Verräterische Muster im kosmischen Hintergrund

Kurven im kosmischen Hintergrundlicht: Wieder hat ein internationales Forscherteam verräterische Polarisationsmuster in der kosmischen Hintergrundstrahlung entdeckt. Diesmal aber ist klar, dass diese sogenannten B-Modi nicht von der kosmischen Inflation stammen, sondern nachträglich durch Galaxiencluster im Vordergrund entstanden. Diese „Störsignale“ genau zu kennen, eröffnet nun eine neue Chance, das schwache Signal der Inflation doch noch zu finden.

Im März 2014 sorgten Forscher des BICEP2-Experiments für eine Sensation: Mit Hilfe des am Südpol stationierten Teleskops hatten sie bestimmte Muster in der Polarisation der kosmischen Hintergrundstrahlung entdeckt. Diese sogenannten B-Modi bilden eine Art Kurvenmuster in der Schwingungsrichtung der extrem schwachen Mikrowellenstrahlung, die den Kosmos erfüllt. Gängiger Theorie nach entstanden diese B-Modi durch Gravitationswellen im frühen Universum – und diese gelten als möglicher Beleg für die kosmische Inflation nach dem Urknall.

Doch schon wenige Monate später kam die Ernüchterung: Messungen des Planck-Weltraum-Teleskops ließen Zweifel an der schon als Nobelpreis-verdächtig gefeierten Entdeckung aufkommen. Denn einiges sprach dafür, dass die von BICEP2 beobachteten B-Modi nicht das lange gesuchte Signal der Gravitationswellen waren, sondern nachträglich entstanden, als das Licht der Hintergrundstrahlung Galaxiencluster und Staub in Vordergrund passierte.

E- und B-Modi der Polarisation im Vergleich © University of California Berkeley

Verfälscht durch Sekundäreffekte

„Die Hintergrundstrahlung, die wir beobachten, ist durch Sekundär-Effekte verändert“, erklären Adrian Lee von der University of California in Berkeley und seine Kollegen von der POLARBEAR-Kollaboration. Dazu gehört neben Staub vor allem der Gravitationslinsen-Effekt von großräumigen kosmischen Strukturen. Diese verzerren die Temperatur und Polarisation der Hintergrundstrahlung und wandeln eine weitere Art von Polarisationsmustern, die E-Modi, in B-Modi um.

Das aber macht es extrem schwer, das schwache Signal der von der Inflation erzeugten B-Modi aus diesen nachträglichen Veränderungen herauszulesen. Ein wichtiger Schritt dahin, die verschiedenen Ursachen der B-Modi auseinander zu dividieren, ist nun den POLARBEAR-Forschern gelungen. Denn mit Hilfe des Huan Tran Teleskops in der chilenischen Atacama-Wüste wiesen sie B-Modi in drei Ausschnitten des Himmels nach und konnten anhand des Musters der Polarisation erkennen, wie Strukturen im Vordergrund die B-Modi durch den Gravitationslinsen-Effekt verändert hatten.

Wichtiger Schritt zum Nachweis der Inflation

„Wir haben damit erstmals demonstriert, dass man die durch Gravitationslinsen entstandenen B-Modi isolieren kann“, sagt Lee. Mit Hilfe ihrer Messungen lassen sich die Strukturen rekonstruieren, durch die die Photonen der kosmischen Hintergrundstrahlung fliegen, bevor die die Erde erreichen. Wenn aber diese Vordergrund Verzerrung bekannt ist, dann kann sie von den beispielsweise von BICEP2 gemessenen Polarisationsmustern quasi abgezogen werden – und das Signal der kosmischen Inflation – so es denn existiert, wird so messbar.

Die Forscher der POLARBEAR-Kollaboration jedenfalls schließen nicht aus, dass sich mit Hilfe von BICEP2 und POLARBEAR doch noch beweisen lässt, dass sich unser Kosmos in seiner frühesten Anfangszeit sehr schnell und extrem ausdehnte und dass die Gravitationswellen dieser kosmischen Inflation Spuren im ersten Licht des Universums hinterließen. Sollte dies in naher Zukunft gelingen, wäre ein wichtiger Baustein unseres kosmologischen Weltbilds bestätigt. (Astrophysical Journal, in press, arXiv:1403.2369)

(University of California Berkeley / San Diego, 23.10.2014 – NPO)