Das 2009 gestartete Weltraumobservatorium Planck der Europäischen Weltraumorganisation kartierte bis 2013 die kosmische Mikrowellenhintergrundstrahlung – eine Strahlung, die bereits kurz nach dem Urknall vor 13,8 Milliarden Jahren ausgesendet wurde und aus allen Richtungen nahezu gleichförmig auf die Erde trifft. Nun veröffentlichten die beteiligten Wissenschaftler die erste vollständige Auswertung der gesammelten Daten.

Die bisher genaueste Karte umfasst sowohl die Temperatur als auch die Polarisation des Mikrowellenhintergrunds. Im vergangenen Jahr hatte das Team zunächst vorläufige Karten veröffentlicht, die auf den ersten 15 Monaten der Datennahme basierten und auf denen nur die Temperatur dargestellt war. Vor einigen Monaten präsentierten die Wissenschaftler dann schließlich auch Karten von der durch galaktischen Staub verursachten Polarisation der Strahlung. Diese überlagerten Signale müssen aus den Daten herausgerechnet werden, um die ursprüngliche Hintergrundstrahlung zu erhalten.

Die Bedeutung der neuesten Planck-Ergebnisse beleuchtete nun Nazzareno Mandolesi auf einer Konferenz im italienischen Ferrara, auf der die aktuellen Karten vorgestellt wurden: "Die Galaxie produziert allerhand Rauschen" im Mikrowellensignal, und dies fast über den gesamten Himmel, so das Planck-Teammitglied von der Universität Ferrara. Zuvor hatte man das Rauschen nur in Himmelsregionen nahe der sichtbaren Milchstraße erfasst.

Die Beobachtungen – die anhand der Hintergrundstrahlung winzige Temperaturschwankungen im frühen Universum untersuchen, auf die letztlich alle Strukturen im Universum zurückgehen – bekräftigen das Standardmodell der kosmischen Evolution. Frühere Berichte, denen zufolge man Belege für die Dunkle Materie gefunden haben wollte, stellen die neuen Ergebnisse dagegen in Frage. Dieser unsichtbare Stoff tritt nur über seine Schwerkraft mit gewöhnlicher Materie in Wechselwirkung und hält auf diese Weise unter anderem Galaxien zusammen. Woraus er besteht, weiß bisher niemand.

Das Positronenproblem

Die angeblichen Hinweise auf Dunkle Materie stützen sich auf einen unerwarteten Überschuss an Positronen – den Pendants von Elektronen aus Antimaterie – in der kosmischen Strahlung, die unablässig aus dem All auf die Erde trifft und aus hochenergetischen Teilchen besteht. Theorien besagen, dass das Verhältnis von Positronen zu Elektronen bei hohen Energien niedriger ausfallen sollte als bei niedrigeren Energien. Doch mit dem Alphamagnetspektrometer, einem Teilchendetektor an Bord der Internationalen Raumstation, ließ sich im vergangenen Jahr genau das Gegenteil beobachten: Das Verhältnis von Positronen zu Elektronen schien mit steigender Energie tatsächlich anzuwachsen [1]. Das bestätigten frühere Resultate des Gammateleskops Fermi der NASA sowie des europäischen Satelliten PAMELA (Payload for Antimatter Matter Exploration and Light-nuclei Astrophysics).

Manche Wissenschaftler erklärten den Überschuss an Positronen durch Zusammenstöße von Dunkle-Materie-Teilchen, die sich gegenseitig vernichten und dabei zahlreiche neue Teilchen erzeugen, einschließlich Positronen. Dieses Szenario wäre allerdings nur möglich, wenn die Wahrscheinlichkeit für eine solche Kollision heute deutlich höher wäre, als sie es 380 000 Jahre nach dem Urknall war. Zu jener Zeit wurde die kosmische Hintergrundstrahlung ausgesendet. Doch um die Struktur des Universums auf Basis der Planck-Daten zu erklären, darf sich die Wahrscheinlichkeit eines Zusammenstoßes von Dunkle-Materie-Teilchen im Lauf der Zeit nicht ändern.

Zwar lassen sich die überschüssigen Positronen demnach wohl nicht auf Dunkle Materie zurückführen. Dennoch bestätigen die neuesten Planck-Daten, dass 26 Prozent der gesamten Materie- und Energiedichte im Universum auf Dunkle Materie entfallen.

Kosmische Expansion

Die detaillierten Karten des Mikrowellenhintergrunds stützen auch die These, dass das junge Universum einen kurzen, aber enormen Wachstumsschub – Inflation genannt – erlebte, berichtet Planck-Forscher François Bouchet vom Pariser Institut für Astrophysik. Die vorläufigen Daten hatten bereits auf diese Phase extrem schneller Expansion hingedeutet, wie auch frühere Experimente, darunter der Satellit WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) der NASA. Die jetzige Auswertung der Planck-Daten gehe aber noch einen Schritt weiter, so Bouchet. Sie lege eines der einfachsten Inflationsmodelle nahe, in dem die Temperaturschwankungen im Mittel auf allen Längenskalen gleich groß sind.

"Das kosmologische Standardmodell schlägt sich sehr gut", sagt Dick Bond vom kanadischen Institute for Theoretical Astrophysics der University of Toronto und Mitglied der Planck-Kollaboration. Matias Zaldarriaga vom Institute for Advanced Study in Princeton, New Jersey, stimmt zu: "Alles in allem scheint das Standardmodell auch weiterhin sehr gut zu passen, die Fehlerbalken schrumpfen, und bisher sind noch keine Abweichungen aufgetreten", erklärt der Kosmologe.

Die neuen Karten beseitigen zudem eine scheinbare Diskrepanz zwischen Planck- und WMAP-Daten bezüglich kosmologischer Parameter wie Materiedichte und -verteilung, bemerkt Bouchet. Die von Planck ermittelten Werte lägen nun dichter an denen von WMAP.

Und noch eine weitere Kontroverse ließ sich durch die neuen Daten aufklären: Mit verschiedenen Ansätzen hatte man untersucht, wann die erste Generation von Sternen entstand, die genügend ultraviolettes Licht erzeugte, um Wasserstoffatome im interstellaren Medium zu ionisieren. Laut den Ergebnissen der WMAP-Mission bildeten sich die Sterne, als das Universum rund 400 Millionen Jahre alt war [2]. Beobachtungen von Quasaren legen dagegen nahe, dass die Sterne zwischen 700 Millionen und 800 Millionen Jahre nach dem Urknall entstanden [3]. Die neuesten Daten von Planck nähern sich dem durch Quasare bestimmten Wert an, schildert Mandolesi.

Darüber hinaus untermauert die vollständige Analyse der Daten – mit einer etwa 30 Prozent geringeren Messunsicherheit als 2013 –, dass drei Typen von subatomaren Teilchen namens Neutrinos existieren. Zusammen mit anderen Beobachtungen implizieren die Daten, dass die Gesamtmasse der drei bekannten Neutrinotypen weniger als 0,21 Elektronenvolt beträgt. (Ein Elektron wiegt etwa 511 000 Elektronenvolt.) Dies macht eine vierte Art von Neutrinos, die postulierten "sterilen Neutrinos", sehr unwahrscheinlich, sagt Mandolesi.

Am 22. Dezember wird die Europäische Weltraumorganisation den gesamten Datensatz der Planck-Mission online zugänglich machen. Und irgendwann im kommenden Jahr wollen die Planck-Wissenschaftler zusammen mit dem Team des BICEP2-Teleskops am Südpol die Ergebnisse einer gemeinsamen Analyse veröffentlichen. Damit dürfte sich dann entscheiden, so hoffen Kosmologen, ob das im März mit BICEP2 aufgespürte und anschließend kontrovers diskutierte Signal tatsächlich ein Beleg für primordiale Gravitationswellen ist – oder ob es sich dabei nur um das Rauschen des galaktischen Staubs handelt.

Der Artikel ist im Original "European probe shoots down dark-matter claims" in "Nature" erschienen.