Cepheiden sind pulsierende Sterne, die ihre Helligkeit ändern. Um RS Pup ist von einem Staubnebel umgeben, an dem diese Helligkeitsänderung des Sternes sichtbar wird: Der Staub reflektiert das Sternenlicht zur Erde.

In der Staubwolke steigt die Helligkeit zeitverzögert an. Aus dieser Verzögerung kann man den Abstand zum Stern bestimmen (Strecke= Lichtgeschwindigkeit * Zeit). Andererseits kann man den Winkel messen unter dem man diese Strecke sieht. Aus einer Dreiecksberechnung ergibt sich der Abstand Erde-Stern.

Die sogenannte Perioden-Leuchtkraft-Beziehung der Cepheiden dient zum Vermessen von Galaxienentfernungen, u.a. auch zur Bestimmung der kosmischen Expansion. Diese Beziehung muss mit einer bekannten (d.h. mit geometrischen methoden bestimmte) Cepheidenentfernung geeicht werden. Die Beobachtung von RS Pup ist eine der wenigen Eichmöglichkeiten!

Film der LichtechosHier klicken!

Zum Bild:

The determination of the distance to RS Pup, following the method of the American astronomer Robert Havlen, is based on the measurement of the phase difference between the variation of the star and the variation of isolated nebular features. Because the luminosity of the star changes in a very distinctive pattern, the presence of the nebula allows the astronomers to see light echoes and use them to measure the distance of the star. The light that travelled from the star to a dust grain and then to the telescope arrives a bit later than the light that comes directly from the star to the telescope. As a consequence, if we measure the brightness of a particular, isolated dust blob in the nebula, we will obtain a brightness curve that has the same shape as the variation of the Cepheid, but shifted in time. This delay is called a 'light echo', by analogy with the more traditional echo, the reflection of sound by, for example, the bottom of a well. By monitoring the evolution of the brightness of the blobs in the nebula, the astronomers can derive their distance from the star: it is simply the measured delay in time, multiplied by the velocity of light (300 000 km/s). Knowing this distance and the apparent separation on the sky between the star and the blob, one can compute the distance of RS Pup. This artist's illustration is not to scale.

Pressemeldung:

 

ESO 05/08 - Science Release

11 February 2008

Light echoes whisper the distance to a star

Astronomers calibrate the distance scale of the Universe

Taking advantage of the presence of light echoes, a team of astronomers have used an ESO telescope to measure, at the 1% precision level, the distance of a Cepheid - a class of variable stars that constitutes one of the first steps in the cosmic distance ladder.

"Our measurements with ESO's New Technology Telescope at La Silla allow us to obtain the most accurate distance to a Cepheid," says Pierre Kervella, lead-author of the paper reporting the result.

Cepheids [1] are pulsating stars that have been used as distance indicators since almost a hundred years. The new accurate measurement is important as, contrary to many others, it is purely geometrical and does not rely on hypotheses about the physics at play in the stars themselves.

The team of astronomers studied RS Pup, a bright Cepheid star located towards the constellation of Puppis ('the Stern') and easily visible with binoculars. RS Pup varies in brightness by almost a factor of five every 41.4 days. It is 10 times more massive than the Sun, 200 times larger, and on average 15 000 times more luminous.

RS Pup is the only Cepheid to be embedded in a large nebula [2], which is made of very fine dust that reflects some of the light emitted by the star.

Because the luminosity of the star changes in a very distinctive pattern, the presence of the nebula allows the astronomers to see light echoes and use them to measure the distance of the star.

"The light that travelled from the star to a dust grain and then to the telescope arrives a bit later than the light that comes directly from the star to the telescope," explains Kervella. "As a consequence, if we measure the brightness of a particular, isolated dust blob in the nebula, we will obtain a brightness curve that has the same shape as the variation of the Cepheid, but shifted in time."

This delay is called a 'light echo', by analogy with the more traditional echo, the reflection of sound by, for example, the bottom of a well.

By monitoring the evolution of the brightness of the blobs in the nebula, the astronomers can derive their distance from the star: it is simply the measured delay in time, multiplied by the velocity of light (300 000 km/s). Knowing this distance and the apparent separation on the sky between the star and the blob, one can compute the distance of RS Pup.

From the observations of the echoes on several nebular features, the distance of RS Pup was found to be 6500 light years, plus or minus 90 light years.

"Knowing the distance to a Cepheid star with such an accuracy proves crucial to the calibration of the period-luminosity relation of this class of stars," says Kervella. "This relation is indeed at the basis of the distance determination of galaxies using Cepheids."

RS Pup is thus distant by about a quarter of the distance between the Sun and the Centre of the Milky Way. RS Pup is located within the Galactic plane, in a very populated region of our Galaxy. 

More Information

"The long-period Galactic Cepheid RS Puppis - I. A geometric distance from its light echoes", P. Kervella et al. is in press in Astronomy and Astrophysics.
The team is composed of Pierre Kervella and Guy Perrin (LESIA, Observatoire de Paris, France), Antoine Mérand (Center for High Angular Resolution Astronomy, Atlanta, Georgia, USA), László Szabados (Konkoly Observatory, Budapest, Hungary), Pascal Fouqué (Observatoire Midi-Pyrénées, Toulouse, France), David Bersier (Liverpool John Moores University, UK), and Emanuela Pompei (ESO). 

Notes

[1]: Cepheids are rare and very luminous pulsating stars whose luminosity varies in a very regular way. They are named after the star Delta Cephei in the constellation of Cepheus, the first known variable star of this particular type and bright enough to be easily seen with the unaided eye. Almost a century ago, in 1912, American astronomer Henrietta Leavitt published a relation between the intrinsic brightness and the pulsation period of Cepheids, the longer periods corresponding to the brighter stars. This relation still plays today a central role in the extragalactic distance scale.

[2]: The nebula around RS Pup was discovered in 1961 by Swedish astronomer Bengt Westerlund, who later became ESO Director in Chile (1970-74). Shortly after, in 1972, the American astronomer Robert Havlen, then visiting ESO Chile, published the first study of the nebula in the then rather young European journalAstronomy & Astrophysics

Die Antiteilchen des Elektrons sind im Bereich des galaktischen Zentrums beobachtet worden. Zu jedem Materieteilchen im Kosmos können auch Antiteilchen existieren, mit entgegengesetzten physikalischen Eigenschaften. Beim Urknall waren wegen der hohen Energien Materie und Antimaterie gleich häufig, inzwischen besteht der Kosmos fast ausschließlich aus Materie, warum auch immer...Das ist für uns gut, denn Materie und Antimaterie zerstrahlen sich zu Gammablitzen, wenn sie zusammentreffen.

 

 

Aus Pro-physik:

 

Anti-Elektronen in der Galaxis

 

Mit dem Satellit INTEGRAL wurde eine ungleiche Verteilung von Positronen entdeckt. Garchinger Forscher vermuten Röntgendoppelsterne als deren Quellen.

 

Alles hat zwei Seiten – auch die Materie: So existiert zu jedem Elementarteilchen ein Antiteilchen mit derselben Masse, aber der entgegen gesetzten elektrischen Ladung. Zwar haben die Astronomen bisher nirgendwo im Weltall die in der Science-Fiction-Literatur viel beschworene Antimaterie entdeckt, wohl aber einen ihrer Bausteine: das Gegenstück zum Elektron, das so genannte Positron. Jetzt zeigen Beobachtungen mit dem europäischen Satelliten INTEGRAL, dass diese positiv geladenen Partikel innerhalb unseres Milchstraßensystems ungleich verteilt sind – im Westen der zentralen Region wurden entlang der galaktischen Scheibe etwa doppelt so viele Positronen gefunden wie im Osten. Eine ähnliche Verteilung fanden die Forscher um Georg Weidenspointner vom Garchinger Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik für eine Population von Röntgendoppelsternen. Offenbar stammt also ein Großteil der Positronen aus dieser Quelle.

 

Beim Nachweis der Positronen kommt den Wissenschaftlern gleichsam ein Knalleffekt zu Hilfe: Wenn ein Antiteilchen auf sein Gegenstück der normalen Materie trifft, löschen sich beide gegenseitig aus. Die bei diesem Annihilation genannten Prozess in Form von Gammastrahlung freigesetzte Energie entspricht der Masse des Teilchen-Antiteilchen-Paares. Von besonderer Bedeutung ist dabei die Annihilation von Elektron und Positron in zwei Gammaquanten der charakteristischen Energie von 511 keV.

 

Die Existenz von Positronen in den zentralen Regionen unserer Galaxis wurde bereits vor etwa 30 Jahren entdeckt. Detektoren für Gammastrahlung, von Ballons an den oberen Rand der Erdatmosphäre getragen, registrierten die charakteristische Strahlung bei 511 keV aus der ungefähren Richtung des galaktischen Zentrums. Der Ursprung der Positronen blieb jedoch rätselhaft und wird seither lebhaft diskutiert.

 

Deshalb haben einige Theoretiker vorgeschlagen, die Positronen entstünden bei der Annihilation oder dem radioaktiven Zerfall von Teilchen der rätselhaften dunklen Materie. Sie sollte sich sphärisch um das Zentrum unserer Galaxis sammeln und würde damit auf einfache Weise erklären, warum die Positronen vor allem in dieser Region beobachtet werden.

 

Jetzt haben die Wissenschaftler mit INTEGRAL den entscheidenden Hinweis gefunden, dass auch die sphärisch verteilte dunkle Materie nicht die Hauptquelle der Positronen sein kann: Westlich der zentralen Region unserer Galaxis wurde etwa doppelt so starke 511-keV-Strahlung entlang der galaktischen Scheibe beobachtet wie östlich davon. Eine solch ungleiche Verteilung erscheint sehr überraschend, weil in der inneren Galaxis sowohl Gas als auch Sterne relativ gleichmäßig verteilt sind.

 

Interessanterweise zeigen aber die bisher mit INTEGRAL im Licht der harten (hochenergetischen) Röntgenstrahlung gefundenen so genannten massearmen Röntgendoppelsterne eine ähnlich ungleiche Verteilung wie die charakteristische 511-keV-Strahlung. „Diese Übereinstimmung legt die Vermutung nahe, dass diese Röntgendoppelsterne für einen wesentlichen Anteil der Positronen in unserer Galaxis sorgen – sowohl in der Zentralregion als auch in der Scheibe“, sagt Georg Weidenspointner vom Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik.

 

Ein massearmer Röntgendoppelstern ist ein System, in dem ein sonnenähnlicher Stern und ein kompaktes stellares Objekt (ein Neutronenstern oder ein schwarzes Loch) einander in relativ geringem Abstand umkreisen. Die Gravitation des kompakten Objekts ist dabei so stark, dass es Gas von seinem Begleiterstern absaugt. Das Gas stürzt jedoch nicht direkt auf das kompakte Objekt, sondern umkreist es zunächst in einer Akkretionsscheibe. Dabei erhitzt sich das Gas durch innere Reibung derart stark, dass es im harten Röntgenlicht hell aufleuchtet. Bei diesem Prozess kann die Intensität der Strahlung so hoch werden, dass aus der Energie zweier Lichtteilchen ein Elektron-Positron-Paar entsteht – der umgekehrte Prozess der Annihilation von Elektron und Positron.

 

„Einfache Abschätzungen zeigen, dass die Positronen in unserer Galaxis mindestens zur Hälfte von massearmen Röntgendoppelsternen erzeugt werden“, sagt Georg Weidenspointner. Die andere Hälfte könnte durch einen ähnlichen Prozess der Massenakkretion vom supermassiven schwarzen Loch im Zentrum unserer Galaxis stammen oder aus Sternexplosionen in der zentralen Region.

 

INTEGRAL ist für absehbare Zeit das einzige Observatorium, mit dem sich sowohl die charakteristische 511-keV-Strahlung als auch die massearmen Röntgendoppelsterne beobachten lassen. In den kommenden Jahren werden Weidenspointner und seine Kollegen versuchen, ihre Ergebnisse zu erhärten und zu verfeinern.

 

 

Abb.(siehe oben) Ungleichgewicht: Die Karte (oben) zeigt den gesamten Himmel im Licht der 511-keV-Strahlung; in der Mitte das Zentrum der Milchstraße. Die Strahlung aus der westlichen galaktischen Scheibe ist deutlich heller als die aus der östlichen. Ein sehr ähnliches Bild ergibt die Verteilung der massearmen Röntgendoppelsterne (Karte unten). Forscher schließen daraus auf einen Zusammenhang von Sternen und Strahlung. (Bild: Weidenspointner et al., Nature)

 

Einer der Theorien zufolge entstammen die Positronen dem Zerfall von radioaktiven Kernen, die in großer Zahl in stellaren Explosionen (Supernovae) entstehen. Besondere Bedeutung kommt dabei dem radioaktiven Isotop 56Co (Cobalt) mit einer Halbwertszeit von etwa 77 Tagen zu. Es ist jedoch noch umstritten, ob die bei dessen Zerfall erzeugten Positronen in ausreichender Anzahl die Überreste des explodierten Sterns verlassen können, um die beobachtete Verteilung der 511-keV-Strahlung zu erklären. Ein anderes wichtiges radioaktives Isotop ist 26Al (Aluminium) mit einer Halbwertszeit von etwa einer Million Jahren, das vor allem von massereichen Sternen erzeugt wird. Doch auf das Konto von 26Al gehen nach neuesten Messungen nur etwa ein Viertel der in unserer Galaxis beobachteten Positronen.

 

Originalveröffentlichung:

Georg Weidenspointner, Gerry Skinner, Pierre Jean, Jürgen Knödlseder, Peter von Ballmoos, Giovanni Bignami, Roland Diehl, Andrew W. Strong, Bertrand Cordier, Stéphane Schanne & Christoph Winkler, An asymmetric distribution of positrons in the Galactic disk revealed by γ-rays, Nature 451, 159 (2008).

http://dx.doi.org/10.1038/nature06490

Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V.:

http://www.mpg.de

Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik, Garching:

http://www.mpe.mpg.de

Satellit INTEGRAL:

http://www.esa.int/esaMI/Integral/

Kalte Zone in der kosmischen Hitnergrundstrhalung entdeckt

 

 

380 000 Jahr enach dem Urknall wurde der Kosmos durchsichtig und das Licht trägt alle Informationen des 3000 K heißen Plasmas mit sich. Genau so wie das Licht, dass unten aus Wolken austritt uns den Anblick der Wolken ermöglicht.

 

Schon damals erkennt man an den Temperaturschwankungen die großräumige Verteilung der Materie (die letztlich auf die Verteing der Dunklen Materie zurückgeführt werdenann). Durhc die Ausdehnung des Kosmos zeigt die Strahlung heute eine Temperatur von 2,7 K an.

Kosmische Evolution

 

Diese Strukturen sind die Keimzellen der späteren galaxienhaufen, man vermutet,., dass sie durchufällige Quantenschwankungen bei der Entstehung des Kosmos (genauer am Ende des inflationären Aufblasne des Raumes) entstanden sind.

 

Nun haben Forscher inen Breich entdeckt, der nicht in dieses Zufallsbild passt, aber ev. von Symmetriebrüchen am Ende der Inflationsphase erklärt werden kann.

 

Aus Pro-Physik.de

 

Kosmischer Defekt in der Hintergrundstrahlung?

Kosmischer Defekt in der Hintergrundstrahlung?

 

Ein ungewöhnlich kühler Fleck in der kosmischen Hintergrundstrahlung wird möglicherweise durch eine so genannte Textur verursacht, einen unmittelbar nach dem Urknall bei einem Phasenübergang entstandenen kosmischen Defekt. Diese Erklärung präsentiert jetzt ein spanisch-britisches Forscherteam in der Online-Ausgabe der Zeitschrift „Science“. Die Beobachtung von solchen kosmischen Defekten könnte neue Erkenntnisse über das frühe Universum und über die fundamentalen Naturkräfte liefern.

 

„Die kosmische Hintergrundstrahlung ist das älteste Bild, das wir vom Universum besitzen“, schreiben die Wissenschaftler um Marcos Cruz vom Instituto de Fisica de Cantabria in Santander und Neil Turok von der University of Cambridge, „sie ist deshalb unser bestes Werkzeug zur Untersuchung der frühen Entwicklung des Kosmos.“ Die bislang besten Daten über die Hintergrundstrahlung lieferte die 2001 gestartete amerikanische WMAP-Sonde (Wilkinson Microwave Anisotropie Probe). Die WMAP-Instrumente konnten noch Temperaturunterschiede von wenigen Millionsteln Grad in der Hintergrundstrahlung aufspüren.

 

Die meisten Temperaturschwankungen fügen sich problemlos in das Standardmodell der Kosmologie ein. Doch ein etwa fünf Grad großer kühler Fleck fällt aus dem Rahmen. Er lässt sich aufgrund seines flachen Spektrums weder durch Effekte im galaktischen Vordergrund, noch durch den Sunyaev-Zel'dovich-Effekt an Galaxienhaufen erklären. Auch ein großer kosmischer Leerraum kommt nach Ansicht von Cruz, Turok und ihren Kollegen als Erklärung nicht infrage, da er im Widerspruch sowohl zur Standard-Kosmologie als auch zu Galaxienzählungen stehen würde. 

Abb n(siehe oben).: Computersimulationen zeigen, wie sich Texturen auf die kosmische Hintergrundstrahlung auswirken. Sie können sowohl zu wärmeren (blau) als auch zu kühleren (rot) Flecken führen. (Quelle: Science/ V.Travieso und N.Turok)

 

Die Forscher sehen deshalb eine kosmische Textur als wahrscheinlichste Ursache für den kühlen Fleck an. Bei den Symmetrie brechenden Phasenübergängen im frühen Universum können unterschiedliche Arten von Defekten entstehen: kosmische Strings, Domänenwände oder eben Texturen. Letztere formen sich beim Bruch der Symmetrie einer einfachen Lie-Gruppe wie etwa der SU(2)-Gruppe. Texturen bilden eine Region mit einem erhöhten Energie-Impuls-Tensor und einem zeitlich variablen Gravitationspotenzial. Sie können deshalb auf charakteristische Weise entweder zu einer Rot- oder einer Blauverschiebung von durchlaufenden Photonen führen und entsprechend als kühle oder warme Flecken in der Hintergrundstrahlung auftauchen. 

 

„Wir sind noch nicht sicher, dass es sich um eine Textur handelt“, gesteht Turok, „aber die Wahrscheinlichkeit, dass es sich um eine zufällige Fluktuation in der Hintergrundstrahlung handelt, beträgt nur ein Prozent. Wichtig ist, dass sich unsere Hypothese überprüfen lässt.“ Weitere Beobachtungen, beispielsweise mit dem im kommenden Jahr startenden europäischen Satelliten Planck, könnten zeigen, ob es sich bei dem Fleck tatsächlich um eine Textur handelt. Dann nämlich sollte die Hintergrundstrahlung im Bereich des Flecks keinerlei bevorzugte Polarisation zeigen. Handelt es sich dagegen doch um eine zufällige Fluktuation in der primordialen Dichte des Kosmos, dann sollte die Polarisation ein radiales Muster aufweisen. 

 

Rainer Kayser

 

Weitere Infos:

Originalveröffentlichung:

M. Cruz et al., A Cosmic Microwave Background Feature Consistent with a Cosmic Texture, Science (Online, 2007).

http://dx.doi.org/10.1126/science.1148694

Instituto de Fisica de Cantabria:

http://www.ifca.es

University of Cambridge: 

http://www.cam.ac.uk

WMAP:

http://map.gsfc.nasa.gov

Weitere Literatur:

M. Cruz et al., The Non-Gaussian Cold Spot in the 3 Year Wilkinson Microwave Anisotropy Probe Data, Astrophysical Journal 655, 11 (2007).

M. Cruz et al., The non-Gaussian cold spot in WilkinsonMicrowaveAnisotropyProbe: significance, morphology and foreground contribution, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 369, 57 (2006).

N. Turok und D. Spergel, Global texture and the microwave background, Physical Review Letters 64, 2736 (1990).

 

Galaxienverschmelzungen sind wichtige Wechselwirkungsprozesse der kosmischen Evolution. Durch Verschmelzungen (mergers) kleiner Galaxien sind die großen Galaxien entstanden. Sternentstehungsprozesse werden durch Verschmelzungen oft getriggert.

 

Anatomy of a Bird

Using ESO's Very Large Telescope, an international team of astronomers [1] has discovered a stunning rare case of a triple merger of galaxies. This system, which astronomers have dubbed 'The Bird' - albeit it also bears resemblance with a cosmic Tinker Bell - is composed of two massive spiral galaxies and a third irregular galaxy.

 

 

The galaxy ESO 593-IG 008, or IRAS 19115-2124, was previously merely known as an interacting pair of galaxies at a distance of 650 million light-years. But surprises were revealed by observations made with the NACO instrument attached to ESO's VLT, which peered through the all-pervasive dust clouds, using adaptive optics to resolve the finest details [2].

 

Underneath the chaotic appearance of the optical Hubble images - retrieved from the Hubble Space Telescope archive - the NACO images show two unmistakable galaxies, one a barred spiral while the other is more irregular.

 

The surprise lay in the clear identification of a third, clearly separate component, an irregular, yet fairly massive galaxy that seems to be forming stars at a frantic rate.

 

"Examples of mergers of three galaxies of roughly similar sizes are rare," says Petri Väisänen, lead author of the paper reporting the results. "Only the near-infrared VLT observations made it possible to identify the triple merger nature of the system in this case."

 

Because of the resemblance of the system to a bird, the object was dubbed as such, with the 'head' being the third component, and the 'heart' and 'body' making the two major galaxy nuclei in-between of tidal tails, the 'wings'. The latter extend more than 100,000 light-years, or the size of our own Milky Way

 

Subsequent optical spectroscopy with the new Southern African Large Telescope, and archive mid-infrared data from the NASA Spitzer space observatory, confirmed the separate nature of the 'head', but also added further surprises. The 'head' and major parts of the 'Bird' are moving apart at more than 400 km/s (1.4 million km/h!). Observing such high velocities is very rare in merging galaxies. Also, the 'head' appears to be the major source of infrared luminosity in the system, though it is the smallest of the three galaxies.

 

"It seems that NACO has caught the action right at the time of the first high-speed fly-by of the 'head' galaxy through the system consisting of the other two galaxies," says Seppo Mattila, member of the discovery team. "These two galaxies must have met earlier, probably a couple of hundred million years ago."

 

The 'head' is forming stars violently, at a rate of nearly 200 solar masses per year, while the other two galaxies appear to be at a more quiescent epoch of their interaction-induced star formation history.

 

The 'Bird' belongs to the prestigious family of luminous infrared galaxies, with an infrared luminosity nearly one thousand billion times that of the Sun. This family of galaxies has long been thought to signpost important events in galaxy

 

 

A 30-min VLT/NACO K-band exposure has been combined with archive HST/ACS B and I-band images to produce a three-colour image of the 'Bird' interacting galaxy system. The NACO image has allowed astronomers to not only see the two previously known galaxies, but to identify a third, clearly separate component, an irregular, yet fairly massive galaxy that seems to form stars at a frantic rate. The final colour image was produced by Henri Boffin (ESO).

 

 

Image taken with the NACO instrument on ESO's Very Large Telescope in the K-band. Also indicated are the different parts of the 'Bird'. There is a barred spiral galaxy at the heart of the Bird, and a strongly disturbed massive galaxy just south of it, while the head of the Bird consists of an irregular galaxy with very active star formation. The wings span a region in space of about 100,000 light-years, as much as our own Milky Way. North is up and East is to the left. The image covers about 25 x 25 arcsec.

 

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Verschmelzungen von Galaxien:      Hier klicken!

 

Ein neues Modell, das den Anfang unseres Kosmos im Rahmen der Stringtheorie beschreibt. Mit vielen Links und Zusatzerläuterungen.

Einführung (KPH):

Es gibt eine Reihe von Vorstellungen, nach denen wir ein Verständnis für die Entwicklung der Anfangsstruktur unseres Kosmos bekommen. Unmittelbare Beobachtungen sind bis zu t = 380 000 Jahre möglich: Wir sehen das heiße Urknallgas und die ihm durch die Dunkle Materie aufgeprägte Struktur, aus der sich dann das System der Galaxien und Galaxienhaufen organisiert hat.

Vermutlich ist diese aufgeprägte Struktur ein durch die Inflation (starke exponentielle Aufblähung unmittelbar beim Anfang) vergrößertes Abbild der anfänglichen Energiefluktuation des Vakuums.

Bis zu Mikro- und Nanosekunden können physikalische Vorstellungen experimentell überprüft werden, eine konkrete Aussage über noch näher am Urknall liegende Zeiten ist sicher logisch konsistent, aber wissenschaftlich spekulativ, wenn auch nicht so spekulativ wie die Schöpfungsmythen unserer Kulturen.

Sicher ist, dass eine punktförmige Entstehung aus einer Singularität heraus unwahrscheinlich ist. Deshalb bieten Ansätze der Stringtheorien gute Chancen für hypothetische Aussagen über den Anfangszeitpunkt und teilweise über die Vorgeschichte des Universums.

Allen Modellen scheint gemeinsam zu sein, dass wir die scheinbar unlösbare Frage der Philosphie gar nicht zu stellen brauchen:

Wir müssen nicht erklären, wie etwas aus dem Nichts entstehen kann: wir sind das Nichts, das durch die Expansion nur neue Strukturen durch Selbstorganisation gebildet hat.

Aus Pro-Physik:

Brücke zum Urknall

 

Münchner Physiker erklären mit der Stringtheorie, wie sich das All kurz nach seiner Geburt entwickelt hat.

 

Am Anfang des Universums stößt Albert Einstein an seine Grenzen: Denn beim Urknall gelten nicht die Gesetze der allgemeinen Relativitätstheorie, die das Universum im Großen beschreibt. Vielmehr gehorchte das Weltall am Anfang der Quantengravitation - Raum und Zeit verhielten sich nach denselben Quantengesetzen wie die kleinsten Teilchen. Nun haben Forscher am Max-Planck-Institut für Physik in München eine Brücke zwischen den beiden Theorien geschlagen. Sie haben erstmals beschrieben, wie sich Raum und Zeit in den ersten Sekundenbruchteilen nach dem Big Bang entwickelten – und zwar mithilfe der Stringtheorie. Ihre Ergebnisse weisen den Weg, wie das Universum aus der Phase der Quantengravitation in die Ära des kosmologischen Standardmodells übergeht, wie es die Relativitätstheorie beschreibt.

 

Abb. 1: Die Entstehung von Raum und Zeit anhand der neuen Ergebnisse: Das Universum, hier als Kugel dargestellt, ist kurz nach dem Urknall sehr klein und sehr heiß, Raum und Zeit sind aufgrund von Quanteneffekten unscharf. Mit zunehmender Größe wird das Universum sehr schnell glatt und lässt sich mit der Relativitätstheorie beschreiben. (Bild: MPI für Physik)

 

Bei der Geburt des Weltalls war die Materie unendlich dicht und die Raumzeit in einem Punkt unendlich stark gekrümmt. An dieser Singularität setzen die Vorschläge für eine Theorie der Quantengravitation an, und beginnt die Arbeit der Münchner Max-Planck-Wissenschaftler. Ausgangspunkt ihrer Überlegungen ist die unscharfe Raumzeit, die Modelle der Quantengravitation liefern. „Daher wirkt das Universum ganz nah am Urknall ziemlich verschrumpelt“, sagt Projektleiterin Johanna Erdmenger. Danach lassen sich die Orts- und Zeitkoordinaten eines Punkts nicht gleichzeitig bestimmen; in der Folge wird die Raumzeit selbst verschwommen, also unscharf. 

 

„Auf eine unscharfe Raumzeit kann die klassische Theorie jedoch nicht angewandt werden“, erklärt Erdmenger. Sie und ihre Mitarbeiter haben jetzt erstmals ein Modell entwickelt, wie aus dieser unscharfen Quantenraumzeit die klassische Raumzeit entsteht - und zwar mithilfe der Stringtheorie. „Nach unserem Modell nimmt die Unschärfe der Raumzeit im sich ausdehnenden Universum extrem schnell ab“, sagt Erdmenger. In ihren Rechnungen näherte sich das Team um Erdmenger dem Urknall bis auf Bruchteile von Sekunden. 

Die Stringtheorie beschreibt die Elementarteilchen nicht punktförmig, sondern als winzige schwingende Saiten (englisch: strings). Diese Saiten können sowohl geschlossen als auch offen sein. Geschlossene Strings ähneln einem winzigen Gummiring, offene Strings kann man sich wie eingespannte Violinsaiten vorstellen. Die Einspannpunkte sind in diesem Fall selbst dynamische Objekte, so genannte Dirichlet-Branen (D-Branen) und bewegen sich in der Raumzeit. Offene Strings und D-Branen nutzten die Forscher nun dazu, die Beschaffenheit der Raumzeit nahe dem Urknall zu erklären.

 

Die Wissenschaftler griffen dabei auf die Robertson-Walker-Metrik zurück, welche die Ausdehnung unseres Universums abhängig von der Zeit beschreibt. Da die Robertson-Walker-Lösung an jedem Punkt und in jeder Richtung gleich ist, erklärt sie ein homogenes und isotropes Universum. Das Modell der Münchener Physiker bedeckt die Robertson-Walker-Raumzeit gedanklich mit einem Netz unendlich vieler Saiteneinspannpunkte, mit D-Branen, und verbindet die Punkte untereinander mit offenen Strings. 

 

 

Abb. 2: Zwischen Dirichlet-Branen spannen sich die offenen Strings; deren Schwingungen sind stehende Wellen zwischen diesen Einspannpunkten. (Bild: MPI für Physik)

 

Für diese Konstruktion beweist das Team um Erdmenger, dass nahe dem Urknall nicht alle Orte der D-Branen in dem Netz gleichzeitig exakt bestimmt werden können, also das kosmologische Standardmodell nicht funktioniert. Weiterhin zeigt ihr Modell jedoch auch, dass diese Unschärfe sehr schnell abnimmt, wenn der Radius des Universums wächst. Daher verhält sich das All schon kurze Zeit nach dem Urknall wieder nach den Gesetzen der allgemeinen Relativitätstheorie.

 

Das neue Modell könnte erklären, weshalb die Astronomen auf Bildern des Weltraumteleskops Hubble bisher vergeblich nach „Verwischungen“ gefahndet haben: Diese quantenmechanischen Effekte waren zwar vorhanden, zeigten sich aber nur Sekundenbruchteile nach dem Urknall – und kein Teleskop vermochte bisher in diese Epoche vorzudringen. 

 

Quelle: MPG [STR/HOR]

 

Weitere Infos:

Originalveröffentlichung:

Johanna Erdmenger, René Meyer, Jeong-Hyuck Park, Spacetime Emergence in the Robertson-Walker Universe from a Matrix model, Physical Review Letters (Onlineveröffentlichung, 19. Juni 2007).

http://arxiv.org/abs/0705.1586 (Preprint)

Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V.:

http://www.mpg.de

Max-Planck-Institut für Physik, München:

http://www.mppmu.mpg.de

 

Links zum Thema auf unserer Homepage (News und Aus Wissenschaft und Forschung):

Entstehung von Protonen und Neutronen beim Urknall: Hier klicken 

 

Observing the early universe: Hier klicken

 

Schallwellen beim Urknall: Hier klicken

 

   Soundbeispiel: Hier klicken

 

Quantenfluktuationen und Strukturen: Hier klicken

 

Dunkle Materie und das Gerüst für Strukturen: Hier klicken