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Neue Daten erhärten die Theorie, dass das Universum nicht in allen Richtungen gleich expandiert, sondern eine asymmetrische Expansion vorliegt, wie 'welt der physik' meldet: hier.

Beijing (China) - Das Universum expandiert nicht gleichmäßig in alle Richtungen. Diesen für die Astrophysiker unangenehmen Verdacht haben zwei chinesische Forscher mit einer sorgfältigen Analyse von 557 explodierenden Sternen - so genannten Supernovae - erhärtet. Damit gerät ein Grundpfeiler der Kosmologie ins Wanken, nämlich die Annahme, dass das Universum homogen und isotrop ist, sich also an jedem Ort und in jede Richtung gleich verhält.

In den 1920er Jahren entdeckten Edwin Hubble und andere Astronomen, dass das Universum nicht unveränderlich ist, sondern sich permanent ausdehnt - alle Galaxien scheinen voneinander weg zu fliegen. Nahezu sieben Jahrzehnte lang galt als eherner Grundsatz der Kosmologie, dass diese Expansion des Weltalls durch die Schwerkraft langsam abgebremst wird. Doch in den 1990er Jahren zeigten Beobachtungen ferner Supernovae, dass ganz im Gegenteil die kosmische Expansion sogar beschleunigt verläuft. Als Ursache für die Beschleunigung postulierten die Astrophysiker eine "Dunkle Energie", eine bislang unbekannte physikalische Eigenschaft des Vakuums.

Nun gerät ein weiterer eherner Grundsatz der Kosmologie ins Wanken, das "Kosmologische Prinzip", nach dem das Universum sich an jedem Ort und in jeder Richtung gleich verhält. Diese Symmetrieannahme ist eine wichtige Grundlage kosmologischer Modelle, mit denen die Forscher die Entstehung und Entwicklung des Kosmos beschreiben. In den vergangen Jahren mehrten sich jedoch die Anzeichen dafür, dass die Beschleunigung der kosmischen Expansion nicht in alle Richtungen gleich groß ist.

Den bislang besten statistischen Beweis für diese Asymmetrie liefern nun anscheinend Rong-Gen Cai und Zhong-Liang Tuo von der Chinesischen Akademie der Wissenschaften in Beijing. Ihre Analyse der Daten von 557 Supernovae zeigt, dass die Expansion des Universums in Richtung auf das Sternbild Fuchs am stärksten beschleunigt ist. "Wenn eine solche bevorzugte kosmologische Richtung wirklich existiert," so schreiben die beiden Forscher in ihrer online publizierten Analyse, "dann müssen künftig anisotrope kosmologische Modelle ernsthaft in Betracht gezogen werden." Allerdings ist diese Arbeit noch nicht durch unabhängige Wissenschaftler geprüft.

Heute sind zwei Zwillingssonden zum Mond gestartet, um das Innere des Mondes zu erforschen, wie astronews.com berichtet: hier.

Der Mond ist nicht nur ein weiterer Himmelskörper, der zudem die Erde umkreist und daher ein lohnendes Forschungsobjekt darstellt, vor der eigenen Haustür. Mehr noch, für mich ist der Mond so etwas wie ein unerforschter Kontinent der Erde, stammt er doch vermutlich von ihr. Ein natürliches Siedlungsgebiet als Vorposten der Menschheit im All.

Anfang des Jahres hatte ich in meiner Rezension von Dr. Michael Königs Buch über die Urwort - Theorie geschrieben, dass diese Theorie sogar experimentell überprüfbare Vorhersagen macht: hier.

Dies erwähnt zwar nicht der Autor, aber ich bin der Meinung, dass es zumindest ein weiteres Neutrino-Teilchen neben Elektron-, Myon- und Tau-Neutrino geben muss, wenn die Urwort-Theorie korrekt ist.

Leider hat der Autor bislang auf einen Formelapparat verzichtet, aber aus den im Buch ausführlich dargelegten Überlegungen kann man dennoch Schlussfolgerungen ziehen.

Eine weitere ergibt sich aus dem Energiefluss der Eta-Teilchen, die nicht nur von der Lambda-Quelle weg, sondern auch zu ihr hin fließen. Wobei es einen Überschuss von wegfließenden Eta-Teilchen (oder genauer von Energie auf dem Eta-Teilchen) gibt. Deswegen beschreibt König die Eta-Teilchen als eine Art von Doppelvektoren.

Das ist wiederum spannend. Wenn man sich vorstellt, dass Spinoren im wesentlichen als eine Art Quadratwurzel von Vektoren aufgefasst werden können, dann schließen wir daraus, dass zumindest die Neutrinos in ihre eigenen Anti-Teilchen mit gegenläufigem Spin oszillieren können sollten, wobei dann aber eine Paritätsverletzung auftreten sollte. Auch davon schreibt der Autor nichts. Das soll kein Vorwurf sein, ich will nur klarstellen, dass ich ihm nichts in den Mund - oder ins Buch - legen möchte.

Somit habe ich zumindest zwei mögliche Experimental-Kriterien, um entweder zu sehen, ob an der Theorie 'etwas dran' ist...

Nun gibt es eine interessante Meldung zu diesem Thema, denn die von mir damals genannten Eigenschaften sind nur dann möglich, wenn der Mischungswinkel theta13, betrifft die Fähigkeit einer bestimmten Oszillation des Neutrinos, größer als Null ist. Und genau dafür gibt es ernsthafte Indizien, wie astronews.com ausführlich berichtet: hier.

Der experimentelle Nachweis der Neutrino-Oszillationen (und damit einer von null verschiedenen Neutrino-Masse) gehört zu den großen Durchbrüchen der modernen Teilchenphysik in den vergangenen 20 Jahren. Die Übergänge zwischen den unterschiedlichen Neutrino-Familien hängen von den drei so genannten Mischungswinkeln theta12, theta23 und theta13 ab. Sie und die Unterschiede in den Teilchenmassen bestimmen, wie häufig Übergänge zwischen den einzelnen Familien zu erwarten sind. Zwei der Mischungswinkel sind bereits bekannt, der Wert des verbleibenden dritten, theta13, ist derzeit Gegenstand der Forschung.

Bekannt war bisher lediglich, dass es sich um einen kleinen Wert handeln sollte, verglichen mit den beiden anderen; insbesondere konnte theta-13 gleich null nicht ausgeschlossen werden. Bereits mehrere unabhängige Projekte gingen in der Vergangenheit daran, den schwer zu bändigenden Parameter zu bestimmen - ohne Erfolg. Dem Chooz-Experiment in Frankreich gelang es 1998 immerhin eine obere Grenze anzugeben: die Forscher konnten damals zeigen, dass die von theta-13 verursachte Schwingung nicht größer als etwa ein Zehntel der beiden anderen Mischungsparameter sein kann.

Vor drei Jahren gelang einer Gruppe theoretischer Physiker, darunter Antonio Palazzo, heute am Exzellenzcluster Universe, ein weiterer wichtiger Schritt: Zusammen mit seinen damaligen Kollegen an der Universität und am INFN Bari (Italien) konnte Palazzo die ersten Hinweise auf einen endlichen Wert von theta13 ausmachen. Grundlage für dieses Ergebnis war eine genaue Analyse aller bis dahin verfügbaren experimentellen Daten zur Neutrino-Oszillation. Mit den Experimenten MINOS und T2K (Tokai to Kamioka) konnten Wissenschaftler den Wert in der Zwischenzeit weiter eingrenzen. Auch hier deutet alles auf einen endlichen Wert von theta13 hin; die Theoretiker sehen sich damit bestätigt.

Inzwischen haben die gleichen Wissenschaftler eine statistische Auswertung durchgeführt, in die sowohl ihre neuen Daten als auch frühere Ergebnisse des T2K- und des MINOS-Experiments eingeflossen sind. Danach beträgt die Wahrscheinlichkeit, dass theta13 gleich null ist, nur noch 1:400. Die Analyse wird in Kürze in der Fachzeitschrift Physical Review D erscheinen.

Doch auch dieser Wert ist den Physikern noch zu unsicher: Ihr Ziel ist es, die Wahrscheinlichkeit, das theta13 gleich null ist, auf mindestens 1:1 Millionen zu reduzieren. Aus diesem Grund starten die Forscher nun weitere Projekte. Eine wesentliche Rolle wird dabei das Reaktor-Experiment Double-Chooz spielen, an dem Physiker des Universe Clusters maßgeblich beteiligt sind (astronews.com berichtete). Mit Hilfe des Antineutrino-Flusses des Atomkraftwerks in der französischen Gemeinde Chooz soll der Wert von theta13 mit bisher unerreichter Genauigkeit gemessen werden.

Das Prinzip des Double-Chooz-Experiments ist denkbar einfach: Unmittelbar nach ihrer Erzeugung im Reaktor trifft ein Teil der Antineutrinos auf einen nur 400 Meter entfernt gelegenen Detektor. Die räumliche Nähe stellt sicher, dass es zwischen Emission und erster Detektion zu keinen (oder nur äußerst wenigen) Oszillationen kommt. Der erste Detektor misst daher überwiegend Elektron-Antineutrinos, die noch keine Zeit hatten, sich in Myon- oder Tau-Antineutrinos zu verwandeln. Ein zweiter Detektor von identischer Bauweise liegt etwa 1.050 Meter vom Reaktor entfernt. Wenn der Wert des Mischungswinkels theta13 groß genug ist, wird ein Teil der Elektron-Antineutrinos zu Myon- oder Tau-Antineutrinos. Damit wäre die am zweiten Detektor gemessene Elektron-Antineutrino-Rate deutlich geringer, als dies ohne Oszillationen zu erwarten wäre.

Beide Detektoren sind mit etwa 10 Tonnen einer Szintillationsflüssigkeit gefüllt. Tritt ein Elektron-Antineutrino in Wechselwirkung mit einem Proton innerhalb der Flüssigkeit, kommt es zum inversen Beta-Zerfall: Das Elektron-Antineutrino wird von einem Proton eingefangen, das sich unter Emission eines Positrons in ein Neutron umwandelt. Beide Teilchen erzeugen in der Flüssigkeit kurze Blitze, die einem festgelegten Zeitintervall folgen. 390 Photo-Sensoren an den Gefäßwänden registrieren die Geschehnisse. Das Double-Chooz-Experiment läuft seit April 2011 und hält in den kommenden fünf Jahren nach entsprechenden Signalen Ausschau.


Theta13 > 0 ist für die Urwort-Theorie selbst zwar noch keine hinreichende Bedingung, aber eine notwendige. Die Bedeutung vom Wert von Theta13 ist genauso groß, wie die Existenz der Supersymmetrie für die M-Theorie/String-Theorien. Für die Supersymmetrie auf Teilchenebene gibt es bislang keine experimentellen Hinweise. Eher das Gegenteil ist bislang der Fall, die supersymmetrische Luft - sosehr ich diese Symmetrie wegen ihrer mathematischen Eleganz gerne sähe - wird mit zunehmenden Daten des LHC immer dünner. Und ohne Supersymmetrie gibt es eben auch keine M-Theorie, keine Superstrings. Ganz im Gegensatz zum Wert von Theta13 > 0. Tatsächlich sieht es ganz danach aus, dass die Urwort-Theorie diesen für sie notwendigen Test besteht!

Der Mars-Rover Opportunity ist nun an einem neuen Krater angekommen und findet beim ersten Marsgestein dort eine ganz andere Zusammensetzung, als in den letzten 7,5 Jahren seines Verweilens auf dem Mars zuvor, wie astronews.com berichtet: hier.

"Dieses Gestein unterscheidet sich von allen anderen Gesteinen, die wir bislang auf dem Mars untersucht haben", erläutert Steve Squyres, der verantwortliche Wissenschaftler für Opportunity an der Cornell University. "Seine Zusammensetzung ähnelt der von bestimmtem Vulkangestein, der Anteil von Zink und Brom ist aber sehr viel höher. Die Entdeckung zeigt, dass die Ankunft am Endeavour-Krater einer zweiten Landestelle für Opportunity gleichkommt."

Das Rover-Team hofft nun, dass die ungewöhnliche Zusammensetzung von Tisdale 2 nur ein erster Vorgeschmack auf zahlreiche weitere Entdeckungen am Rand des Endeavour-Kraters sein wird. Der Rover hatte in den vergangenen zwei Wochen den Brocken an verschiedenen Stellen mit Hilfe der Kamera für extreme Nahaufnahmen sowie in unterschiedlichen Wellenlängenbereichen mit der Panorama-Kamera untersucht.

Bei früheren Beobachtungen aus dem Marsorbit hatten Wissenschaftler Hinweise darauf entdeckt, dass das Gestein am Rand des Endeavour-Kraters aus einer frühen Phase der Marsgeschichte stammen muss, da sich hier auch Mineralien finden lassen, die nur unter feuchteren Bedingungen entstehen konnten. Damals herrschten auf dem Mars somit vermutlich auch lebensfreundlichere Bedingungen als heute. Vom ursprünglichen Rand des Endeavour-Kraters sind inzwischen nur noch einige Bergrücken übrig. Opportunity erreichte den Kraterrand an einem "Cape York" genannten Bergrücken. Die Lücke zwischen diesem und dem nächsten Überrest des Kraterrandes trägt den Namen "Botany Bay".

"Auf dem letzten Teil unseres Wegs nach Cape York haben wir Gesteinsbrocken in Botany Bay gesehen, die mit nichts vergleichbar sind, was Opportunity bis dahin entdeckt hat", erläutert Ray Arvidson von der Washington University in St. Louis. "Am Rand von Cape York konnten wir Strukturen erkennen, die wie Sedimentgestein aussehen, das zerteilt wurde und in das anderes Material eingedrungen ist, möglicherweise mit Hilfe von Wasser. Wir haben uns entschieden, das alte Gestein von Cape York zuerst zu untersuchen."

Eine Entdeckung eines 13 Mrd. Lichtjahre entfernten Sterns widerspricht den bisherigen Sternentstehungstheorien, wie astronews.com berichtet: hier.

Der extrem lichtschwache Stern im Sternbild Löwe trägt den sperrigen Namen SDSS J102915+172927. Er wurde im Rahmen des Sloan Digital Sky Survey (SDSS), einem internationalen Projekt zur Durchmusterung bestimmter Bereiche des Himmels mit Hilfe von Spektrallinien, katalogisiert. Die Ziffern in seiner Bezeichnung entsprechen seinen Koordinaten am Himmel. Der Stern hat eine etwas geringere Masse als die Sonne und ist vermutlich mehr als 13 Milliarden Jahre alt.

Nach den Beobachtungen des europäischen Wissenschaftlerteams beinhaltet SDSS J102915+172927 im Vergleich zu allen bislang untersuchten Sternen den geringsten Anteil an chemischen Elementen, die schwerer als Helium sind. Die Eigenschaften des Sterns wurden mit Hilfe der beiden Spektrografen X-Shooter und UVES am Very Large Telescope (VLT) der ESO in Chile untersucht. Damit kann das Licht von Himmelskörpern in seine Farbbestandteile zerlegt werden, was den Astronomen etwas über die Häufigkeit verschiedener chemischer Elemente in der Atmosphäre eines Sterns verrät.

Auf diese Weise haben die Forscher herausgefunden, dass der Gehalt von schweren Elementen in SDSS J102915+172927 rund 20.000-mal geringer ist als in der Sonne. Die Wissenschaftler konnten bei der ersten Messung nur ein einziges chemisches Element schwerer als Helium - nämlich Kalzium - nachweisen. Erst mit zusätzlichen Beobachtungen gelang es den Forschern aus Deutschland, Frankreich und Italien, noch weitere Metalle aufzuspüren. "Die allgemein akzeptierte Theorie besagt, dass Sterne wie dieser aufgrund ihrer geringen Masse und des extrem geringen Anteils an schweren Elementen gar nicht existieren sollten. Schon die Gas- und Staubwolken, aus denen ein solcher Stern entsteht, hätten sich nach dem gängigen astronomischen Verständnis gar nicht ausreichend verdichten können", erläutert Caffau, die an der Landessternwarte Königstuhl des ZAH forscht.

"Zum ersten Mal wurde ein Stern in einer 'verbotenen Zone' der Sternentstehung entdeckt. Das war für uns eine große Überraschung. Nun werden die Astrophysiker einige ihrer Modelle für die Entstehung von Sternen überdenken müssen", vermutet die Wissenschaftlerin. Kosmologen gehen davon aus, dass die beiden leichtesten chemischen Elemente Wasserstoff und Helium zusammen mit Spuren von Lithium kurz nach dem Urknall entstanden sind. Nahezu alle anderen, schwereren Elemente sind erst viel später gebildet worden, entweder durch Fusionsprozesse im Inneren von Sternen oder bei Supernova-Explosionen am Ende eines Sternlebens. Nach der Explosion wird das metallreiche Material mit dem interstellaren Medium, der Materie im Raum zwischen den Sternen, vermischt.

Eine weitere Überraschung ist der Mangel an Lithium in SDSS J1072915+172927, denn ein so alter Stern sollte eigentlich in etwa dieselbe Elementzusammensetzung haben wie das Universum kurz nach dem Urknall. Der Lithiumanteil des Sterns ist jedoch fünfzig Mal geringer, als dies die Berechnungen zur kosmologischen Elemententstehung erwarten lassen würden. Für das europäische Forscherteam ist es bislang ein Rätsel, wie das Lithium, das sich zu Beginn des Universums gebildet haben muss, in diesem Stern zerstört wurde.

Die Wissenschaftler sind allerdings überzeugt, dass es sich bei diesem seltsamen Stern nicht um ein Unikat handelt: "Wir haben noch eine ganze Reihe von Kandidaten, die einen ähnlich geringen Metallgehalt haben könnten wie SDSS J102915+172927, vielleicht sogar einen noch geringeren. Deshalb wollen wir diese Sterne ebenfalls mit dem VLT überprüfen", so Caffau. So wollen sich die Astronomen Schritt für Schritt an die allererste Sterngeneration herantasten.