Berechnung kosmologischer Modelle mit CMBFAST

Der Urknall gilt heute als das bestakzeptierte Modell für die Entstehung des Universums. Die Vorstellung übt nicht zu Unrecht eine gewisse Faszination aus. Obwohl die Information über die Frühphase des Universums weitgehend zerstört ist, gibt es mehrere Hinweise, die das Urknallmodell stützen:

  • Das Spektrum der 3-K-Hintergrundstrahlung, einer in alle Himmelsrichtung nahezu gleichmäßigen Mikrowellenstrahlung. Sie entspricht mit exzellenter Genauigkeit dem Schwarzkörperspektrum (Hohlraumstrahlung), also der Strahlung eines Körpers, der keinerlei Strahlung mit seiner Umgebung austauscht (was im Labor schwer zu bewerkstelligen ist, jedoch für das Universum als Ganzes eine sehr vernünftige Annahme ist).
  • Die beobachtete Häufigkeit der wichtigsten primordialen Nuklide (H, D, 3He, 4He und 7Li) stimmt bemerkenswert gut mit den theoretischen Vorhersagen des Nukleosynthesemodells überein, welches in Übereinkunft mit kernphysikalischen Reaktionen gewonnen wurde.

Eine der stärksten Stützen ist allerdings die Vorhersage von Anisotropien in der Hintergrundstrahlung, die in den letzten Jahren tatsächlich entdeckt und vermessen werden konnten. Diese Anisotropien besitzen typische Winkelauflösungen und Amplituden und ermöglichen es so, viele kosmologischen Parameter mit Messungen abzugleichen. Zu den Parametern gehören z.B.:

  • der Hubble-Parameter H0, der die Expansionsrate des Universums angibt und eine Beziehung zwischen der Entfernung von Objekten und der Fluchtgeschwindigkeit herstellt,
  • q0, welches das Maß bezeichnet, mit dem das Universum gegenwärtig abgebremst (oder auch beschleunigt) wird, oder
  • der Dichteparameter Ω0, der die mittlere Massendichte des Universums bezeichnet.

Die Dynamik des Universums kann im wesentlichen durch diese Parameter beschrieben werden (Kosmologie im Rahmen dieses Zirkulars kann natürlich nur unzureichend behandelt werden. Bei eingehendem Interesse sei untenstehender Literaturhinweis ans Herz gelegt). Die Messung dieser Parameter gestaltete sich bislang als außerordentlich schwierig. Weltweit arbeitet die Astronomengemeinde gemeinsam an der Bestimmung dieser Parameter und der Bestätigung oder Falsifizierung der gegenwärtigen kosmologischen Modelle.

Wie diese Form der Zusammenarbeit aussehen kann, möchte ich an einem Beispiel kurz vorstellen.

CMBFAST ist ein Programmpaket, geschrieben von den Kosmologen Seljak und Zaldarriaga in Fortran, welches anhand der oben erwähnten kosmologischen Parameter Strukturen in der Hintergrundstrahlung simuliert. Die beiden Programmautoren waren so frei und haben ihre Quelltexte zum freien Download zur Verfügung gestellt. Jede Forschergruppe weltweit kann die Pakete portieren, sie nutzen und damit Parametersätze an Eigenbeobachtungen anfitten lassen. Ein hervorragendes Beispiel der Zusammenarbeit unter Wissenschaftlern: jeglicher Aufwand zur Eigenentwicklung, der für die Forschungsarbeit anderer Gruppen ein Hindernis wäre, entfällt somit. Ferner findet ein reger Austausch zwischen den Forschergruppen im Zusammenhang mit diesem Programmpaket statt.

Für interessierte Amateure gibt es sogar ein Webfrontend, welches eigene Experimente mit kosmologischen Parametern erlaubt (erfordert allerdings etwas Sachkenntnis). Profiastronomen müssen jedoch für ihre Zwecke eher auf leistungsfähige Großrechner zugreifen.


Liddle, Einführung in die moderne Kosmologie, Wiley-VCH 2009
CMBFAST Web Interface: http://lambda.gsfc.nasa.gov/toolbox/tb_cmbfast_form.cfm