Der kosmische Mikrowellenhintergrund entspricht dem ersten Licht, das nach dem Urknall emittiert wurde. Es erfüllt immer noch das gesamte Universum und ist wie eine Momentaufnahme seiner Anfänge. Durch seine Analyse können Forscher in der Zeit zurückreisen und verstehen, wie sich der Kosmos gebildet hat.
Dieses Licht besitzt eine Eigenschaft namens Polarisation, die man mit einer Ausrichtung vergleichen kann. Theoretisch könnte sich diese Ausrichtung während ihrer Reise durch das Universum leicht drehen. Dieses Phänomen wird als kosmische Doppelbrechung bezeichnet.
Diagramm zur Veranschaulichung der Mehrdeutigkeit von Polarisationsdrehungen.
Quelle: Naokawa, Namikawa, higgstan.com
Warum ist diese Drehung wichtig? Weil sie durch noch unbekannte Teilchen verursacht werden könnte, die zum Beispiel mit dunkler Materie in Verbindung stehen. Eine klare Messung dieser Drehung wäre daher ein wertvoller Hinweis auf die Zusammensetzung des Universums.
Doch diese Drehung zu messen, ist äußerst schwierig. Bislang stießen Wissenschaftler auf eine Mehrdeutigkeit. Es ist, als ob man auf eine Uhr schaut, ohne zu wissen, wie viele volle Umdrehungen die Zeiger bereits gemacht haben. Man sieht die Endposition, aber nicht die Gesamtzahl der Drehungen.
Frühere Messungen deuteten auf eine kleine Drehung von etwa 0,3 Grad hin. Sie konnten jedoch nicht ausschließen, dass sich das Licht in Wirklichkeit mehrmals vollständig gedreht hatte, bevor es uns erreichte. Dies führte zu einer großen Unsicherheit.
Um dieses Problem zu lösen, untersuchten die Forscher ein spezielles Signal namens "EB" im Detail. Dieses Signal enthält feine Informationen über die Polarisation des Lichts. Durch eine genauere Analyse gelang es ihnen, diese Mehrdeutigkeit aufzulösen. Sie können nun nicht nur den endgültigen Drehwinkel bestimmen, sondern auch die Anzahl der vollständigen Umdrehungen.
Diese Verbesserung betrifft nicht nur die Doppelbrechung. Sie verändert auch die Interpretation anderer kosmologischer Signale, wie die "EE"-Korrelation. Diese ist mit wichtigen Phasen der Geschichte des Universums verbunden, insbesondere mit der Zeit, in der die ersten Sterne die umgebende Materie veränderten.
Durch die Verfeinerung dieser Messungen erhalten die Wissenschaftler ein genaueres Bild dieser großen Phasen der kosmischen Entwicklung. So lässt sich besser verstehen, wie das Universum von einem einfachen Zustand zu der komplexen Struktur überging, die wir heute beobachten.
Zukünftige Instrumente wie das Simons Observatory oder der Satellit LiteBIRD sollten voll von dieser Methode profitieren. Sie werden die Polarisation mit einer noch nie dagewesenen Präzision messen können.
Parallel dazu zielen andere Arbeiten darauf ab, fehlerhafte Signale der Instrumente selbst zu korrigieren, indem sie Himmelsobjekte als Referenz nutzen. All dies könnte ein Fenster zu noch unbekannten Aspekten der Physik öffnen, wie der Natur der dunklen Materie oder der dunklen Energie.
Quelle: Physical Review Letters