Die CLASS-Teleskope beobachten den Nachthimmel, um Energieschwankungen im kosmischen Mikrowellenhintergrund zu erkennen.(Bildnachweis: Johns Hopkins University)
Durch die Messung der Energiewellen am Himmel über der Erde haben Wissenschaftler eine Möglichkeit geschaffen, die Geschichte unseres 13,8 Milliarden Jahre alten Universums zu erforschen – beginnend mit seinem „ersten Licht“.
Das Team unter der Leitung von Astrophysikern der Johns Hopkins University nutzte ein Array von Mikrowellenteleskopen namens Cosmology Large Angular Scale Surveyor (CLASS), um 75 % des Himmels über der Erde zu kartieren. Dieses Observatorium befindet sich in den Anden, etwa 16.860 Fuß über der chilenischen Atacama-Wüste.
Die von CLASS durchgeführten Messungen haben mit der „Mikrowellenpolarisation“ zu tun, die mit der Richtung zusammenhängt, in der die Lichtwellen ausgerichtet sind. Diese Messungen werden den Wissenschaftlern helfen, eine Wellenlänge der von der Milchstraße abgegebenen Strahlung herauszufiltern, die mit dem ersten Licht des Universums verbunden ist, einem himmlischen Fossil, das als „kosmischer Mikrowellenhintergrund“ (CMB) bezeichnet wird.
„Durch die Untersuchung der Polarisation des CMB können Astrophysiker Rückschlüsse darauf ziehen, wie das Universum zu früheren Zeiten ausgesehen haben muss“, so Tobias Marriage, Co-Leiter des Teams und Johns Hopkins Professor für Physik und Astronomie, in einer Erklärung. „Astrophysiker können zu sehr, sehr frühen Zeiten zurückgehen – die Anfangsbedingungen, die allerersten Momente, in denen die Materie im Universum und die Verteilung der Energie zum ersten Mal in Ordnung gebracht wurden – und können all das mit dem verbinden, was wir heute sehen.“
Dekodierung eines kosmischen Fossils
Das CMB besteht aus dem Restlicht eines Ereignisses, das sich etwa 380 Millionen Jahre nach dem Urknall ereignete, während einer Periode, die „Epoche der Rekombination“ genannt wird. Bis zu diesem Zeitpunkt war das Universum mit einem heißen, dichten Plasma gefüllt, das es undurchsichtig machte. Dieses so genannte kosmische dunkle Zeitalter wurde durch freie Elektronen verursacht, die endlos um Lichtteilchen, die so genannten Photonen, herumflogen.
Dann begann die Epoche der Rekombination, als sich das Universum so weit ausgedehnt und abgekühlt hatte, dass sich die Elektronen mit den Protonen verbinden konnten, die ersten Atome entstanden und das leichteste und einfachste Element des Universums geboren wurde: Wasserstoff. Die plötzliche Abwesenheit freier Elektronen bedeutete, dass Photonen sofort frei reisen konnten, und das Universum wurde für Licht transparent.
Dieses erste Licht wird heute als CMB gesehen.
Da es aus einer Zeit stammt, in der das Universum wesentlich dichter war als heute, hat sich das CMB fast gleichmäßig im gesamten Kosmos verteilt. Dennoch gibt es winzige Schwankungen im CMB, und da diese Strahlung seit etwa 13,4 Milliarden Jahren existiert, sind es diese Schwankungen, die die Geschichte der Materie und ihrer Verteilung erzählen. Dazu gehört auch die Entstehung der ersten Sterne, Galaxien und Galaxienhaufen.
„Das Studium der Reliktstrahlung vom Beginn des Universums ist entscheidend für das Verständnis, wie der gesamte Kosmos entstanden ist und warum er so ist, wie er ist“, sagte Nigel Sharp, Programmdirektor der Division of Astronomical Sciences der National Science Foundation, die CLASS seit über einem Jahrzehnt unterstützt. „Diese neuen Messungen liefern wesentliche großräumige Details in unserem wachsenden Bild der Variationen in der kosmischen Hintergrundstrahlung – eine Leistung, die besonders beeindruckend ist, weil sie mit bodengestützten Instrumenten erzielt wurde.“
(oben) Neue CLASS-Polarisationshimmelkarten mit weniger Rauschen als die entsprechenden Satellitenkarten (unten). Die Richtung der Polarisation wird durch Rot und Blau dargestellt, während die Polarisationsstärke durch die Farbtiefe erfasst wird. Graue Abschnitte zeigen Teile des Himmels, die von den CLASS-Teleskopen aufgrund ihrer geografischen Lage nicht beobachtet werden können. (Bildnachweis: John Hopkins University)
Die CLASS-Karten geben Aufschluss über ein Mikrowellensignal, die so genannte lineare Polarisation, die entsteht, wenn das Licht auf eine einzige Ebene beschränkt ist. Die lineare Polarisation von Mikrowellen ist das Ergebnis des Magnetfelds der Milchstraße, das die Elektronen mit hoher Geschwindigkeit durch die Gegend peitscht. Dieses Signal kann daher zur Erforschung der Milchstraße beitragen – es kann aber auch die Untersuchung des frühen Universums mit Hilfe des CMB behindern.
Durch eine klare Kartierung des Mikrowellenhimmels, die es den Wissenschaftlern ermöglicht, linear polarisierte Mikrowellen herauszufiltern, könnte CLASS unser Verständnis der physikalischen Prozesse verbessern, die im frühen Universum existierten. Diese Prozesse wären in der Lage gewesen, einen Hintergrund mit zirkularer Polarisation zu erzeugen. Zirkulare Polarisation tritt auf, wenn sich Licht wie eine zweidimensionale Transversalwelle verhält; sie unterscheidet sich von linear polarisierten Mikrowellen.
Lineare Polarisierung vs. zirkulare Polarisierung. (Bildnachweis: Public Domain)
„Es ist sehr wichtig, die Helligkeit der Emission unserer Milchstraßengalaxie zu kennen, da wir diese korrigieren müssen, um eine tiefere Analyse des kosmischen Mikrowellenhintergrunds durchführen zu können“, so Joseph Eimer, Hauptautor der Studie und Astrophysiker an der John Hopkins University, in der Erklärung. „CLASS ist sehr erfolgreich bei der Charakterisierung der Natur dieses Signals, so dass wir es erkennen und diese Verunreinigungen aus den Beobachtungen entfernen können.“
Mit diesen neuen Ergebnissen hat CLASS einen neuen Standard für die Kartierung der Polarisation von Licht gesetzt und damit Neuland für ein Observatorium auf der Erde betreten, das möglicherweise mit Störungen durch die Atmosphäre unseres Planeten zu kämpfen hat.
„Das Projekt steht an vorderster Front, wenn es darum geht, bodengestützte Polarisationsmessungen in großem Maßstab voranzutreiben“, so Elmer abschließend.
Die Forschungsergebnisse des Teams wurden am 26. Februar in der Zeitschrift The Astrophysical Journal veröffentlicht.
