazu gehören Regionen, die in diesem Meer aus ursprünglichem Wasserstoff und Helium eine hohe oder niedrige Dichte aufweisen. Diese frühen kosmischen Hügel und Täler erstrecken sich über Millionen von Lichtjahren, und in den Milliarden von Jahren nach der ACT-Momentaufnahme zog die Schwerkraft ihre dichteren Regionen nach innen, wodurch Sterne entstanden, die dann die ersten Galaxien bildeten.
„Indem wir in diese Zeit zurückblicken, als die Dinge noch viel einfacher waren, können wir die Geschichte zusammensetzen, wie sich unser Universum zu dem reichen und komplexen Ort entwickelt hat, den wir heute vorfinden“, sagte Jo Dunkley, Leiterin der ACT-Analyse und Forscherin an der Princeton University.
Diese kosmische Reise in die Vergangenheit zeigte, dass das beobachtbare Universum in alle Richtungen um uns herum fast 50 Milliarden Lichtjahre weit reicht. Die Masse des Universums wurde auf etwa 2 Trillionen Trillionen (2 gefolgt von 36 Nullen) Sonnenmassen berechnet, was 1.900 „Zetta-Sonnen“ entspricht (eine „Zetta“ bezieht sich auf einen hypothetischen Stern, der so massiv ist, dass er die 1021-fache Masse der Sonne hat).
Von dieser Gesamtmenge bestehen lediglich 100 Zetta-Sonnen aus der gewöhnlichen Materie, die wir täglich um uns herum sehen. Drei Viertel dieser Masse sind Wasserstoff, ein Viertel Helium. Weitere 500 Zetta-Sonnen entfallen auf dunkle Materie, während 1.300 Zetta-Sonnen auf dunkle Energie zurückzuführen sind – jene mysteriöse Kraft, die die beschleunigte Ausdehnung des Universums antreibt.
Winzige, ladungslose und nahezu masselose „Geisterteilchen“, sogenannte Neutrinos, machen etwa vier Zetta-Sonnen an Masse aus. Diese Teilchen werden als die Geister des Teilchenzoos bezeichnet, da sie so schwach wechselwirken und allgegenwärtig sind, dass etwa 100 Billionen (eine Eins mit 13 Nullen) Neutrinos jede Sekunde unbemerkt durch Ihren Körper strömen.
Diese Mengen stimmen gut mit den theoretischen Modellen des Kosmos überein und passen auch zu den Beobachtungen von Galaxien.
Ein Teil des neuen Bildes, das die Schwingungsrichtungen (oder Polarisation) der Strahlung zeigt. Der vergrößerte Ausschnitt rechts ist 10 Grad hoch. Polarisiertes Licht schwingt in einer bestimmten Richtung; Blau zeigt an, wo die Schwingungsrichtungen des umgebenden Lichts darauf zulaufen, wie Speichen an einem Fahrrad; Orange zeigt Stellen, an denen die Schwingungsrichtungen darum kreisen. (Bildnachweis: ACT Collaboration; ESA/Planck Collaboration.)
Die neuen Erkenntnisse des ACT haben auch die Schätzungen zum Alter des Universums präzisiert. Sie bestätigen die bisherige Annahme von 13,8 Milliarden Jahren mit einer Unsicherheit von nur 0,1 %. Zudem liefern sie genauere Daten zur Expansionsrate des Kosmos in seinen frühen Phasen.
Dies ist möglich, weil Materie im frühen Universum Wellen durch den Raum sandte, ähnlich wie sich kreisförmige Wellen auf einem Teich ausbreiten. Diese Wellen sind in dem kosmischen Fossil, der kosmischen Hintergrundstrahlung (CMB), „eingefroren“.
„Ein jüngeres Universum hätte sich schneller ausdehnen müssen, um seine heutige Größe zu erreichen, und die Bilder, die wir messen, würden uns aus einer näheren Entfernung zu erreichen scheinen“, erklärte Mark Devlin, stellvertretender Direktor des ACT und Forscher an der University of Pennsylvania. „Das scheinbare Ausmaß der Wellen in den Bildern wäre in diesem Fall größer – ähnlich wie ein Lineal, das man näher vor das Gesicht hält, größer erscheint als eines, das man auf Armlänge entfernt hält.“
Eines der größten Probleme, mit dem die Kosmologie heute konfrontiert ist, ist die sogenannte „Hubble-Spannung“. Dabei handelt es sich um die Diskrepanz in der Expansionsrate des Universums, dem sogenannten Hubble-Konstante. Diese Abweichung ergibt sich je nachdem, wie diese Expansion gemessen wird.
Durch Messungen der Bewegung naher Galaxien haben Wissenschaftler berechnet, dass die Hubble-Konstante zwischen 73 und 74 Kilometern pro Sekunde pro Megaparsec (km/s/Mpc) liegt. Dieser Wert ist höher als der, den Forscher erhalten, wenn sie den kosmischen Mikrowellenhintergrund (CMB) zur Bestimmung der Hubble-Konstante nutzen. Dort liegt der Wert zwischen 67 und 68 km/s/Mpc.
Mit den hochauflösenden Bildern der kosmischen Hintergrundstrahlung, die das ACT-Team aufgenommen hat, konnten neue Messungen der Hubble-Konstante durchgeführt werden. Dabei stellten sie fest, dass diese mit früheren Messungen der Hubble-Konstante übereinstimmen, die ebenfalls auf der kosmischen Hintergrundstrahlung basieren.
Ein Hauptziel der ACT-Daten war es, alternative kosmologische Modelle zu untersuchen, die die Hubble-Spannung erklären könnten. Zu diesen Alternativen gehörten Änderungen im Verhalten von Neutrinos sowie die Annahme einer zusätzlichen Phase beschleunigter kosmischer Expansion im frühen Universum.
„Wir wollten herausfinden, ob wir ein kosmologisches Modell entwickeln können, das sowohl zu unseren Daten passt als auch eine schnellere Expansionsrate vorhersagt“, sagte Colin Hill, Forscher an der Columbia University, der die ACT-Daten in einer neuen Studie verwendet hat. „Wir haben den kosmischen Mikrowellenhintergrund (CMB) als Detektor für neue Teilchen oder Felder im frühen Universum genutzt und dabei bisher unerforschtes Terrain erkundet.“
Hill fügte hinzu, dass die ACT-Daten keine Hinweise auf solche neuen Signale zeigten. Dies bedeutet, dass das Standardmodell der Kosmologie einen äußerst präzisen Test seiner Genauigkeit bestanden hat.
„Es hat uns ein wenig überrascht, dass wir nicht einmal teilweise Hinweise gefunden haben, die den höheren Wert stützen würden“, sagte Staggs. „Es gab einige Bereiche, in denen wir dachten, möglicherweise Anzeichen für Erklärungen der Spannung zu finden – doch in den Daten waren sie einfach nicht vorhanden.“
ACT beendete seine Beobachtungen im Jahr 2022 und wurde außer Dienst gestellt. Astronomen richten ihre Aufmerksamkeit nun auf das neue, leistungsfähigere Simons-Observatorium, das sich am selben Standort in Chile befindet.
Die neuen ACT-Daten sind öffentlich im NASA-LAMBDA-Archiv zugänglich. Die darauf basierenden Forschungsarbeiten finden sich auf der Website des Atacama Cosmology Telescope der Princeton University.
