Sachs-Wolfe-Effekt

Hintergrundstrahlung, aufgenommen durch den Satelliten WMAP

Planck

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. Er ist nach Rainer Kurt Sachs und Arthur Michael Wolfe benannt, 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, d. h. zur Zeit der Rekombination, gewesen sein muss. Insbesondere lässt sich damit auch der Krümmungsparameter k der Raumzeit feststellen.

Zu dieser Zeit war die Materieverteilung im Universum an einigen Stellen bereits anisotrop, und so gab es hier und da kleine Verdichtungen, deren Gravitationspotentiale die der isotropen Umgebung übertraf. Anschaulich kann man sich ein Potential wie eine Vertiefung in einer ebenen Fläche vorstellen, wobei die Größe des Potentials mit steigender Tiefe zunimmt. Wenn nun ein Photon in ein solches Gravitationspotential eintritt, so erhält es aufgrund des Eintritts Energie. Während das Photon sich in das Potential hineinbewegt, expandiert jedoch das Universum um ein Stück weiter, sodass das Potential durch die Dehnung der Raumzeit in der anschaulichen Vorstellung flacher wird. Daher muss das Photon beim Austritt weniger Energie wieder abgeben, als es vorher erhalten hatte. Im Endeffekt bedeutet dies, dass das Photon an Energie gewinnt – diese Energie befand sich vorher im Potential. Dies ist gerade der Sachs-Wolfe-Effekt, durch den die kosmische Hintergrundstrahlung anisotrop wurde. Während die Photonen auf dem Weg durch das Universum zu uns sind, durchlaufen sie noch viele weitere Gravitationspotentiale, die allerdings nur eine vernachlässigbare Wirkung auf die Photonen haben und daher nicht mehr zum Sachs-Wolfe-Effekt gehören.

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 es allerdings auch sein, dass das Universum einfach sehr schwach gekrümmt ist und dies im Bereich des Messfehlers liegt.

Im Mai 2009 wurde das ESA-Teleskop Planck gestartet und wird eine noch zehnmal genauere Auflösung der Hintergrundstrahlung liefern und bessere Untersuchungen ermöglichen.

Literatur

• R. K. Sachs, A. M. Wolfe: Perturbations of a Cosmological Model and Angular Variations of the Microwave Background. In: The Astrophysical Journal. 147, 1967, S. 73, doi:10.1086/148982.

Videos

• Was ist der Sachs-Wolfe-Effekt? aus der Fernseh-Sendereihe alpha-Centauri

Einzelnachweis