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Neue Analyse des ältesten Lichts prüft, ob das Universum verdreht ist
Winziger Drehwinkel, große Frage: Frühere Analysen deuten darauf hin, dass die Polarisation der kosmischen Hintergrundstrahlung um nur wenige Zehntelgrad verdreht sein könnte. Ein neuer, von der absoluten Drehung unabhängiger Kalibriercheck findet in acht Planck-Datensätzen keinen signifikanten Widerspruch. Das stärkt die Kalibriergrundlage des Signals, bestätigt die kosmische Doppelbrechung aber nicht eigenständig.
La Jolla (U.S.A.). Die kosmische Hintergrundstrahlung ist das älteste Licht des Universums und wurde rund 380.000 Jahre nach dem Urknall frei. Ihre Polarisation, also die bevorzugte Schwingungsrichtung des Lichts, bewahrt Spuren der frühen kosmischen Entwicklung. Seit einigen Jahren deuten Analysen darauf hin, dass sich diese Polarisation auf dem Weg zu uns leicht gedreht haben könnte.
Eine solche kosmische Doppelbrechung wäre besonders interessant, weil sie auf paritätsverletzende Physik jenseits des Standardmodells hinweisen könnte. Doch ein ähnlich kleiner Fehler in der Ausrichtung der Polarisationsempfänger kann nahezu denselben Effekt vortäuschen. Aus dem Mikrowellenhintergrund allein lassen sich kosmische Drehung und gemeinsamer Instrumentenfehler deshalb nicht eindeutig trennen.
Forscher der University of California San Diego (UC San Diego) um Anto I. Lonappan haben nun einen ergänzenden Test für genau diese Schwachstelle entwickelt. Das Team verglich Gruppen von Polarisationskarten so miteinander, dass eine Drehung, die in allen Karten gleichermaßen steckt, mathematisch herausfällt. Übrig bleiben nur die relativen Winkelunterschiede der Detektorsätze.
Für den Test nutzten die Forscher acht NPIPE-Polarisationskarten des Planck-Satelliten bei 100, 143, 217 und 353 Gigahertz. Daraus entstehen 28 Kartenpaare. Die neue Methode bestimmt für jedes Paar nur den Unterschied der Detektorwinkel und rekonstruiert daraus das relative Kalibriermuster. Anders als die etablierte Minami-Komatsu-Methode verwendet dieser Vergleich nicht das Vordergrund-EB-Modell, mit dem dort die absolute Drehung verankert wird.
„Das Signal, nach dem wir suchen, ist unglaublich klein, deshalb müssen wir sicher sein, dass wir das Universum sehen und nicht unser Instrument. Unsere Methode gibt uns eine ergänzende Möglichkeit, diese Unterscheidung zu überprüfen. Bevor wir eine winzige Drehung als neue Physik interpretieren, wollen wir wissen, dass wir der Kalibrierung selbst vertrauen können“, sagt Anto I. Lonappan.
Das Ergebnis: Beide Rekonstruktionen liefern für die relativen Detektorwinkel ein konsistentes Muster. Der statistische Vergleich ergibt χ² = 8,18 bei sieben Freiheitsgraden. Unter der Annahme, dass beide Rekonstruktionen dasselbe Kalibriermuster beschreiben, liegt die Wahrscheinlichkeit für eine mindestens so große Abweichung bei 32 Prozent. Auch die größten Abweichungen einzelner Karten bleiben unter 1,8 Standardabweichungen.
Das ist jedoch keine unabhängige Bestätigung der kosmischen Doppelbrechung. Beide Auswertungen verwenden dieselben Planck-Karten. Unabhängig sind hier nur der Schätzer und der Weg, mit dem das Kalibriermuster rekonstruiert wird. Die neue Methode prüft deshalb vor allem, ob die detektorabhängigen Winkel aus der etablierten Analyse auch ohne deren absolute Vordergrundverankerung in den Polarisationsdaten wiederauftauchen.
Für Karten unterschiedlicher Frequenzen hängt der Test von einer zusätzlichen Annahme über galaktischen Staub ab. An den ausgewählten Planck-Daten schätzt das Team den dadurch möglichen Winkelbias auf weniger als 0,01 Grad. Vollständige End-to-End-Simulationen mit räumlich veränderlichem Staub, Frequenzdekorrelation und realistischen Systematiken stehen laut Studie noch aus.
Die neue Methode kann den gemeinsamen Nullpunkt aller Detektorwinkel absichtlich nicht bestimmen. Für eine absolute Aussage über die kosmische Doppelbrechung braucht sie daher einen externen Kalibrieranker. Für Planck existiert nach Angaben der Autoren kein externer Anker mit einer Genauigkeit unter 0,1 Grad. Als D