Es sieht ein wenig so aus, als hätte irgendwer mitten in der australischen Wüste einen Tisch vergessen. Zwei Meter lang, einen Meter hoch, mitten im roten Sand und ohne Stühle. Aber es ist ja auch kein Tisch, sondern ein Teleskop. Ein Teleskop, mit dem Astronomen kürzlich nicht nur herausgefunden haben, wann die allerersten Sterne im Universum anfingen zu leuchten, sondern auch interessante Hinweise auf die immer noch unverstandene dunkle Materie gefunden haben.

Ein wissenschaftlicher Tisch in der Wüste (Bild: Csiro)

Ein wissenschaftlicher Tisch in der Wüste (Bild: Csiro)

Das erste und das zweite Licht

Bevor wir uns den Tisch genauer ansehen, schauen wir aber erst noch einmal zurück zum Anfang. In dem Fall wirklich zum Anfang: Zum Urknall, vor 13.8 Milliarden Jahren. Damals gab es weder Australien, Astronomen oder Tische. Es gab auch keine Sterne. Es gab nicht einmal Atome. Es gab – wenn wir den allerersten Anfang kurz überspringen – jede Menge Atomkerne von Wasserstoff- und Heliumatomen, jede Menge Elektronen und jede Menge Strahlung. Die Strahlung konnte sich aber nicht ausbreiten. Die Temperatur im frühen Universum war so groß, dass Elektronen und die Atomkerne sich nicht zu vollständigen Atomen verbinden konnten; dafür waren sie dank der hohen Temperatur zu schnell unterwegs. Und das Licht kam einfach nicht vorwärts, weil es ständig auf die überall herumschwirrenden Elektronen stieß. Das ganze ging knapp 400.000 Jahre so, dann war der Kosmos kühl genug, damit sich die ersten Atome formen konnten. Das Licht – das erste Licht im Universum – hatte nun endlich freie Bahn und konnte sich ausbreiten. Ein Teil davon tut das heute noch und wir haben es in den 1960er Jahren das erste Mal beobachtet. Man nennt es die “kosmische Hintergrundstrahlung” (ich habe hier ausführlicher davon erzählt) und sie ist eine der wichtigsten Informationsquellen über das frühe Universum.

Sterne kommen erst am Schluss - davor war es finster im Universum (Bild: ©N.R.Fuller, National Science Foundation)

Sterne kommen erst am Schluss – davor war es finster im Universum (Bild: ©N.R.Fuller, National Science Foundation)

Alles was von da an im Kosmos gab, waren riesige Wolken aus Wasserstoff (und ein wenig Helium). Irgendwann sind Teile dieser Wolken unter ihrem eigenen Gewicht kollabiert und es entstanden die allerersten Sterne. In ihrem Inneren startete die Kernfusion und sie schickten das zweite Licht des Universums auf die Reise. Astronomen sind seit langer Zeit auf der Suche nach den “Ur-Sternen”, bis jetzt aber ohne Erfolg. Es ist auch fraglich, ob sie jemals Erfolg haben werden. Die ersten Sterne waren riesig und sie verbrannten ihren Wasserstoff enorm schnell. Sie lebten nur kurz und explodierten als riesige Supernovas. Wenn wir ihr Licht sehen wollen, müssten wir enorm weit in der Zeit zurück blicken. Was in der Astronomie bedeutet: Wir müssen die ersten Sterne in ebenso enorm großen Entfernungen suchen; wir müssen mehr als 13 Milliarden Lichtjahre hinaus in den Kosmos blicken, um das Licht zu sehen, das vor mehr als 13 Milliarden Jahren von den Ur-Sternen ausgesandt worden ist. Aber das ist verständlicherweise schwierig. Zum Glück gibt es aber Methoden, mit denen man ihr Licht indirekt wahrnehmen kann. Methoden, für die man einen Tisch in der australischen Wüste aufstellen muss.

Wasserstoffradio

Denn der Tisch ist eigentlich ein Radioteleskop. Oder besser gesagt: Eine extrem empfindliche Antenne mit der man Radiostrahlung detektieren kann. Nicht, um zu hören, was das australische Radio gerade sendet. Man hat die Antenne deswegen mitten in der Wüste aufgestellt, weil man genau das nicht will. Man will nicht all die irdischen, menschengemachten Radiowellen empfangen, sondern die viel schwächeren Radiosignale aus dem Universum detektieren.

Es geht dabei nicht um irgendwelche Botschaften von außerirdischen Lebewesen. Wenn Astronomen in diesem Zusammenhang von “Radiosignalen” sprechen, meinen sie keine intelligenten Botschaften, sondern einfach nur elektromagnetische Strahlung mit bestimmten Wellenlängen. Das Licht, das unsere Augen sehen, ist ja auch nichts anderes als elektromagnetische Strahlung. Radiostrahlung ist exakt das gleiche Phänomen, nur ist ihre Wellenlänge zu lang, um von unseren Augen registriert zu werden. Und so wie Himmelskörper auf ganz natürliche Weise Licht aussenden können, können sie auch Radiowellen durchs All schicken.

Das können Sterne wie unsere Sonne – aber auch einzelne Atome, wie der Wasserstoff. Dieses einfachste aller Atome besteht aus einem Proton (das den Kern ausmacht) und einem Elektron (in der Hülle). Elektron und Proton können unterschiedliche quantenmechanische Eigenschaften haben und unterschiedliche Kombinationen dieser Eigenschaften entsprechenden unterschiedlichen “Zuständen” des Atoms. Wechselt der Wasserstoff von einem Zustand in den anderen, dann kann er dabei Energie abstrahlen und er tut das unter anderem in Form von Radiowellen mit einer Wellenlänge von 21 Zentimetern.

Das ist praktisch für die Astronomen, denn Wasserstoff war nicht nur von Anfang an im Universum sondern ist auch das häufigste Element. Wenn sie mit ihren Radioteleskopen den Kosmos durchsuchen, können sie jede Menge lernen. Und je weiter hinaus sie schauen, desto älter ist der Wasserstoff, den sie per 21-Zentimeter-Strahlung betrachten. Sie können so die Verteilung der allerersten Materie kartieren (nichts anderes ist im Prinzip die Messung der oben genannten kosmischen Hintergrundstrahlung). Und sich auf die Suche nach den allerersten Sternen machen.

Das Universum leuchtet auf

Offiziell heißt das Tisch-Teleskop in der australischen Wüste “Experiment to Detect the Global Epoch of Reionization Signature (EDGES)”, also das “Experiment zur Detektion der Signatur der globalen Epoche der Reionisation”. Mit “Reionisation” ist das gemeint, was passierte, als im Universum die ersten Sterne angeknipst wurden. Sie begannen zu leuchten; schickten aber nicht nur für unsere Augen sichtbares Licht ins All sondern auch zum Beispiel höherenergetische Ultraviolettstrahlung. Und als die auf den Wasserstoff in den noch vorhandenen großen Wolken traf, wurden die Wasserstoffatome “reionisiert”. Die energiereiche Strahlung entfernte das Elektron wieder vom Proton und der Wasserstoff konnte keine 21-Zentimeter-Strahlung mehr aussenden.

Die ersten Sterne leuchten - zumindest in dieser künstlerischen Darstellung (Bild: ©N.R.Fuller, National Science Foundation)

Die ersten Sterne leuchten – zumindest in dieser künstlerischen Darstellung (Bild: ©N.R.Fuller, National Science Foundation)

Die Hypothese lautet also: Wenn wir die 21-Zentimeter-Strahlung im Universum beobachten, sollten wir irgendwann in der Frühzeit des Kosmos eine Phase sehen, in der die Menge dieser Strahlung plötzlich ein wenig abfällt. An der Überprüfung dieser Hypothese haben sich Astronomen schon seit einiger Zeit versucht, aber der zu erwartende Effekt war sehr gering und man braucht wirklich viele und wirklich gute Daten, um eine Chance zu haben, ihn zu sehen. Der Artikel, den Judd Bowmann von der Arizona State University und seine Kollegen kürzlich veröffentlicht haben (“An absorption profile centred at 78 megahertz in the sky-averaged spectrum”) verkündete aber endlich Erfolg! Man hat ein Signal gesehen, das mehr oder weniger genau dem entspricht, was man sich erwartet hat: Einen Einbruch der 21-Zentimeter-Strahlung im frühen Universum. Gemessen hatte man das alles schon vor zwei Jahren; die Zeit seitdem haben die beteiligten Wissenschaftler damit verbracht, alles doppelt und dreifach zu prüfen. Zu schauen, ob nicht vielleicht doch irgendwelche störenden irdischen Quellen die Daten verfälscht haben oder ein anderes astronomisches Phänomen für die Beobachtung verantwortlich sein könnte. Und als ihnen nichts mehr einfiel, bei dem sie sich geirrt haben könnten, wurde die Entdeckung veröffentlicht.

Das spannende ist natürlich nicht nur die Tatsache, das man den Effekt der ersten Sterne gesehen hat. Wir wissen, dass es erste Sterne im Universum gegeben haben muss und wir wissen auch, dass ihre UV-Strahlung den Wasserstoff so beeinflusst, dass es Konsequenzen für die 21-Zentimeter-Strahlung haben muss. Das wirklich coole an der Sache ist, dass man mit dieser Beobachtung herausfinden kann, wann die ersten Sterne zu leuchten begannen.

Bis jetzt hat man das ganze auf “ein paar hundert Millionen Jahre nach dem Urknall” eingegrenzt. Beobachtungen der ältesten bekannten Galaxien zeigen, dass es 400 Millionen Jahre nach dem Urknall schon Sterne gegeben haben muss. Aber mit der Messung der Reionisierungs-Signatur kann man es viel genauer eingrenzen. Denn das Universum dehnt sich aus. Und Strahlung, die vor langer Zeit ausgesandt wurde, wird seitdem durch die Expansion des Raums immer weiter gestreckt. Wenn wir wissen, wie die Wellenlänge ursprünglich beschaffen war (was bei der 21-Zentimeter-Strahlung ja ganz offensichtlich der Fall ist), dann können wir aus der heute beobachteten Wellenlänge berechnen, wie lange die Strahlung schon unterwegs war. In diesem Fall lautet das Ergebnis: Die ersten Sterne sind 180 Millionen Jahre nach dem Urknall entstanden!

Kühlung mit dunkler Materie

Das ist ein wirklich tolles Ergebnis und ich freue mich, dass ich auf die mir nach Vorträgen so oft gestellte Frage “Wann sind die ersten Sterne entstanden?” jetzt endlich eine konkrete Antwort geben kann. Ebenso so faszinierend sind aber auch die neuen Fragen, die durch die Beobachtung aufgeworfen werden. Man hat die Auswirkungen des ersten Sternenlichts auf den ursprünglichen Wasserstoff zwar in etwa so gemessen, wie man es erwartet hatte. Was man nicht erwartet hatte, war das Ausmaß des Effekts. Es wurde viel mehr 21-Zentimeter-Strahlung blockiert als eigentlich blockiert werden sollte. Das kann, so der aktuelle Stand des Wissens und der Dinge, nur zwei Gründe haben. Entweder waren die ersten Sterne viel heißer als man dachte und erzeugten viel mehr Strahlung als erwartet. Oder die Wasserstoffwolken waren viel kühler als bisher angenommen. Beide Möglichkeiten sind gleichermaßen seltsam und unerwartet. Wie Sterne funktionieren, wissen wir eigentlich recht gut. Wir wissen, aus was sie damals entstanden sind und sollten eigentlich auch wissen, wie sie sich verhalten. Wenn wir nicht bisher irgendwas wirklich grundlegendes in Sachen Sternen übersehen haben, ist die zweite Möglichkeit wahrscheinlicher.

Irgendwas muss die Wasserstoffwolken gekühlt haben. Dieses “irgendwas” muss selbst kühler als der Wasserstoff gewesen sein. Recht viel Auswahl an Zeug haben wir im frühen Universum aber nicht, weil es da noch nicht wirklich viel Zeug gab. Es gab Wasserstoff und Helium. Und das war es auch schon wieder – zumindest was die normale Materie angeht. Was es aber auch noch gab, war dunkle Materie (und bevor wieder jemand meckert, dass man das ja nicht wissen kann und das die dunkle Materie nur eine Erfindung der Theoretiker ist, verweise ich auf meine ausführliche Serie zu dem Thema, in der ich mich mit all diesen Fragen beschäftige). Dunkle Materie, also eine Art von Materie, die sich von der normalen Materie grundlegend unterscheidet. Dunkle Materie übt Gravitationskraft aus und wird von Gravitationskraft beeinflusst. Aber sie übt keine elektromagnetische Kraft aus und wird von elektromagnetischer Kraft nicht beeinflusst. Sie leuchtet also nicht und sie kann auch nicht angeleuchtet werden – oder durch Strahlung aufgewärmt. Als normale und dunkle Materie entstanden, hatten sie beide die gleiche Temperatur. Aber weil dunkle Materie mit normaler Materie so gut wie gar nicht wechselwirkt, verhielten sie sich von da an unterschiedlich. Die dunkle Materie konnte vor allem viel schneller abkühlen; im Gegensatz zur normalen Materie hat sie die ganze elektromagnetische Strahlung im frühen Universum buchstäblich kalt gelassen.

Ein klein bisschen Wechselwirkung gibt es zwischen beiden Materiearten aber doch und über diese Wechselwirkung könnte die normale Materie ein wenig Energie an die dunkle Materie abgegeben haben. Das ist zumindest die Hypothese von Rennan Barkana von der Universität Tel Aviv, der die Ergebnisse von Bowmann und seinen Kollegen in einem zeitgleich erschienenen Fachartikel (“Possible interaction between baryons and dark-matter particles revealed by the first stars”) entsprechend interpretiert. Wie gesagt: Eine Hypothese – aber eine, aus der sich ein paar interessante Eigenschaft der dunklen Materie ableiten lassen, die man eventuell irgendwann bei anderen Beobachtungen überprüfen kann.

In der Zukunft blicken wir zurück!

Die Entdeckung der Auswirkung des ersten Sternenlichts auf das Universum ist ein wirklich schönes Stück Wissenschaft. Und noch schöner: Es ist noch lange nicht vorbei! In Zukunft müssen wir weiterhin zurück in die Vergangenheit des Kosmos schauen. Natürlich braucht es weitere Daten, die den ersten Befund bestätigen. Und es braucht Daten, um noch mehr herausfinden zu können. Entsprechende Radioteleskope muss man nicht mehr extra bauen. Es gibt sie schon, zum Beispiel LOFAR. Das steht nur ein paar Kilometer von meiner Wohnung in Jena entfernt, im Tautenburger Forst. Ok, dort steht ein Teil von LOFAR; die Antennen dieses Netzwerks findet man über die ganze Welt verteilt. Ich habe mir LOFAR (den Tautenburger Teil) vor ein paar Jahren mal angesehen und die Dinger schauen noch ein wenig unspektakulärer aus als der Tisch in der australischen Wüste.

Metall im Schnee - aber damit schauen wir in die tiefe Vergangenheit zurück!

Metall im Schnee – aber damit schauen wir in die tiefe Vergangenheit zurück!

Aber mit LOFAR könnte man nicht nur die Ergebnisse von EDGES bestätigen, sondern auch kartografieren, wo am Himmel mehr Strahlung blockiert wurde und wo weniger. Man kann (sehr, sehr vereinfacht) die Position der ersten Sterne und Wasserstoffwolken bestimmen und wenn da die wirklich auch noch die dunkle Materie im Spiel ist, sollte diese Verteilung nicht einfach irgendwie sein, sondern bestimmten Regeln folgen. Die Vergangenheit des Universums bleibt spannend!

Kommentare (35)

  1. #1 Peter Paul
    5. März 2018

    Sehr schöner Artikel, aber da hätte ich noch zwei Fragen :

    Die Hypothese lautet also: Wenn wir die 21-Zentimeter-Strahlung im Universum beobachten, sollten wir irgendwann in der Frühzeit des Kosmos eine Phase sehen, in der die Menge dieser Strahlung plötzlich ein wenig abfällt.

    Aber wieso steigt die Strahlung nach “kurzer” Zeit wieder an?

    Die dunkle Materie konnte vor allem viel schneller abkühlen

    Wie wird die dunkle Materie die “Wärme” schneller los als die normale? An der Raumausdehnung kann´s ja nicht liegen, denn die wirkt auf die normale Materie genauso. Aber die normale Materie hat wenigstens die Chance, noch einen Teil ihrer Energie durch el.mag. Strahlung loszuwerden, aber die Chance hat die dunkle Materia ja nicht, sonst wär´s ja keine dunkle Materie, oder habe ich da was falsch verstanden?

  2. #2 bruno
    Zu früh gefreut?
    5. März 2018

    http://www.spektrum.de/news/kritik-an-neuer-physik-im-radiosignal/1548579

    Oder möchte Aaron Parsons einfach auch mal ins Fernsehen??

  3. #3 pane
    5. März 2018

    @Peter Paul: So wie ich es verstanden habe: Doch, aus der Raumausdehnung. Die normale Materie heißt sich aber wegen der Strahlung wieder auf. Allerdings habe ich da auch die Frage, wo kommt die Strahlung her? Wenn sie von der normalen Materie stammt, so wäre das ein Nullsummenspiel.

    Aber was ist, wenn die dunkle Materie strahlt? Nehmen wir mal Neutrinos. Die verhalten sich ja so wie gewünscht, nur dass sie zu schnell sind. Wenn also ein Neutrino und ein Antineutrino zerstrahlt, dann entstehen Photonen. Richtig? Wieso eigentlich? Wieso die Austauschteilchen der elktromagnetischen Wechselwirkung und nicht etwa Gluonen oder W-Bosonen die Austauschteilchen der anderen Wechselwirkungen? Ist an der elektrischen Wechselwirkung irgend etwas besonderes? Oder habe ich da was sehr grundsätzliches nicht verstanden und es entstehen sehr wohl Gluonen?

  4. #4 schlappohr
    5. März 2018

    @Peter Paul
    “Aber wieso steigt die Strahlung nach “kurzer” Zeit wieder an?”

    Habe ich mich auch gefragt. Ich vermute, weil die ersten Sterne alle nach kurzer Zeit zur Supernova wurden und danach die Strahlung für die Reionisation fehlte. Bei den nachfolgenden Sternengenerationen hatte die Dichte des Universums bereits soweit abgenommen, dass der Wasserstoff zu dünn verteilt war, um die Ausbreitung der 21cm-Strahlung zu verhindern, wenn er ionisiert wurde.

  5. #5 Peter Paul
    5. März 2018

    @pane

    Doch, aus der Raumausdehnung. Die normale Materie heißt sich aber wegen der Strahlung wieder auf.

    Nach der Entkopplung (Freisetzung der Hintergrundstrahlung) gibt es ja fast keine Wechselwirkung zwischen normaler Materie und dieser Hintergrundstrahlung mehr, sonst gäb´s die heute nicht mehr.

  6. #6 Alderamin
    5. März 2018

    @pane

    Habe auch mal gegoogelt und komme zum selben Schluss: die dunkle Materie kühlte adiabtiasch ab, d.h. nach der allgemeinen Gasgleichung fällt die Temperatur proportional zum Volumen, und das wächst mit der dritten Potenz des Durchmessers (besser: Skalenfaktors). Das gilt zunächst mal auch für das neutrale Wasserstoff/Heliumgas.

    Im jungen Universum war aber auch noch sehr viel kosmische Hintergrundstrahlung unterwegs, deren Temperatur von der Wellenlänge abhängt, und die nimmt nur linear mit dem Skalenfaktor ab. Die Strahlung wiederum regt die Wassertoffatome an (unter anderem durch 21-cm-Absorption, das ist das Umklappen des Elektronenspins gegenüber dem Spin des Protons im Kern), und aus der Zahl der angeregten Atome relativ zu denen im Grundzustand ergibt sich eine separate “Spin-Temperatur”

    Solange die Dichte der Gasteilchen noch groß war, kollidierten sie häufig, und die Spin-Temperatur konnte sich auf die Gastemperatur übertragen und ausgleichen; deswegen kühlte das Gas langsamer ab als die DM. Nachdem das Gas dünner wurde, ging das nicht mehr und die Spin-Temperatur stieg auf das Niveau der Temperatur der Hintergrundstrahlung, während die Gastemperatur von diesem Punkt an wieder adiabatisch sank. Die ersten Sterne haben das Gas dann wieder aufgeheizt.

    Durch Wechselwirkung (Compton-Streuung) zwischen dunkler Materie und dem Gas könnte dieses aber anfangs, als es noch dichter war und die Spin-Temperatur noch an die Gastemperatur gekoppelt, abgekühlt worden sein und somit kühler begonnen haben, als ursprünglich vermutet. Es war dann auch kühler am Anfang der erneuten adiabatischen Abkühlung und auch, als die ersten Sterne das Gas beleuchteten.

    Welche Art der Wechselwirkung mit der DM das gewesen sein soll, darüber schweigen sich die beiden Papers aus (außer: nicht Gravitation, sondern Streuung, also Stöße), es ist nur die Rede davon, dass bei einer relativen Teilchengeschwindigkeit von 1 km/s der Wirkungsquerschnitt für Kollisionen in der Größenordung von 10^-21 cm² (10^-25 m² = 10^-13 pb) gelegen haben soll. Daraus müsste man eigentlich folgern können, ob es eher schwache (WIMPs) oder starke Wechselwirkung (SIMPs) gewesen sein könnte, aber das überblicke ich noch nicht.

    Gut, das Florian den Artikel geschrieben hat und mir dieses für mich dünne Eis erspart bleibt 😉 In den Kommentaren spekuliert es sich ja verhältnismäßig ungeniert.

  7. #7 Alderamin
    5. März 2018

    @Peter Paul

    Nach der Entkopplung (Freisetzung der Hintergrundstrahlung) gibt es ja fast keine Wechselwirkung zwischen normaler Materie und dieser Hintergrundstrahlung mehr, sonst gäb´s die heute nicht mehr.

    Trotzdem kann das neutrale Gas ja keine geringere Temperatur annehmen, als die Strahlung, die es beleuchtet. Jedenfalls was die Temperatur betrifft, die sich aus der Absorption von Photonen ergibt. Die war so um die 50 K zur Zeit, aus der das Signal empfangen wurde.

  8. #8 Thomas
    5. März 2018

    ich find das jetzt etwas gewagt, einen solchen gemessenen Effekt gleich wieder auf die dunkle Materie zu schieben. Das könnte genug andere Gründe auch haben. Aber dann klingt die Veröffentlichung halt nicht mehr so spannend. dark matter sells

    Und noch eine Frage: Warum gehst du, bzw. die Autoren davon aus, dass dunkle Materie schon seit dem Urknall vorhanden ist? Sie kann genauso gut erst allmählich entstanden sein, oder zumindest später als die ersten 180 Millionen Jahre. Oder sie kann zu dieser Zeit deutlich weniger vorhanden gewesen sein.
    Kurzum, wenn man nicht weiß was dunkle Materie ist, weiß man auch nicht wo sie herkommt. Nur dass sie jetzt (d.h. die letzten paar Milliarden Jahre) existiert. Dann kann man auch keine Aussage darüber treffen, dass sie schon immer da war.

  9. #9 Captain E.
    5. März 2018

    @Thomas:

    Niemand hat behauptet, es sei leicht. Allerdings muss man auch das Gesamtbild im Auge behalten, denn nicht zueinander passende Erkenntnisse (die gibt es bekanntlich!) erfordern genaueres Hinschauen und gründliche theoretische Überlegungen.

    Wenn also etwa die Dunkle Materie erst später entstanden wäre, müsste man die Frage beantworten: Aus was ist sie denn entstanden? Und andererseits vermutet man, dass die Dunkle Materie nicht so komplex aufgebaut ist wie Atomkern oder gar Atome oder Moleküle, was für ein früheres Entstehen spricht. Und dann gibt es die Überlegungen und Berechnungen, dass die Dunkle Materie überhaupt erst die Schwerkrafttöpfe gebildet hat, in die die baryonische Materie hat fließen und somit Galaxien bilden können.

    Es kann natürlich auch anders gewesen sein, aber die Vorstellung von der Dunklen Materie als Strukturbildner im Universum (für die baryonische Materie) ist zumindest recht plausibel.

  10. #10 Alderamin
    5. März 2018

    @Thomas

    Und noch eine Frage: Warum gehst du, bzw. die Autoren davon aus, dass dunkle Materie schon seit dem Urknall vorhanden ist?

    Weil das sogenannte “Winkel-Leistungspektrum” der kosmischen Hintergrundstrahlung empfindlich von der Menge an dunkler Materie abhängt. Die Kurve beschreibt die Korrelation von Temperaturdifferenzen in Abhängigkeit vom Winkelabstand (“Multipolmoment”) am Himmel in der kosmischen Hintergrundstrahlung. Die von den Satelliten PLANCK und WMAP gemessenen Kurven deuten auf einen Anteil dunkler Materie von gut 25% dunkler Materie an der Gesamtenergiedichte des Universum hin (neben 5% baryonischer Materie und 70% dunkler Energie).

    Das ist in der Kosmologie aber schon lange Stand des Wissens und braucht deswegen von den Autoren nicht erneut begründet zu werden.

    Sie kann genauso gut erst allmählich entstanden sein, oder zumindest später als die ersten 180 Millionen Jahre. Oder sie kann zu dieser Zeit deutlich weniger vorhanden gewesen sein.

    Es hat noch keiner gesehen, dass irgendwo Materie allmählich entsteht, und das wäre auch im Widerspruch nur messbaren Expansionsgeschichte des Universums. Nach der Urknalltheorie entstand sie spontan aus der Strahlung, die freigesetzt wurde, die wiederum aus einem Zustandswechsel des Vakuums von einer höheren Vakuumenergie zu einer geringeren, die heute noch gültig ist.

  11. #11 Peter Paul
    5. März 2018

    @Alderamin

    Trotzdem kann das neutrale Gas ja keine geringere Temperatur annehmen, als die Strahlung,

    .
    Ich glaube, da liegst du diesmal falsch. Temperatur ist eigentlich ein Begriff, der zu einem thermodynamischen Gleichgewicht gehört. Aber es bildet sich keines zwischen Strahlung und Materie, wenn es keine Wechselwirkung gibt. So können die beiden ganz unterschiedliche “Temperaturen” haben.

    Die Absorption von Photonen durch Anregen von atomaren Energieniveaus trägt, meiner Meinung nach, auch nichts zu einer Temperaturänderung bei, denn die so aufgenommene Energie wird genau so wieder abgestrahlt.

    Übrigens nimmt die Energiedichte der Strahlung nicht nur mit der dritten Potenz des Skalenfaktors ab, sondern, gerade wegen der Verlängerung der Wellenlänge, mit der 4ten Potenz, also noch deutlich schneller, als die Energiedichte von Gas oder dunkler Materie. Ich denke, auch das wiederspricht der Argumentation, dass das Gas durch die Hintergrundstrahlung wieder aufgeheizt wird.

    Und noch eine Frage : Was könnte das denn sein ?

    Wechselwirkung (Compton-Streuung) zwischen dunkler Materie und dem Gas.

    Das sieht doch nach einer ziemlich starken Wechselwirkung aus, und wenn es die gäbe, dann gäbe es wohl gar keine dunkle Materie.

  12. #12 Reinhard Kober
    21 cm Strahlung
    5. März 2018

    Was mich interessieren würde:

    Man weiß, dass besagte Strahlung eine Wellenlänge von 21 cm haben muss und dass diese nun in einer anderen Wellenlänge bei uns ankommt.
    So weit alles klar.
    Aber woher weiß man, dass bei der gemessenen Strahlung die ursprüngliche Wellenlänge 21 cm war?
    Könnte diese Strahlung nicht auch von “näher” gelegenen Objekten stammen?
    Wie berechnet man das? Unterliege ich einem Denkfehler?
    (Bitte nicht lachen – vermutlich bin zu blöd dafür).
    Für eine allfällige Erklärung bedanke ich mich schon im Voraus.
    Besten Gruß

  13. #13 Alderamin
    5. März 2018

    @Peter Paul

    Lies einfach die entsprechende Passage im Paper (Ende S.68/Anfang 69):

    TR is the temperature of the background radiation, usually assumed to be from the background produced by the afterglow of the Big Bang, TS is the 21-cm spin temperature that defines the relative population of the hyperfine energy levels […]. The spin temperature is affected by the absorption of microwave photons, which couples TS to TR, as well as by resonant scattering of Lyman-α photons and atomic collisions, both of which couple TS to the kinetic temperature of the gas TG.

    The temperatures of the gas and the background radiation are coupled in the early Universe through Compton scattering. This coupling becomes ineffective in numerical models at z ≈ 150, after which primordial gas cools adiabatically. In the absence of stars or non-standard physics, the gas temperature is expected to be 9.3 K at z =20, falling to 5.4 K at z = 15. The radiation temperature decreases more slowly owing to cosmological expansion, following T0 (1 + z) with T0 = 2.725, and so is 57.2 K and 43.6 K at the same redshifts, respectively. The spin temperature is initially coupled to the gas temperature as the gas cools below the radiation temperature, but eventually the decreasing density of the gas is insufficient to maintain this coupling and the spin temperature returns to the radiation temperature.

    Over time, Lyman-α photons from early stars recouple the spin and
    gas temperatures
    , leading to the detected signal. The onset of the observed absorption profile at z = 20 places this epoch at an age of 180 million years, using the Planck 2015 cosmological parameters.

    For the most extreme case, in which TS is fully coupled to TG, the gas
    and radiation temperatures calculated here yield a maximum absorption amplitude of 0.20 K at z = 20, which increases to 0.23 K at z = 15. The presence of stars should eventually halt the cooling of the gas and ultimately heat it, because stellar radiation deposits energy into the gas and Lyman-line cooling has been modelled to be very small for the expected stellar properties.

    Daniel Fischer hat’s auch versucht zu entschlüsseln.

    Es geht um das bessere Verständnis der ganz frühen Geschichte des Universums, als es erst noch ‘dunkel’ war (Dark Age), bevor nach einigen hundert Millionen Jahren die ersten Sterne entstanden (Cosmic Dawn), deren Strahlung das Gas ionisierte (Reionization) und das Weltall durchsichtig machte. Am Anfang war die Gasdichte im kleinen Kosmos noch so hoch, dass sich die Atome ständig stießen: Die Spin-Temperatur des Wasserstoffs – ohne ein bisschen Quantenphysik geht es hier leider nicht – war mit der Gastemperatur identisch.

    Mit der kosmischen Expansion erlaubte dann die Ausdünnung des Gases der Spin-Temperatur bis auf die höhere wenn auch langsam fallende Temperatur der Hintergrundstrahlung – sozusagen dem Nachglühen des Urknalls – zu steigen, während die ‘normale’ Gastemperatur sank. Als dann aber die ersten Sterne zündeten, so eine lange etablierte Theorie, wurde ihre ultraviolette Strahlung vom Wasserstoff in der Umgebung absorbiert und zwang die Spin-Temperatur abermals auf die wahre Gastemperatur zurück.

    Conclusions are yours.

  14. #14 tomtoo
    5. März 2018

    @Alderamin
    Was ist eine Spinntemperatur ??

  15. #15 Alderamin
    5. März 2018

    @Reinhard Kobler

    Aber woher weiß man, dass bei der gemessenen Strahlung die ursprüngliche Wellenlänge 21 cm war?

    Weil sie so aussieht, wie eine Absorptionslinie und im richtigen Frequenzbereich liegt. 21 cm sind 1,42 GHz, bei Rotverschiebung z=17 sind das 1,42 GHz/(1+z) = 78 MHz (der Autor sagt, tatsächlich sei das eine Überlagerung von verschiedenen Rotverschiebungen zwischen 15 und 20 mit einem Mittelwert bei 17).

    Könnte diese Strahlung nicht auch von “näher” gelegenen Objekten stammen?

    Ja. Was zu widerlegen wäre.

  16. #16 Alderamin
    5. März 2018

    @tomtoo

    Das ist die Temperatur, die sich aus dem Verhältnis der angeregten zu den nicht angeregten Atomen ergibt. Das Einstrahlen von Photonen führt ja dazu, dass einige Atome in den angeregten Zustand mit höherer Energie übergehen. Wenn sich ein Gleichgewicht zwischen Absorption und Abstrahlung (Rückfall auf das Grundniveau) einstellt, dann hat das Gas die entsprechende Anregungstemperatur.

    Da die Photonen des Mikrowellenhintergrunds damals nur 50 K hatten, konnten sie natürlich keine normalen Elektronensprünge auf höhere Schalen bewirken, nur das Umkippen des Elektronenspins gegenüber dem Spin des Protons, was eine geringfügig höhere Energiestufe darstellt (“Hyperfeinstrukturübergang”). Daher heißt es im Paper:

    TS is the 21-cm spin temperature that defines the relative population of the hyperfine energy levels

  17. #17 Alderamin
    5. März 2018

    @Peter Paul

    Temperatur ist eigentlich ein Begriff, der zu einem thermodynamischen Gleichgewicht gehört. Aber es bildet sich keines zwischen Strahlung und Materie, wenn es keine Wechselwirkung gibt. So können die beiden ganz unterschiedliche “Temperaturen” haben.

    Guck’ auch mal hier: http://www.semibyte.de/wp/physics/plasmaphysics/anregungstemperatur-aus-linienverhaeltnis/

    Die Absorption von Photonen durch Anregen von atomaren Energieniveaus trägt, meiner Meinung nach, auch nichts zu einer Temperaturänderung bei, denn die so aufgenommene Energie wird genau so wieder abgestrahlt.

    Deswegen ist die Anregungstemperatur ja verschieden von der kinetischen Gastemperatur, wenn die Atome/Moleküle nicht stoßen und somit Energie aus den angeregten Zuständen in kinetische Energie umwandeln können. Bei hinreichend dünnem Gas sind die beiden Temperaturen unabhängig. Bei dichterem Gas stoßen die Teilchen öfters als es der mittleren Lebensdauer des angeregten Zustands entspricht und dann wird das angeregte Niveau weniger stark besetzt, dafür wird das Gas kinetisch wärmer.

  18. #18 bruno
    5. März 2018

    Hat keiner eine Meinung zu #2?

    Florian schreibt:

    Gemessen hatte man das alles schon vor zwei Jahren; die Zeit seitdem haben die beteiligten Wissenschaftler damit verbracht, alles doppelt und dreifach zu prüfen.

    In Spektrum.de

    So weist der Kosmologe Aaron Parsons von der University of California darauf hin, dass in der Veröffentlichung selbst regelmäßige Schwankungen im Sichtfeld des Teleskops ausgewiesen werden, die zum vermeintlichen Signal passen. Dabei dreht sich die Debatte weniger um die Qualität der wissenschaftlichen Arbeit des Teams als um die verfrühte Veröffentlichung vermeintlich sensationeller Deutungen neu erhobener und noch nicht unabhängig geprüfter Daten.

    http://www.spektrum.de/news/kritik-an-neuer-physik-im-radiosignal/1548579

  19. #19 Alderamin
    5. März 2018

    @bruno

    Sicher. Siehe auch #15 und den Link unter “Ja”. Es gibt bisher (anscheinend) genau einen Kritiker und der nächste Schritt ist eine unabhängige Verifikation durch ein anderes Team/Gerät. Normaler Vorgang.

    Was sollten die Autoren nach 2 Jahren Prüfung anders machen? Sie wenden sich mit der Veröffentlichung an die anderen Forscher und bitten um Überprüfung.

  20. #20 Peter Paul
    5. März 2018

    @Alderamin
    Danke für die schönen Links, aber ich fürchte, da muss ich aussteigen. Das kann ich nicht mehr nachvollziehen.

  21. #21 Franz H.
    München
    5. März 2018

    Hallo Florian,

    eine kleine Korrektur zu deiner Aussage: “Wechselt der Wasserstoff von einem Zustand in den anderen, dann kann er dabei Energie abstrahlen und er tut das unter anderem in Form von Radiowellen mit einer Wellenlänge von 21 Zentimetern.”
    Dies kann so nicht stimmen, da durch die starke Rotverschiebung (Zitat aus dem Paper in der Nature: “around redshift 20” – siehe https://www.nature.com/articles/nature25791) die Ursprungswellenlänge deutlich kürzer gewesen sein muss. Folglich wäre die beobachtete Linie bei 21cm und die ursprüngliche Linie bei 1cm. Lieg ich da richtig?

    Herzliche Grüße,
    Franz

  22. #22 rolak
    5. März 2018

    21cm

    Schau mal da, Franz H.

  23. #23 Florian Freistetter
    5. März 2018

    @bruno: Ich bin gerade unterwegs und hab noch keine Zeit gehabt, den Spektrum-Artikel zu lesen. Aber natürlich gilt hier, was eh immer gilt (und ich am Ende auch erwähnt habe): Man muss das jetzt vor allem erst Mal mit anderen Instrumenten bestätigen. Das wird passieren – und dann sehen wir eh wo es hinführt. Ich hoffe mal nicht, auf eine Wiederholung der BICEP-Geschichte…

  24. #24 Alderamin
    5. März 2018

    @Franz H.

    Die Ursprungswellenlänge liegt bei 21 cm = 1,42 GHz und gemessen wurde eine mittlere Wellenlänge von 3,85 m = 78 MHz. Tatsächliche wurde eine Überlagerung von Wellen mit Rotverschiebungen zwischen 15 und 20 gemessen. 78 MHz entspricht einem Mittelwert von z=17.

  25. #25 Artur57
    6. März 2018

    Wenn nun Dunkle Materie weder elektrisch noch magnetisch interagiert und außerdem keine Strahlung abgibt, kann sie dann eigentlich aus Atomen bestehen, wie die baryonische Materie? Eigentlich nicht. Dann fragt sich, ob DM überhaupt eine Temperatur haben kann, denn diese setzt ja einen Spielraum voraus, in dem der Atomkern schwingen kann oder die Möglichkeit, dass sich Atome gegeneinander bewegen. Das ist aber an das Vorhandensein von Atomen geknüpft. Könnte es ein, dass DM immer Null Kelvin hat? Das würde ja zur Beobachtung passen.

    Habe in diesem Zusammenhang “cold dark matter” gegoogelt. Das ist die derzeit favorisierte Theorie, meint aber etwas anders. Nicht verwechseln.

  26. #26 Florian Freistetter
    6. März 2018

    @Artur: ” kann sie dann eigentlich aus Atomen bestehen, wie die baryonische Materie?”

    Ne. Dass dunkle Materie ganz anders ist als baryonische Materie ist ja gerade der Clou an der Sache. Sonst hätten wir ja schon längst viel mehr Ahnung.

  27. #27 PDP10
    6. März 2018

    @Artur57:

    Wenn nun Dunkle Materie weder elektrisch noch magnetisch interagiert und außerdem keine Strahlung abgibt, kann sie dann eigentlich aus Atomen bestehen, wie die baryonische Materie?

    Nein. Denn was die Elektronen an den Atomkern bindet sind ja gerade elektrische Kräfte.

    Aber eine Ansammlung von DM kann natürlich eine Temperatur haben. Das kann jede Ansammlung von beliebigen Teilchen.
    Nämlich indem man sagt, dass die Temperatur dieser Ansammlung proportional ist zur mittleren kinetischen Energie der Teilchen.

    Das ist die mikroskopische Definition von Temperatur aus der statistischen Mechanik.

    Guck mal:

    https://de.wikipedia.org/wiki/Temperatur#Ideales_Gas

  28. #28 Artur57
    7. März 2018

    @PDP10

    Nun ja, aber alles, was eine Temperatur hat, strahlt auch EM-Strahlung ab. Genau das ist es ja: EM-Strahlung von DM haben wir noch nie nachgewiesen. Und: alle Versuche, DM-Teilchen zu finden, sind bislang gescheitert.

    DM ist ganz anders als baryonische Materie, wie Florian schon sagte. Noch ein Gedanke: wenn DM tatsächlich immer 0 Kelvn hat, dann ist sie auch nicht in der Lage, die Energie eines Photons aufzunehmen, denn das würde sie ja erwärmen. Heißt, sie muss das Photon durchlassen und ist daher durchsichtig. Auch das passt zur Beobachtung.

  29. #29 Captain E.
    7. März 2018

    @Artur57:

    Nun ja, aber alles, was eine Temperatur hat, strahlt auch EM-Strahlung ab. Genau das ist es ja: EM-Strahlung von DM haben wir noch nie nachgewiesen. Und: alle Versuche, DM-Teilchen zu finden, sind bislang gescheitert.

    Korrektur: Alles, was baryonische Materie ist, hat eine Temperatur und strahlt elektromagnetische Strahlung ab.

    Neutrinos sind nicht-baryonisch, tragen aber Energie und dürften daher eine Temperatur haben. Man zählt sie ja sogar zur Heißen Dunklen Materie.

    DM ist ganz anders als baryonische Materie, wie Florian schon sagte. Noch ein Gedanke: wenn DM tatsächlich immer 0 Kelvn hat, dann ist sie auch nicht in der Lage, die Energie eines Photons aufzunehmen, denn das würde sie ja erwärmen. Heißt, sie muss das Photon durchlassen und ist daher durchsichtig. Auch das passt zur Beobachtung.

    Du meinst also, dass nicht-baryonische Materie durch Aufnahme von Energie zu baryonischer Materie werden müsste? Das halte ich für eine gewagte Idee! Wie gesagt, sind Neutrinos nicht-baryonisch, und diese Teilchen hat man einst postuliert (und später entdeckt), weil irgendetwas beim Betazerfall Energie aus dem System fortgetragen hat.

  30. #30 Artur57
    7. März 2018

    @Captain E.

    Was bestimmt die Temperatur eines Körpers? Beim Festkörper die Bewegung der Atomkerne, beim Gas kommt die Kollision der Moleküle hinzu, die eine Brown’sche Bewegung vollziehen. All das haben wir beim Neutrino nicht. Also ist schon ein wenig weit her geholt.

    Nein, ich wollte sagen, dass die DM durch äußere Einflüsse unverändert bleibt, wenn (Hypothese) ihre Temperatur gleich null ist. Denn dann kann sie keine Energie aufnehmen, auch nicht von einem Photon. Ergo muss sie es durch lassen. So war das gemeint.

  31. #31 Alderamin
    8. März 2018

    @Artur57

    Du kannst die DM als ideales Gas betrachten. Dann gilt dafür die allgemeine Gasgleichung und die Temperatur ist T = 1/(3k) mv² mit der Boltzmann-Konstante k, der Teilchenmasse m und der mittleren Geschwindigkeit v. Diese Formel gilt für beliebige Teilchen, die sich in drei Raumrichtungen bewegen können, aber keine weiteren Freiheitsgrade wie Rotationen oder Schwingungen haben, wovon man bei der DM als Elementarteilchen ausgehen kann.

    Jedem Teilchen kann man so eine Temperatur zuordnen. Die allgemeine Gasgleichung gilt für ideale Gase, deren Teilchen keine Ausdehnung und damit keine Stöße haben können. Sie ist eine Annhäherung, die von realen Gasatomen nur annähernd eingehalten wird, aber dennoch das Verhalten (Abhängigkeit des Drucks von Temperatur, Volumen, Gasmenge) ganz gut beschreibt. Sie sollte für die DM sogar noch besser erfüllt sein, weil diese Teilchen einen viel kleineren Wirkungsquerschnitt hat.

    Neutrinos sind demnach heiß. Mangels bekannter Masse und exakter Geschwindigkeit kann man nicht genau angeben, wie heiß. Die DM-Teilchen, die die Autoren des zweiten Papers vermuten, sollen, um die Materie kühlen zu können, kälter als das baryonische Gas sein. Die Geschwindigkeit dürfe nicht schneller als einige km/s sein, sonst würde man das in der kosmischen Hintergrundstrahlung sehen. Aus der Temperatur-Obergrenze und dieser Geschwindigkeit folgern sie eine Teilchenmasse von kleiner als 3 keV, was verdammt leicht ist im Vergleich zu den Massen, die man sonst so vermutet hat (hunderte MeV bis GeV).

  32. #32 Captain E.
    8. März 2018

    @Alderamin:

    […]

    Neutrinos sind demnach heiß. Mangels bekannter Masse und exakter Geschwindigkeit kann man nicht genau angeben, wie heiß. Die DM-Teilchen, die die Autoren des zweiten Papers vermuten, sollen, um die Materie kühlen zu können, kälter als das baryonische Gas sein. Die Geschwindigkeit dürfe nicht schneller als einige km/s sein, sonst würde man das in der kosmischen Hintergrundstrahlung sehen. Aus der Temperatur-Obergrenze und dieser Geschwindigkeit folgern sie eine Teilchenmasse von kleiner als 3 keV, was verdammt leicht ist im Vergleich zu den Massen, die man sonst so vermutet hat (hunderte MeV bis GeV).

    Neutrinos müssten selber so in etwa dieser Preislage liegen, aber es dürfte keine Möglichkeit geben, dass die ihre Energie loswerden ohne dabei zerstört zu werden. Es sei denn, sie wären unter bestimmten Umständen mit genau diesem niedrigen Energieniveau entstanden, z.B. kurz nach dem Urknall.

    Nun ja, wie auch immer, die WIMPs waren anscheinend mit einer viel zu hohen Masse angesetzt, und jetzt muss man nach viel leichteren Teilchen suchen wie den sterilen Neutrinos oder den Axionen.

    Übrigens, auch wenn du es natürlich längst wusstest: Drei keV, ein paar hundert MeV oder GeV sind (Ruhe-) Energien. Für die Ruhemasse muss man sie durch das Quadrat der Lichtgeschwindigkeit dividieren.

  33. #33 Alderamin
    8. März 2018

    @Captain E.

    Neutrinos müssten selber so in etwa dieser Preislage liegen

    Wenn sich das auf die 3 keV Masse beziehen sollte: die Obergrenze der Neutrinomasse wurde IIRC mit 3 eV gemessen, was aber nur etwas über die Genauigkeitsgrenze der Messung sagt, sie können noch viel leichter sein.

    Es gibt schon ein neues Paper, da werden Teilchen unter 10 MeV für die kühlenden DM-Partikel ausgeschlossen, dafür sollen sie anteilsmäßig nur 0,3%-2% der DM ausmachen und müssten…. eine winzige elektrische Ladung haben, taraaa. Weiß nicht, was ich davon halten soll, das Zeugs ist mir ein wenig zu hoch. Interessant ist aber sicher, was es alles definitiv nicht sein kann. Jedenfalls mangelt es den Wissenschaftlern nicht an Fantasie, sich Lösungen auszudenken, was ihnen ja gerne mal von der, hmm, “Hobbywissenschaftlergarde” vorgeworfen wird.

    Übrigens, auch wenn du es natürlich längst wusstest: Drei keV, ein paar hundert MeV oder GeV sind (Ruhe-) Energien. Für die Ruhemasse muss man sie durch das Quadrat der Lichtgeschwindigkeit dividieren.

    Natürlich weiß ich das, aber das tut bei den Autoren keiner, es ist einfach in der Branche üblich, die 1/c² nur im Kopf zu haben. Aber verrat’s nicht dem großen Karl…

  34. #34 Captain E.
    8. März 2018

    @Alderamin:

    Wenn sich das auf die 3 keV Masse beziehen sollte: die Obergrenze der Neutrinomasse wurde IIRC mit 3 eV gemessen, was aber nur etwas über die Genauigkeitsgrenze der Messung sagt, sie können noch viel leichter sein.

    Es gibt schon ein neues Paper, da werden Teilchen unter 10 MeV für die kühlenden DM-Partikel ausgeschlossen, dafür sollen sie anteilsmäßig nur 0,3%-2% der DM ausmachen und müssten…. eine winzige elektrische Ladung haben, taraaa. Weiß nicht, was ich davon halten soll, das Zeugs ist mir ein wenig zu hoch. Interessant ist aber sicher, was es alles definitiv nicht sein kann. Jedenfalls mangelt es den Wissenschaftlern nicht an Fantasie, sich Lösungen auszudenken, was ihnen ja gerne mal von der, hmm, “Hobbywissenschaftlergarde” vorgeworfen wird.

    Keine Sorge, ich hatte sowohl das “k” bei keV gesehen als auch im Kopf gehabt, dass Neutrinos im Bereich von wenigen Elektronenvolt liegen. Der Faktor 1000 macht da aber auch nicht mehr so viel aus. Wenn da tatsächlich 0,3%-2% der DM bei 10 MeV oder mehr liegen sollten…

    Konnte man eigentlich in dem Bereich schon suchen? Andere Energien sind ja soweit abgegrast, dass man dort die fehlenden Teilchen praktisch hat ausschließen können, oder?

    Natürlich weiß ich das, aber das tut bei den Autoren keiner, es ist einfach in der Branche üblich, die 1/c² nur im Kopf zu haben. Aber verrat’s nicht dem großen Karl…

    Hatten wir das nicht bereits? Doch, ja – er hatte es uns aber nicht geglaubt.

    Hin und wieder muss man aber einfach daran erinnern.

  35. #35 Alderamin
    8. März 2018

    @Captain E.

    Konnte man eigentlich in dem Bereich schon suchen? Andere Energien sind ja soweit abgegrast, dass man dort die fehlenden Teilchen praktisch hat ausschließen können, oder?

    Keine Ahnung; in dem neuen Papier werden Massen unter 1 MeV ausgeschlossen, weil sie der Häufigkeit leichter Elemente während der Nukleosynthese kurz nach dem Urknall widersprechen würde. Leichte Teilchen mit geringer Geschwindigkeit machen wohl auch nicht viel Feuerwerk in einem Nachweistank.

    Axionen sind ja auch heiße (nicht wörtlich…) DM-Kandidaten, die sollen ja noch viel leichter sein, siehe die Grafik hier. Wie sich das mit der Grenze oben verträgt – keine Ahnung. Der Nachweis von Axionen geschieht nicht über die Wechselwirkung mit irgendwelchen Flüssigkeiten, sondern dadurch, dass sie im Magnetfeld zu Photonen mutieren, die man in einer lichtundurchlässigen Kammer mit Photosensoren nachweisen möchte.