Ganz kurz: Was ist die Hintergrundstrahlung?

Der Urknall - (c) NASA/ESA

Der Urknall – (c) NASA/ESA

Urknall. Den kennt wohl mittlerweile jeder. Im Jahre 1927 kam erstmals der belgische Priester Georges Lemaître auf die Idee, das Universum könnte aus einem winzigen Punkt heraus entstanden sein. Das schlussfolgerte er aus der Verteilung der Galaxien und der schon bekanntgewordenen Rotverschiebung. Zwei Jahre später sah auch Hubble diese Rotverschiebung in seinen Beobachtungen. Auch wenn diese Rotverschiebung dem Dopplereffekt zuzuschreiben ist – und letztendlich bedeutet, dass sich diese Objekte alle von uns entfernen – so kam er nicht zu der Schlussfolgerung, dass irgendwann alles viel näher gewesen sein muss.

Georges Lemaître - Urheber unbekannt

Georges Lemaître – Urheber unbekannt

Letztlich, so der heutige Stand der Dinge, war dies aber der Fall. Das Universum entstand aus dem Urknall und seitdem dehnt sich alles aus bzw. fliegt auseinander. Aber was hat das mit der kosmischen Hintergrundstrahlung zu tun? Alles. Noch bevor man diese Strahlung wirklich nachweisen konnte gab es nämlich einige klug Köpfe. Wenn es den Urknall gab, und alles auf einen winzig kleinen Punkt  zusammengepresst war, dann muss dieses klitzekleine Universum sehr dicht gewesen sein. Und eine hohe Dichte bedeutet automatisch auch eine sehr hohe Temperatur. Etwa 0,01 Sekunden nach dem Urknall betrug die Temperatur im frisch geborenen Universum etwa 10.000.000.000 Kelvin, zu diesem Zeitpunkt zerstahlen Elektronen und Positronen. Nach ca. 1 Sekunde war die Temperatur bereits auf etwa 600.000.000 Kelvin abgefallen. Erstmals konnte sich eine Form des Wasserstoffes bilden, und zwar Deuterium. Auch wenn es sehr kurzlebig war. Erst etwa eine Sekunde nach dem Urknall war die Temperatur dann niedrig genug, dass sich „echter“ Wasserstoff bei einer Temperatur von 60.000.000 Kelvin bilden konnte. Doch das war dann zwei Minuten später auch schon wieder vorbei. Allerdings hat diese Zeit gereicht, dass sich all der Wasserstoff bildet, den das Universum zu bieten hat.

Für die nächsten 379.000 Jahre sollte es dann dunkel im Universum bleiben. Das liegt einfach daran, dass das Universum immernoch viel zu heiß war. Die Elektronen schwirrten in einem superheißen Plasma frei herum. Der Wasserstoff kann sie bei diesen Temperaturen nicht an sich binden. Das Licht, bzw. die Photonen können sich nicht frei ausbreiten. Immer wieder treffen sie auf die Elektronen und werden dort gestreut.

Erst nach 379.000 Jahren, so der Stand der heutigen Wissenschaft, war das Universum mit etwa 3000 Kelvin kalt genug geworden, dass der Wasserstoff die Elektronen einfange konnte. Es bildete sich sogenannter neutraler Wasserstoff. Das war die Phase der sogenannten Rekombination. Jetzt kam das Licht ins Universum – auch wenn es noch 10 Millionen Jahre bis zu den ersten Sternen dauert.

Aber hier kommt nun die Hintergrundstrahlung ins Spiel: Jetzt kann sie sich frei ausbreiten. Da das Universum sich natürlich weiterhin ausdehnt, nimmt die Dichte der Strahlung weiterhin ab und dessen Temperatur geht weiterhin runter. Man wusste seinerzeit in der Mitte des 20. Jahrhundert noch nicht ganz genau, wie alt das Universum nun ist, aber man errechnete trotzdem schon, wie hoch die Temperatur dieser Strahlung heute nun ungefähr sein müsste, wenn es einen Urknall gab und sie existiert. Man kam auf ca. 1 bis 10 Kelvin („only a few kelvin“). Im Mittel etwas mehr, als sie tatsächlich ist, aber man beachte diese Meisterleistung: Man beobachtet, dass sich alles von uns entfernt. Schließt darauf zurück, dass alles mal klein war – geht dann einen Schritt weiter und behauptet, dass alles einmal heiß war und man den Rest dieser Strahlung noch heute erkennen müsste – und rechnet dann mal eben für diese Strahlung eine Temperatur von 5 K aus!

Das Problem war damals nur, dass es noch keine Geräte gab, diese Hypothese nachzuweisen. Und ein Großteil dieser Strahlung wird von der Erdatmosphäre abgefangen. Direkt von der Erde aus kann man sie also vielleicht gar nicht messen…

 

Penzias und Wilson vor ihrem Radioteleskop

Penzias und Wilson vor ihrem Radioteleskop – (c) Pearson Education, Inc.

Der Hammer kommt aber nun: Robert Wilson und Arno Penzias arbeiteten bei den Bell Labs. Eigentlich sollten sie über eine Antenne Signale von Radiosatelliten auffangen. Das das Projekt aber eingestellt wurde, durfen sie damit nach Radiosignalen aus dem All suchen. Für diese „Arbeit“ hatten sie die Antenne 1963 extra umgebaut. Man hörte natürlich nur Rauschen. Es kommen ja auch überall Signale her. Diese kann man auch herausfiltern und man hat dann eigentlich nur noch das Signal, was man eigentlich empfangen möchte. Eigentlich. Denn da war immer noch ein Rauschen, wo man nicht wusste wo es her kommt. Denn egal auf welchen Himmelsbereich man die Antenne richtete, das Rauschen war noch da. Man überprüfte akribisch die ganze Anlage, fand aber keinen Fehler. Auf dem Radioteleskop fand sich jede Menge Taubenmist. Selbst den entfernte man – mitsamt der Tauben. Das schwache Rauschen war noch immer da.

Und hier kommt wieder der Zufall ins Spiel: Bei einer astronomischen Konferenz, 1964, erählte Penzias Kollegen von seinen Problemen mit dem Radioteleskop. Zwei Wochen später meldete dieser sich zurück. Denn er hatte von zwei anderen Wissenschaftlern erfahren Robert Dicke und Jim Peebles. Und diese waren jene klugen Köpfe, die sich die Hintergrundstahlung ausdachten und deren Temperatur berechneten. Was wäre also, wenn man nun genau das gefunden hätte? Man nam also Kontakt mit Dicke auf – der schon in der Überlegung war, einen Detektor für seine Hypothese bauen zu lassen. Er konnte darauf verzichten.

Peebles und Dicke haben eine Voraussage gemacht, die vollkommen unabhängig von Penzias und Wilson beobachtet wurden. Ohne voneinander zu wissen – und das sogar in einem phantastisch geringem zeitlichen Abstand!

So in etwa muss die Hintergrundstrahlung für Penzias und Wilson ausgesehen haben - (c) NASA

So in etwa muss die Hintergrundstrahlung für Penzias und Wilson ausgesehen haben – (c) NASA

Aus dem Rauschen von Wilson und Peebles konnte man im Übrigen auf eine Temperatur der Hintergrundstrahlung von 3,5K bis 5K schließen. Das hatte den „Vorteil“, dass das Universum damit gleich noch etwas älter wurde als man zuvor annahm. Das Schöne an dieser Entdeckung war aber eher, dass es DER Beleg für den Urknall ist. Und zu dieser Zeit war die Urknall-Theorie für die meisten eher eine Lachnummer. Man bevorzugte die Steady-State-Theorie. Die Theorie für ein ewig existierendes Universum, was auch Einsteins Meinung zum Universum war. Witziger Weise deuteten aber seine berühmten Formeln auch schon eher auf ein expandierendes Universum mit einem Zeitpfeil hin, das aus einem kleinen Punkt entstand. Aber das war ihm zu wider. Daher baute er in seine Formeln die sogenannte kosmologische Konstante λ (Lambda) ein, womit sein Universum wieder unendlich alt wurde – mal nebenbei erwähnt.

Jetzt hatte die ganze Entdeckung und damit verbundene Theorie nur noch ein Problem: Die entdeckte Strahlung war überall völlig gleichmäßig. Zur damaligen Zeit und von der Erde aus war es nicht möglich, irgendwelche Unterschiede in der Stärke, bzw. Temperatur der Strahlung zu messen. Aber warum wäre das notwendig? Nun, wenn man schon auf die Idee kommt, dass das Universum einen enorm dichten Anfang hat, dann muss es zumindest geringfügige Unterschiede in der Dichte geben. Wenn diese Unterschiede fehlen, könnten wir nicht existieren. Wäre die Dichte überall vollkommen gleich, so könnte die Materie nicht klumpen. Die Dichte muss hin und wieder etwas unterschiedlich sein, denn da zieht es dann im Laufe der Zeit vermehrt den Wasserstoff hin. Die Dichte nimmt dann regional zu, zieht immer mehr Materie an und bildet somit die ersten Sterne und Galaxien. Kurzum: Dichteschwankungen führen zu einer Art Gravitationstöpfen, die die Grundlange für die Strukturbildung im Universum darstellen.

COBE's Bild der Hintergrundstrahlung - (c) NASA

COBE’s Bild der Hintergrundstrahlung – (c) NASA

Man hatte also eine gute Theorie gefunden und kurze Zeit später konnte man die Kernaussage dieser Theorie beobachten – ohne von der Theorie zu wissen. Und sogleich wurde sie von Steady-State-Anhängern und Urknall-Kritikern wieder in Frage gestellt. Das ist auch gut so und richtig. Allerdings fand diese Bahnbrechende Entdeckung immer mehr Anhänger. Die Technik entwickelte sich auch immer weiter. Und endlich im Jahre 1989 startete der Satellit COBE (Cosmic Background Explorer) ins Weltall, nahm von da aus die Hintergrundstrahlung genau ins Visier, und entdeckte was? Richtig. Es gab die benötigten Schwankungen in der Dichte. Die durchschnittliche Temperatur lag bei 2,728 Kelvin mit Schwankungen von gerade mal 0,0001 Kelvin. So gering sie auch sein mag, in den frühen Zeiten hat die daraus resultierende Dichteschwankung ausgereicht, all das entstehen zu lassen was unser Universum heute ausmacht.

Die Aufnahme von WMAP 2008 - (c) NASA

Die Aufnahme von WMAP 2008 – (c) NASA

Im Jahre 2001 starte dann noch eine weitere Sonde, die WMAP weitere Messungen in diese Richtung vornahm und die Hintergrundstrahlung noch genauer feststellte. Bis 2010 sendete diese fleißig ihre Daten und man erhält daraus folgendes Bild, was auch als Bild der Geburt unseres Universums gilt.

 

 

Die Suche geht mit dem Planck-Weltraumteleskop weiter - (c) ESA

Die Suche geht mit dem Planck-Weltraumteleskop weiter – (c) ESA

Mittlerweile hat das Planck-Weltraumteleskop diese Aufnahme übernommen um noch genauere Messungen vorzunehmen. Die Einzelheiten dieser Messungen spielt hier jedoch keine Rolle mehr. Aber alle diese Aufnahmen zeigen eines: Wozu doch die Astronomie imstande ist. Wohl kaum ein astronomischer oder astrophysischer Gegenstand zeigt es besser, dass unsere Forschung auf dem richtigen Weg ist. Vorallem wenn aus purem Zufall eines ausgeklügelte Annahme kurze Zeit später beobachtet werden kann – obwohl man dies nicht im geringsten vor hatte.

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