Wie Plancks astronomischer Satellit unsere Wahrnehmung des Universums für immer veränderte

Dank neuer Satellitenbilder hat die Detaillierung des Restglühens des Urknalls stetig zugenommen. Die neuesten, endgültigen Ergebnisse des Planck-Satelliten geben uns das genaueste Bild des Universums.

Mehr als 50 Jahre sind vergangen, seit die Menschheit einen gleichmäßigen Strom energiearmer Mikrowellenstrahlung aus allen Teilen des Himmels entdeckt hat. Es kommt nicht von der Erde, nicht von der Sonne und nicht einmal von der Galaxis; Es kommt von Orten außerhalb eines Sterns oder einer Galaxie, die wir jemals beobachtet haben. Und obwohl seine Entdecker zunächst nicht wussten, was er meinte, entwickelte eine Gruppe von Physikern, die sich nicht weit von ihnen entfernt befanden, bereits ein Experiment, um genau nach diesem Merkmal zu suchen: dem theoretischen Restglühen des Urknalls.

Zuerst wurde es der ursprüngliche Feuerball genannt, und dann nannten wir es Reliktstrahlung (RI) [ oder kosmischer Mikrowellenhintergrund, kosmischer Mikrowellenhintergrund (CMB) / ca. perev. ], und seine Eigenschaften wurden bereits bis ins kleinste Detail gemessen. Das fortschrittlichste Observatorium seiner jemals gemessenen Eigenschaften ist der 2009 gestartete astronomische Satellit Planck der Europäischen Weltraumorganisation . Der Satellit hat mehrere Jahre lang einen vollständigen Datensatz gesammelt, und Wissenschaftler haben gerade ihre endgültige Analyse abgeschlossen und veröffentlicht . Und so hat er unsere Sicht auf das Universum für immer verändert .


Die verbleibende Lumineszenz des Urknalls, RI, ist nicht homogen und weist viele winzige Mängel und Temperaturschwankungen im Bereich von mehreren hundert Mikrokelvin auf. Und obwohl dies in der Zeit nach dem Gravitationswachstum eine große Rolle spielt, ist es wichtig zu bedenken, dass sowohl im frühen Universum als auch im großräumigen Universum unserer Tage Heterogenitäten Werte von nur 0,01% erreichen. Planck entdeckte und maß diese Schwankungen mit einer bisher nicht verfügbaren Genauigkeit.

Dieses Foto der Kindheit des Universums, das das Licht zeigt, das emittiert wurde, als sie erst 380.000 Jahre alt war, ist das beste von allen, das jemals gemacht wurde. Anfang der neunziger Jahre gab uns der COBE-Satellit den ersten Ansatz, eine RI-Karte für den gesamten Himmel mit einer Auflösung von etwa 7 Grad. Vor ungefähr 10 Jahren konnte WMAP die Auflösung auf ein halbes Grad erhöhen.

Was ist mit Planck? Plank ist so empfindlich, dass seine Grenzen nicht durch Instrumente verursacht werden, die mit einer Auflösung von bis zu 0,07 ° arbeiten können, sondern durch grundlegende Astrophysik des Universums selbst! Mit anderen Worten, in diesem Stadium der Entwicklung des Universums ist es unmöglich, ein besseres Bild zu erhalten, als es Planck gelungen ist. Durch Erhöhen der Auflösung erhalten Sie keine weiteren Informationen zum Speicherplatz.


COBE, der erste RI-Satellit, hat Schwankungen mit einer Auflösung von 7º gemessen. WMAP konnte die Auflösung in fünf verschiedenen Frequenzbereichen auf 0,3 ° verbessern, und Planck führte Messungen mit einer Genauigkeit von bis zu 5 Minuten des Winkels (0,07 °) über neun verschiedene Frequenzbereiche durch.

Außerdem konnte Planck diese Strahlung und ihre Schwankungen in einer größeren Anzahl von Frequenzbereichen (insgesamt in neun) messen als jeder andere der vorherigen Satelliten. COBE hatte vier Bereiche (und nur drei nützliche) und WMAP fünf. COBE konnte Temperaturschwankungen von bis zu 70 μK messen; Planck konnte die Genauigkeit auf 5 μK verbessern.

Die hohe Auflösung, die Fähigkeit, die Polarisation dieses Lichts zu messen, und die verschiedenen Frequenzbereiche haben uns geholfen, die Auswirkungen von Staub in unserer Galaxie besser als je zuvor zu verstehen, zu messen und zu subtrahieren. Um das verbleibende Leuchten des Urknalls zu verstehen, müssen die Effekte, die das gewünschte Signal verschmutzen können, mit gleicher Genauigkeit untersucht werden. Dieser Schritt musste durchgeführt werden, bevor kosmologische Informationen abgerufen werden konnten.


Die von Planck erhaltene vollständige Staubkarte der Milchstraße zeigt eine zweidimensionale Karte der Staubverteilung in der Galaxie mit niedriger Auflösung. Dieses "Rauschen" muss subtrahiert werden, um unser prähistorisches kosmisches Hintergrundsignal wiederherzustellen.

Nachdem das vollständige Signal aus dem frühen Universum empfangen wurde, kann es analysiert und alle möglichen Informationen extrahiert werden. Dies bedeutet, dass aus Temperaturschwankungen, die in großen, mittleren und kleinen Maßstäben auftreten, Informationen extrahiert werden, wie z.

• wie viel normale Materie, dunkle Materie und dunkle Energie im Universum sind,
• Was war die anfängliche Verteilung und das Spektrum der Dichteschwankungen?
• Was ist die Form und Krümmung des Universums.

Die Temperaturwerte an heißen und kalten Stellen sowie deren Skala geben die Krümmung des Universums an. Das Beste aus unseren Dimensionen gibt uns ein flaches Universum. Baryonische akustische Schwingungen und RIs zusammen bieten die besten Methoden, um den Fehler dieser Messung auf 0,1% zu begrenzen.

Was auf verschiedenen Ebenen geschieht, hängt nicht voneinander ab, sondern stark von der Zusammensetzung des Universums. Wir können auch die Polarisationseigenschaften dieser Strahlung untersuchen und noch mehr Informationen erhalten, zum Beispiel:

• als die Reionisierung des Universums stattfand (und dementsprechend die Bildung von Sternen eine bestimmte Schwelle erreichte),
• Gab es Schwankungen, die über den Horizont hinausgingen?
• können wir das Ergebnis der Wirkung von Gravitationswellen sehen,
• die Menge und Temperatur von Neutrinos zu einem Zeitpunkt

und vieles mehr. Obwohl die von uns erhaltene RI-Temperatur immer noch auf dem Niveau von 2,725 K bleibt, ist uns seit mehreren Jahrzehnten viel mehr bekannt. Angesichts all dessen hat Planck unser Verständnis des Universums für immer verändert.


Die Planck-Satellitendaten haben uns zusammen mit zusätzlichen Datensätzen sehr strenge Einschränkungen hinsichtlich der möglichen Werte kosmologischer Parameter gegeben. Insbesondere lag die Hubble-Expansionsrate zwischen 67 und 68 km / s / Mpc.

Es gab mehr Materie im Universum und seine Expansionsrate war geringer als wir dachten. Vor Planck glaubten wir, dass es im Universum 26% Materie und 74% Dunkle Energie gab und die Expansionsgeschwindigkeit etwa 70 km / s / Mpc betrug.

Und jetzt?

Im Universum stellte sich heraus, dass 31,5% der Materie (davon 4,9% normal und der Rest dunkel), 68,5% dunkle Energie und die Expansionsgeschwindigkeit 67,4 km / s / Mpc sind. Darüber hinaus weist die Geschwindigkeit einen so kleinen Fehler (~ 1%) auf, dass sie im Widerspruch zu Messungen steht, die auf der Grundlage der Raumtreppe von Entfernungen durchgeführt wurden , von denen die Geschwindigkeit 73 km / s / Mpc beträgt. Dies ist vielleicht der größte Widerspruch von allen, die sich auf das moderne Konzept des Universums beziehen.


Die Anpassung der Anzahl der Neutrino-Spezies, die erforderlich ist, um die Daten zu den Schwankungen des RI abzugleichen. Diese Daten entsprechen einem Neutrino-Hintergrund mit einer Temperatur, die energetisch 1,95 K entspricht, was viel weniger als die von Röntgenphotonen ist. Jüngste Ergebnisse von Planck weisen auch definitiv auf nur drei Arten von leichten Neutrinos hin.

Wir haben von Planck erfahren, dass es nur drei Arten von Neutrinos gibt und dass die Masse jeder Spezies 0,4 eV / s ² nicht überschreiten kann: Sie ist 10 Millionen Mal kleiner als ein Elektron. Wir wissen, dass die kosmische Temperatur dieser Neutrinos 72% der Temperatur / kinetischen Energie der RI-Photonen entspricht; Wenn sie keine Masse hätten, wäre ihre Temperatur heute 2 K.

Wir wissen auch, dass das Universum in Bezug auf die räumliche Gesamtkrümmung sehr, sehr flach ist. Durch die Kombination von Daten aus Planck mit Daten zur Bildung großräumiger Strukturen können wir feststellen, dass die Krümmung des Universums 1/1000 nicht überschreitet, dh das Universum ist nicht von vollkommen flach zu unterscheiden.


RI-Schwankungen basieren auf den primären Schwankungen, die durch die Inflation erzeugt werden. Insbesondere der flache Teil des Diagramms in großem Maßstab (links) kann nicht ohne Inflation erklärt werden. Eine gerade Linie zeigt die Keime an, von denen das Muster der Einbrüche und Spitzen in den ersten 380.000 Jahren des Universums ausgehen wird, vorausgesetzt, dass n _s = 1. Das reale Datenspektrum von Planck ergibt eine kleine, aber wichtige Abweichung: n _s = 0,965

Wir haben heute auch die besten Beweise dafür, dass Dichteschwankungen perfekt mit den Vorhersagen der kosmischen Inflationstheorie übereinstimmen. Die einfachsten Inflationsmodelle sagen voraus, dass die Schwankungen, mit denen das Universum geboren wurde, auf allen Skalen gleich waren und im großen Maßstab etwas stärker waren als im kleinen.

Für Planck bedeutet dies, dass eine der Größen, die er ableiten kann, ns, fast 1 sein sollte, aber etwas kleiner als diese. Plancks Messungen wurden die genauesten von allen und bestätigten die Inflation perfekt: ns = 0,965 mit einem Fehler von weniger als 0,05%.


Die Daten von Planck allein geben keine sehr strengen Einschränkungen für die Zustandsgleichung der Dunklen Energie. Wenn wir sie jedoch mit einem vollständigen Datensatz über großräumige Strukturen und Supernovae kombinieren, können wir definitiv zeigen, dass dunkle Energie sehr gut in den Rahmen einer reinen kosmologischen Konstante (Schnittpunkt zweier gestrichelter Linien) passt.

Es stellt sich auch die Frage, ob dunkle Energie eine wirklich kosmologische Konstante ist und sowohl für RI als auch für Daten aus den entferntesten Ecken des Universums sehr empfindlich ist - zum Beispiel für Supernovae vom Typ Ia. Wenn die Dunkle Energie eine ideale kosmologische Konstante ist, muss ihre durch den Parameter w angegebene Zustandsgleichung genau gleich -1 sein.

Messwert?

Wir fanden, dass w = -1,03 mit einem Fehler von 0,03. Beweise für andere Optionen werden nicht beobachtet, dh die große Komprimierung und die große Lücke unterstützen diese Daten nicht.


Unsere besten Messungen der Verhältnisse der Menge an dunkler Materie, normaler Materie und dunkler Energie im heutigen Universum und wie sie sich 2013 verändert haben: vor Planck und nach der Veröffentlichung der ersten Planck-Daten. Das von Planck erhaltene Endergebnis unterscheidet sich nicht mehr als 0,2% vom ersten.
Links - vorher, rechts - nachher. Als Ergebnis haben wir 68,3% dunkle Energie, 26,8% dunkle Materie und 4,9% gewöhnliche Materie

Andere Werte haben sich etwas geändert. Das Universum ist etwas älter (13,8 statt 13,7 Milliarden Jahre) als wir bisher dachten; Der Abstand zum Rand des beobachteten Universums ist etwas geringer (46,1 statt 46,5 Milliarden Lichtjahre) als WMAP gezeigt hat. Die durch die Inflation verursachten Einschränkungen der Größe der Gravitationswelle haben sich leicht verbessert. Der Tensor-Skalar-Verhältnis-Parameter r zu Planck wurde von oben durch einen Wert von 0,3 begrenzt. Mit Daten von Planck zu großräumigen Strukturen und anderen Experimenten (zum Beispiel BICEP2 und das Keck-Massiv) können wir nun mit Sicherheit sagen, dass r <0,07 ist. Dies schließt mehrere Inflationsmuster aus, die bisher als möglich angesehen wurden.


Die Vertikale ist das Verhältnis des Tensors zum Skalar ®, die Horizontale ist der von Planck und Daten zu Supernovae und großräumigen Strukturen bestimmte skalare Spektralindex (ns). Beachten Sie, dass wenn n _s gut begrenzt ist, dies nicht über r gesagt werden kann. Es ist wahrscheinlich, dass sich r als extrem klein herausstellt (bis zu 0,001 oder sogar weniger). Die Einschränkungen von Planck sind zwar die besten, aber immer noch nicht gut genug.

Und nun, mit all diesen Daten, welche Vorstellungen über das Universum und seine Komponenten können wir "Ja" sagen und welche "Nein"?

• Ja - Inflation, nein - zu Gravitationswellen danach.
• Ja - mit drei superleichten Neutrinos des Standardmodells, nein - mit Erweiterungen.
• Ja - eine etwas langsamere Expansion, ein älteres Universum, nein - Hinweise auf räumliche Krümmung.
• Ja - etwas mehr dunkle Materie und normale Materie, ja - etwas weniger dunkle Energie.
• Nein - die sich ändernde dunkle Energie, die große Lücke und die große Kompression.

Die Endergebnisse der Planck-Zusammenarbeit zeigen eine äußerst genaue Übereinstimmung zwischen den Vorhersagen der Kosmologie und der Häufigkeit von Dunkler Energie und Dunkler Materie (blaue Linie) mit Daten (rote Punkte und schwarze Fehler). Alle 7 akustischen Peaks stimmen perfekt mit den Daten überein.

Am wichtigsten ist, dass zwischen dem beobachteten RI und den theoretischen Vorhersagen des Verhaltens des Universums mit 5% normaler Materie, 27% dunkler Materie und 68% dunkler Energie eine enorme Übereinstimmung mit beispielloser Genauigkeit besteht. Einige dieser Werte können innerhalb von 1-2% schwanken, aber das Universum kann nicht ohne große Mengen dunkler Materie und dunkler Energie existieren. Sie sind real, sie sind notwendig und ihre Vorhersagen stimmen perfekt mit dem gesamten Datensatz überein.

Inflation, Neutrinophysik und Urknall haben zusätzliche Bestätigung erhalten, und Alternativen und spezielle Optionen sind eingeschränkter geworden. Auf jeden Fall, wie die Planck-Kollaboration schreibt: "Wir haben keine überzeugenden Beweise für die Notwendigkeit gefunden, das Basis- Lambda-CDM-Modell zu erweitern ." Schließlich können wir mit äußerster Zuversicht feststellen, woraus das Universum besteht.