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Rätsel um den „Kalten Fleck“ bleibt

Void kann anomal kalte Stelle im kosmischen Hintergrund nur teilweise erklären

Kalter Fleck
Der Kalte Fleck ist ein ungewöhnlich kühler Bereich im kosmischen Mikrowellen-Hintergrund. Seine Ursache ist bislang rätselhaft. © ESA Planck Collaboration

Mysteriöse Anomalie: Astronomen haben eine mögliche Erklärung für den rätselhaften Kalten Fleck im kosmischen Mikrowellen-Hintergrund überprüft – aber auch sie kann das Rätsel nicht komplett lösen. So verursacht eine gigantische Leerstelle im Vordergrund zwar einen Teil der detektierten Anomalie. Der Effekt dieses „Supervoid“ wirft aber neue Fragen auf, weil er größer ist als es die kosmologischen Modelle vorhersagen.

Das gesamte Weltall ist von kosmischer Hintergrundstrahlung durchzogen – einer allgegenwärtigen Mikrowellenstrahlung, die aus der Zeit nur 380.000 Jahre nach dem Urknall stammt. Die Temperaturfluktuationen dieser Strahlung spiegeln subtile Unterschiede in der Verteilung von Energie und Masse im frühen Universum wider. Zudem erlauben sie Rückschlüsse auf die Anteile von Dunkler Materie und Dunkler Energie sowie die Expansionsgeschwindigkeit des Universums.

Kalter Fleck
Der Ausschnitt zeigt den Kalten Fleck in der Planck-Karte der Hintergrundstrahlung, der Rest zeigt die die Verteilung Dunkler Materie in diesem Bereich. © Gergö Kránicz and András Kovács

Kalter Fleck gibt Rätsel auf

Doch es gibt eine Stelle im Mikrowellen-Hintergrund, die nicht ins kosmologische Bild passt: den kalten Fleck. Diese sich über zehn Grad erstreckende Zone ist im Mittel rund 70 Millikelvin kälter als der restliche Hintergrund. Sie erscheint daher in gängigen Karten der Hintergrundstrahlung als deutliche blaue Zone in der Südhemisphäre des Himmels. Diese kosmische Anomalie ist deutlich größer und ausgeprägter, als sie nach dem kosmologischen Standardmodell sein dürfte.

Was aber ist die Ursache? Bisher gibt es darauf keine eindeutige Antwort. Einige Hypothesen wie Messfehler und Störeffekte durch Milchstraßen-Strukturen wurden schon weitgehend widerlegt. Andere, darunter noch unerkannte Prozesse im frühen Kosmos oder exotische Phänomene wie die Signatur von Paralleluniversen, sind weiter offen.

Primordiale Photonen und der Sachs-Wolfe-Effekt

„Aber es gibt auch eine aktive Debatte darüber, dass mögliche physikalische Prozesse im kosmischen Vordergrund einen solchen Fleck auf dem Mikrowellen-Hintergrund erzeugen können“, erklären András Kovács von der Dark Energy Survey Kollaboration und seine Kollegen. Einer dieser Effekte ist der sogenannte Integrierte Sachs-Wolfe-Effekt (ISW). Dieser kommt zustande, wenn Photonen auf ihrem Weg vom fernen All zu uns durch eine Zone geringerer oder erhöhter Materiedichte fliegen.

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Der Grund: Nach Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie beeinflusst die Materie über ihre Gravitation auch das Verhalten des Lichts. Fliegen Photonen durch ein Gebiet erhöhter Gravitation, werden ihre Wellen gedehnt und ins Rote verschoben. Auf riesigen Skalen jedoch kommt die Expansion des Alls mit ins Spiel: Sie sorgt dafür, dass Galaxien und andere Materie auseinandergezogen werden und damit auch die Gravitationssenke abflacht.

Wenn nun ein Photon eine so große Zone durchquert, dass der Flug Millionen von Jahren dauert, dann kommt es zu einem Ungleichgewicht: Beim Eintreten in die Gravitationssenke ist sie tiefer als bei ihrem Austritt. „Dadurch erfahren die Lichtteilchen auf ihrer Reise einen Netto-Energieverlust, der als integrierter Sachs-Wolfe-Effekt bezeichnet wird“, erklärt Koautor Juan Garcia-Bellido von der Universität Madrid.

Ein Void als Urheber?

Für den kalten Fleck bedeutet dies: Wenn die Photonen der kosmischen Hintergrundstrahlung auf ihrem Weg zu uns durch ein Gebiet mit besonders ausgedünnter Materie fliegen, kann dies zur ihrer Abkühlung beitragen und eine Anomalie erzeugen. Unter anderem deshalb haben Astronomen bereits 2015 vermutet, dass eine vor dem kalten Fleck liegende leere Zone, der Eridanus Supervoid, ihn verursacht haben könnte.

Das Problem jedoch: „Spätere Studien ergaben, dass der Eridanus Supervoid nur rund 20 bis 30 Prozent der beobachteten Abkühlung erklären kann – zumindest, wenn man vom kosmologischen Standardmodell ausgeht“, so das Forschungsteam. Allerdings blieb die genaue Ausdehnung, Form und Dichte dieser gigantischen leeren Stelle im Kosmos bislang strittig.

Blanco Telescope
Die Dark Energy Camera sitzt im Blanco Teleskop in den chilenischen Anden.© Reidar Hahn/ Fermilab

Kovács und seine Kollegen haben deshalb den Eridanus Supervoid und seinen möglichen ISW-Effekt neu vermessen. Dafür werteten sie Daten der Dark Energy Camera aus, einem optischen Instrument, das auf die Vermessung kosmischer Strukturen und Massen spezialisiert ist. Aus diesen Daten erstellten sie eine Karte der Massenverteilung im Bereich des Kalten Flecks und der davor liegenden Leerzone.

Größte Anomalie im bekannten Kosmos

Das Ergebnis: „Der Eridanus Supervoid ist eine der größten bekannten ausgedünnten Zonen des gesamten beobachtbaren Universums“, berichten die Astronomen. Im gesamten Kartierungsgebiet des Dark Energy Survey ist keine Leerzone so groß und ausgeprägt wie diese. Der zigarrenförmige Supervoid erstreckt sich über 1,8 Milliarden Lichtjahre und beginnt rund zwei Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt. In ihr ist die Materiedichte rund 30 Prozent geringer als im umgebenden Universum.

Das Entscheidende jedoch: Der Supervoid wirkt sich messbar auf die Gravitation und den ISW-Effekt in diesem Bereich des Weltalls aus. Den neuen Daten zufolge ist der Effekt des Eridanus Supervoids auf die Hintergrundstrahlung stärker als zuvor gedacht. Gleichzeitig jedoch weicht er aber deutlich von gängigen Modellen ab, wie die Astronomen berichten. In Simulationen auf Basis des kosmologischen Standardmodells kamen sie auf eine Abweichung von rund 30 Prozent.

Liegt das Standardmodell falsch?

Die Astronomen sehen dafür zwei mögliche Erklärungen. Wenn das gängige Lambda-CDM-Modell der Kosmologie korrekt ist, dann reicht der Eridanus Supervoid allein nicht aus, um den Kalten Fleck zu erklären. Dann müsste die Hintergrundstrahlung selbst und damit ein Prozess im frühen Kosmos zu dieser Anomalie zumindest beitragen.

Die zweite Möglichkeit wäre, dass das Standardmodell unvollständig ist und Supervoids einen stärkeren ISW-Effekt verursachen als von ihm vorgesehen. Dahinter könnte eine noch unerkannte, stärkere Wirkung der Dunklen Energie stecken und damit eine schnellere kosmische Expansion. „Das Problem ist allerdings, dass alternative Modelle diese Diskrepanz auch nicht erklären können“, sagt Kovács. „Wenn der Effekt wirklich real ist, dann könnte das bedeuten, dass wir etwas Grundlegendes zur Dunklen Energie bisher nicht verstehen.“

Mit anderen Worten: Der Kalte Fleck und seine möglichen Ursachen werfen immer neue Fragen auf. „Die Wirkung von Superstrukturen auf den kosmischen Hintergrund bleibt ein spannendes und ungelöstes Problem der Kosmologie“, so das Fazit des Forschungsteams. (Monthly Notices of the Astronomical Society, 2022; doi: 10.1093/mnras/stab3309)

Quelle: Fermi National Accelerator Laboratory

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