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Abb. 1: Beispiele für durch Bianchi Modelle mit verschiedenen
Parametern induzierte CMB Anisotropiemuster. Jeder Graph zeigt den
gesamten Himmel in orthographischer Projektion.
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Abb. 2: (a) zeigt die WMAP Daten, d.h die kleinskaligen
Fluktuationen der CMB Temperatur in Mollweide Projektion. (b) stellt
das bestkorrellierte Bianchi Modell (durch einen Faktor 4 verstärkt)
dar. (c) die WMAP Daten nach Extraktion des Bianchi Betrages.
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Seit die Kopernikanische Revolution die Menschheit aus dem Zentrum des
Universums gestoßen hat, sind die kosmologische Homogenität und
Isotropie die zwei fundmentalsten Leitprinzipien der
Kosmologen. Beobachtungen zeigen, dass diese näherungsweise erfüllt
sind, jedoch liefern neue Daten des WMAP Satelliten provokative
Indikationen auf die Notwendigkeit einer Nachprüfung der
Isotropieannahme.
Die kosmische Mikrowellenhintergrundstrahlung bietet eine der
direktesten Möglichkeiten zur Untersuchung der großskaligen Struktur
des Universums. Nach der Standardurknalltheorie entstand der CMB im
dem Moment als das expandierende Universum kalt genug war, um die
Bildung von neutralem Wasserstoff aus dem Elektron-Proton Plasma zu
erlauben. Mit diesem Akt der sogenannten Rekombination, welche nur
etwa ein paar hunderttausend Jahre nach dem Urknall geschah, wurde das
Universum für Photonen erstmals transparent. Wäre das Universum exakt
homogen und isotrop, so wäre auch der Mikrowellenhintergrund in alle
Richtungen am Himmel gleich. In diesem Fall gäbe es allerdings auch
keine Galaxien, Sterne, Planeten oder Kosmologen! In Wirklichkeit
existieren jedoch kleine Inhomogenitäten in der Materieverteilung, die
letztendlich die Keime der erwähnten Objekte bilden und welche
wiederum als kleine, richtungsabhängige Fluktuationen der Temperatur
des Mikrowellenhintergrundes um den Mittelwert von T=2.725 K
beobachtbar sind. Im statistischen Sinne sollten diese
Temperaturfluktuationen gleichmäßig über den Himmel verteilt sein, was
durch Beobachtungen auch weitestgehend bestätigt wurde.
Obgleich die bisherigen Daten generell sehr gut mit diesen
Standardbild übereinzustimmen scheinen, enthalten sie Anomalien auf
großen Winkelskalen, welche auf eine bevorzugte Richtung im Universum
hinweisen. Insbesondere Erikson et al. haben gezeigt, dass die
Fluktuationen in einem speziell gewähltem Koordinatensystem mehr Power
in einer der Hemispheren als im Vergleich zur anderen haben. Motiviert
durch diese Ergebnisse haben A. J. Banday und T. R. Jaffe vom MPA in
Kollaboration mit H. K. Eriksen und F. K. Hansen aus Oslo (Norwegen)
und K. M. Górski aus Pasadena (USA) eine besondere Klasse von
Kosmologischen Modellen untersucht, welche homogen sind jedoch
Anisotropie zulassen.
Homogene, kosmologische Modelle, die Scherung (anisotrope Expansion)
und Vortizität (globale Rotation) einschliessen, sind als Bianchi Type
VIIh Modelle bekannt. In ihnen bewegen sich CMB Photonen entlang von
Geodäsen, welche um die Symmetrieachsen rotieren und durch die
anisotrope Expansion "gestreckt" (oder rotverschoben) werden. Das
Strahlungsfeld erscheint dann in Abhängigkeit von dem von den Photonen
eingeschlagenen Weg heisser oder kälter, was dann zu weiterer
Anisotropie des beobachteten CMB in Form von spiraligen Mustern führt
(vgl. Abbildung 1).
Die Wissenschaftler haben diese Modelle mit den verfügbaren Daten
verglichen und damit gezeigt, dass sich die oben erwähnte Asymmetrie
zwischen den Hemispheren durch eine Kombination von Scherung (entlang
einer bestimmten Achse) und Vortizität (um dieselbe Achse) erklären
lässt. Die Beobachtungdaten und das entsprechende Bianchi Modell sind
jeweils in Abbildung 2(a) und (b) dargestellt. Wenn man nun die aus
dem Bianchi Modell resultierende Anisotropie aus den CMB Daten
herausrechnet (Abbildung 2(c)), so beseitigt dies die erwähnte
Asymmetrie und weitere damit in Verbindung stehende Anomalien.
Bedauerlicherweise sind solche Modelle nicht vereinbar mit der
Inflationstheorie und der gemessenen Gesamtenergiedichte des
Universums. Wie dem auch sei, die Wissenschaftler betonen, dass bei
der Interpretation der Ergebnisse ein pragmatischer Ansatz gewählt
werden sollte. Insbesondere sei erwähnt:
i) die Bianchi
Modelle liefern eine Möglichkeit Abweichungen von der Isotropie zu
quantifizieren und
ii) das Modell, welches die Daten am
besten wiedergibt, kann als Template Temperatur Muster benutzt werden,
das von alternativen Modellen reproduziert werden sollte, um die
beobachteten Anomalien zu erklären.
Letztenendes sollte eine brauchbare Theorie entwickelt werden, welche
in sich stimmig die CMB Beobachtungen auf allen Winkelskalen erklärt
und von anderen kosmologischen Beobachtungsquellen unabhängig
überprüfbare Vorhersagen macht. Nichtsdestotrotz deuten die
derzeitigen Ergebnisse eine Verletzung der bisher allgemein
akzeptierten Annahme von kosmischer Isotropie an.
T. R. Jaffe, A. J. Banday, und J. Chluba
Weitere Informationen:
Wilkinson Microwave Anisotropy Probe home
page
Ned Wright's Cosmology
Tutorial
Note on Bianchi models
(PostScript)
T. R. Jaffe, A. J. Banday, H. K. Eriksen, K. M. Górski, &
F. K. Hansen, Evidence of Vorticity and Shear at Large Angular
Scales in the WMAP Data: A Violation of Cosmological
Isotropy?, 2005, ApJL, 629, L1, (astro-ph/0503213).
H. K. Eriksen, F. K. Hansen; A. J. Banday, K. M. Górski, & P. B.
Lilje, Asymmetries in the Cosmic Microwave Background Anisotropy
Field, 2004, ApJ 605, 14 (astro-ph/0307507).
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