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  Aktuelle Forschung :: September 2005 Zur Übersicht

Eine Verletzung der kosmischen Isotropie?

Wissenschaftler am Max-Planck Institut für Astrophysik (MPA) und ihre Mitarbeiter aus Oslo (Norwegen) und Pasadena (USA) haben kürzlich Hinweise dafür gefunden, dass Anomalitäten des Kosmischen Mikrowellenhintergrundes (CMB, von Cosmic Microwave Background) auf großen Winkelskalen ein Universum mit ausgezeichneter Richtung nahelegen. Diese Möglichkeit würde eine signifikante Reevaluation der heutigen Theorie erfordern und die Aufgabe der allgemein akzeptierten Annahme von kosmischer Isotropie implizieren.

Abb. 1: Beispiele für durch Bianchi Modelle mit verschiedenen Parametern induzierte CMB Anisotropiemuster. Jeder Graph zeigt den gesamten Himmel in orthographischer Projektion.

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.

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:

linkPfeilExtern.gifWilkinson Microwave Anisotropy Probe home page

linkPfeilExtern.gifNed Wright's Cosmology Tutorial

linkPfeil.gifNote 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, (linkPfeilExtern.gifastro-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 (linkPfeilExtern.gifastro-ph/0307507).


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Letzte Änderung: 16.8.2005