Sachs-Wolfe-Effekt

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Hintergrundstrahlung, aufgenommen durch den Satelliten WMAP

Der Sachs-Wolfe-Effekt erklärt Fluktuationen der Rotverschiebung der Photonen der kosmischen Hintergrundstrahlung. Er ist neben der Silk-Dämpfung und akustischen Schwingungen des Plasmas im frühen Universum einer von drei Effekten, mit denen es in der Astrophysik möglich ist, Zustände im frühen Universum zu berechnen. Der Effekt ist benannt nach Rainer K. Sachs und Arthur M. Wolfe, die ihn 1967 entdeckten.

Er ermöglicht es, aus den Fluktuationen der Rotverschiebung der kosmischen Hintergrundstrahlung abzulesen, wie die Materiestruktur im Weltall etwa 400.000 Jahre nach dem Urknall, zur Zeit der Rekombination, gewesen sein muss. Insbesondere lässt sich damit der Krümmungsparameter k der Raumzeit feststellen.

Zu dieser Zeit war die Materieverteilung im Universum an einigen Stellen bereits anisotrop und so gab es kleine Verdichtungen, deren Gravitationspotentiale die der isotropen Umgebung übertraf. Anschaulich lässt sich ein Potential wie eine Vertiefung in einer ebenen Fläche vorstellen, wobei die Größe des Potentials mit steigender Tiefe zunimmt. Wenn ein Photon in ein solches Gravitationspotential gerät, so erhält es aufgrund des Eintritts Energie. Während sich das Photon in das Potential hineinbewegt, expandiert jedoch das Universum weiter, sodass das Potential durch die Dehnung der Raumzeit in der anschaulichen Vorstellung flacher wird. Daher muss das Photon beim Austritt weniger Energie, als es vorher erhalten hatte, wieder abgeben. Im Endeffekt bedeutet dies, dass das Photon jene Energie gewinnt, die sich vorher im Potential befand. Dies ist der Sachs-Wolfe-Effekt, durch den die kosmische Hintergrundstrahlung anisotrop wurde. Während die Photonen auf dem Weg durch das Universum sind, durchlaufen sie weitere Gravitationspotentiale, die im Fall von großen Materie-Voids und -Clustern mäßige Wirkung auf die Photonen haben, welche aus dem integrierten (late-time) Sachs-Wolfe-Effekt resultiert.

Mit WMAP ist es im Jahre 2001 gelungen, durch diesen Effekt starke Hinweise für die Existenz der hypothetischen dunklen Energie zu erhalten. Diese in ihrer Natur noch unbekannte Energie ist für die Expansionsbewegung des Universums verantwortlich. Sie macht etwa 70 % der Energie des Universums aus. Der Krümmungsparameter k der Raumzeit ergab sich aus den Messungen zu k = 0, was bedeutet, dass das Universum eine flache Mannigfaltigkeit darstellt. Da eine perfekte Messung jedoch unmöglich ist, kann das Universum allerdings einfach sehr schwach gekrümmt sein und dies im Bereich des Messfehlers liegen.

Im Mai 2009 wurde das ESA-Teleskop Planck gestartet, das eine zehn Mal genauere Auflösung der Hintergrundstrahlung liefert und bessere Untersuchungen ermöglicht.

Literatur[Bearbeiten]

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