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Forschung & Entwicklung

Research | Forschung & Entwicklung

Das erste Licht im Universum: Messungen des Planck-Satelliten

Licht ist für uns heute eine Selbstverständlichkeit. Doch wie ist es überhaupt entstanden, und wie sah die Welt damals aus? Der europäische Planck-Satellit hat die bis heute detailliertesten Messungen vom Nachglühen des Urknalls geliefert - dem allerersten Licht im Universum. Unser Autor, der dänische Astrophysiker Michael Linden-Vørnle, schildert, was das für unser Weltbild und unser Verständnis von der Entstehung der Welt bedeutet.

Urknall-Bild vom Planck-Satelliten

Unsere Welt hat sich verändert. Nicht im wörtlichen Sinne, sondern weil die ehrgeizige europäische Satellitenmission namens Planck uns neue Erkenntnisse über das Universum beschert hat, die über unser bisheriges Wissen hinausgehen. Wir haben nun eine klarere Vorstellung davon, was wir bereits verstehen und wo noch viel Arbeit vor uns liegt.

Die ungemein präzisen Messungen des Planck-Satelliten, die am 21. März 2013 der Öffentlichkeit vorgestellt wurden, zeichnen uns ein Bild des Universums, das einerseits einfach ist, andererseits eine Herausforderung darstellt. Einfach, weil die Messungen im Wesentlichen unsere allgemeinen Theorien über den Urknall bestätigen. Eine Herausforderung, weil Planck sehr geringe, aber wahrscheinlich wichtige Abweichungen offenbart, die vielleicht neue physikalische Erklärungen verlangen.

Der kosmische Nebel

Der Urknall ereignete sich vor fast 14 Milliarden Jahren, als das unendliche Universum aus einem unvorstellbar heißen und dichten Zustand geboren wurde. Mit dem Urknall begann die Ausdehnung, Abkühlung und Reduzierung der Dichte des Universums - ein Prozess, der bis heute andauert. Innerhalb von nur wenigen Minuten nach dem Urknall formierten sich die fundamentalen Bausteine unserer Welt: Protonen, Neutronen und Elektronen.

Noch viele Tausend Jahre nach dem Urknall war das Universum extrem heiß, eine brodelnde Suppe aus Materie und Strahlung, innerhalb derer das Licht fortwährend in alle Richtungen gestreut wurde. Erst nach 380 000 Jahren hatte sich das Universum so weit abgekühlt, dass sich Materie und Strahlung entflochten und sich das Licht ungehindert ausbreiten konnte. Der kosmische Nebel, der das Universum seit dem Urknall beherrschte, begann sich zu lichten. Heute können wir dieses erste Licht als sehr homogene und schwache Mikrowellenstrahlung am gesamten Himmel wahrnehmen. Planck hat die bis heute genausten Messungen von diesem Nachglühen des Urknalls geliefert.

Die Strahlung erfüllt das ganze Universum - sie umgibt uns von allen Seiten -, aber sie 'verdünnt' sich zusehends, indem sich das Universum ausdehnt. Diese Expansion dehnt auch die Wellenlänge des Nachglühens: Als das Licht 380 000 Jahre nach dem Urknall entstand, hatte es eine gelbe Färbung, ähnlich dem Licht einer Glühbirne. Heute dagegen liegt die Wellenlänge im unsichtbaren Mikrowellenbereich. Das erste Licht existiert also nach wie vor und wird weiter existieren, aber in einer immer verdünnteren Form und mit immer größerer Wellenlänge und geringerer Frequenz.

Entstehungsgeschichte des Universums

Das Rahmengesetz des Universums

Das Nachglühen des Urknalls wird als kosmischer Mikrowellenhintergrund bezeichnet und ist im Grunde genommen eine Momentaufnahme der Beschaffenheit des Universums 380 000 Jahre nach dem Urknall. Die Verteilung und Bewegung von Materie in diesem frühen Stadium der kosmischen Geschichte sowie die physikalischen Prozesse und Zustände bis zu diesem Zeitpunkt sind im Mikrowellenhintergrund bis heute gleichsam 'eingefroren'.

Plancks überaus detaillierte Messungen des Nachglühens erlauben uns sogar, die physikalischen Bedingungen im sehr frühen Universum - in der sogenannten Inflationsphase - zu erforschen. Diese vollzog sich Sekundenbruchteile nach dem Urknall und verursachte eine extrem heftige Expansion des Universums. Ganz allgemein gesprochen ermöglichen uns die Messungen des kosmischen Mikrowellenhintergrunds, die der Planck-Satellit geliefert hat, das Rahmengesetz des Universums zu bestätigen, das die Zusammensetzung unserer Welt mit Hilfe von lediglich sechs Ziffern beschreibt. Dieses theoretische Model stimmt mit dem Hauptteil der Messungen verblüffend genau überein.

Vergleichsbilder des Planck-Satelliten zu älteren Messungen

Dänisches Teleskop an Bord

Planck ist ein europäisches Projekt der Europäischen Weltraumorganisation ESA, die den Satelliten entwickelte und am 14. Mai 2009 ins All schickte. Französische und italienische Firmenkonsortien lieferten die beiden hochempfindlichen Instrumente für den Satelliten. Ein Konsortium in Dänemark war für das Teleskop an Bord verantwortlich (Dr. Hans Ulrik Nørgaard-Nielsen, Wissenschaftler im dänischen Institut für Weltraumforschung (DTU Space), leitete die Entwicklung des Planck-Teleskops. Diese Arbeit wurde vom dänischen Unternehmen Ticra A/S unterstützt).

Älter und anders zusammengesetzt

Im Großen und Ganzen bestätigt Planck unser heutiges Wissen darüber, wie sich das Universum seit dem Bruchteil einer Sekunde nach dem Urknall entwickelt hat. Allerdings ergibt sich aus den Messungen des Satelliten ein etwas höheres Alter des Universums als bislang angenommen. Die Planck-Daten deuten darauf hin, dass das gesamte Universum im Urknall vor 13,82 Milliarden Jahren geboren, also 75 Millionen Jahre früher als bisher geschätzt.

Die Messungen des Planck-Satelliten liefern uns auch neue Werte zur Gesamtzusammensetzung des Universums. Etwa 4,9 % des Universums bildet die normale Materie, aus der Sterne, Planeten und Menschen bestehen. Hinzu kommt die unsichtbare 'dunkle' Materie (26,8 %), die durch Gravitation auf ihre Umgebung einwirkt. Die restlichen 68,3 % bezeichnen die Forscher als 'dunkle Energie', welche die Expansion des Universums beschleunigt. Aus den Planck-Messungen ergibt sich eine leichte Verschiebung des Verhältnisses zwischen dunkler Materie und dunkler Energie, für die bisher Werte von 22,9 % bzw. 72,5 % angenommen wurden.

Messungen des Planck-Satelliten

Noch mehr Daten

Das Interessanteste an den Ergebnissen des Planck-Satelliten sind jedoch sehr geringe Abweichungen vom Rahmengesetz. Zwar haben auch vorherige Experimente leichte Unstimmigkeiten aufgezeigt, aber aufgrund der einzigartigen Qualität der Planck-Messungen müssen wir diese Abweichungen jetzt sehr ernst nehmen und intensiv nach einer Erklärung suchen. Genau darum geht es in der Wissenschaft: Wir stellen der Natur Fragen und versuchen, die Antworten zu verstehen - auch wenn sie völlig unerwartet sind.

Aber damit nicht genug. Die Daten und Ergebnisse des Planck-Satelliten, die am 21. März veröffentlicht wurden, basieren auf Messungen, die in den ersten 15,5 Monaten der wissenschaftlichen Datenerfassung gemacht wurden. Eine etwa genauso große Datenmenge muss noch analysiert werden und wird die endgültige Kartierung des kosmischen Mikrowellenhintergrunds noch deutlich verbessern. Die restlichen Daten werden 2014 veröffentlicht und dann zusammen mit den bereits vorgestellten Resultaten für viele Jahre als Grundlage für die Erforschung des Universums und des Urknalls dienen. 

Hintergrund:

Benannt nach Max Planck
Der Planck-Satellit wurde nach dem deutschen Physiker Max Planck benannt, der als erster Wissenschaftler beschrieb, wie ein Körper mit einer spezifischen Temperatur Strahlung abgibt. Das vom Planck-Satelliten aufgenommene Nachglühen des Urknalls weist exakt diese Eigenschaft auf.

Die Milchstraße und andere Galaxien
Der Planck-Satellit hat nicht nur das Nachglühen des Urknalls aufgezeichnet, sondern auch die Milchstraße und andere Galaxien erforscht und hierbei beispielsweise eine Gas- und Staubstrahlung nachgewiesen. Die Daten des Planck-Satelliten werden uns somit auch neue Erkenntnisse über die Milchstraße und andere Galaxien liefern.

Der Autor
Dr. Michael Linden-Vørnle ist Astrophysiker und Chefberater beim dänischen Institut für Weltraumforschung (DTU Space). Er promovierte in Astrophysik am Niels-Bohr-Institut in Kopenhagen und arbeitet seit 1995 am europäischen Satellitenprojekt Planck mit. Michael Linden-Vørnle ist auch in der Wissensvermittlung aktiv, ist häufiger Gast in Fernsehshows und Interviews im dänischen Fernsehen und hat zahlreiche populärwissenschaftliche Bücher und Artikel über Weltraumforschung, Astronomie, Raumfahrt und ähnliche Themen verfasst.

Dieser Artikel erschien zuerst in der Fachzeitschrift DA Daylight and Architecture, die von VELUX herausgegeben wird.

Von Michael Linden-Vørnle
23.07.2013
Licht
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