Die kosmische (Mikrowellen-)Hintergrundstrahlung

Ein Fundament, auf dem wir unser Wissen vom Urknall gründen, ist das schwache Glühen der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung. Ihre Entdeckung ist ein gutes Beispiel für die Arbeitsweise der Astro-Wissenschaftler: Aufgrund von Beobachtungen (Fluchtgeschwindigkeit der Galaxien) wurde ein Modell entworfen (Urknall). Aus dem Modell ergab sich eine weitere Forderung: Eine Hintergrundstrahlung. Diese wurde schließlich tatsächlich nachgewiesen, als zwei Forscher rein zufällig auf sie stießen.

Entdeckung

Robert H. Dicke arbeitete in den vierziger Jahren am MIT (Massachusetts Institute of Technology) in Cambridge an der Entwicklung des Radars. Dabei erfand er das Mikrowellen-Radiometer, ein Gerät, mit dem man schwache Strahlungspegel messen kann. In den sechziger Jahren benutzten die US-amerikanischen Astrophysiker Arno W. Penzias und Robert W. Wilson ein solches Radiometer an einer großen Hornantenne, die dem Empfang von Signalen der frühen Kommunikationssatelliten Echo-1 und Telstar gedient hatte. Sie waren auf der Suche eines seltsamen Rauschens, einer vermeintlichen Störung der Radioantenne. Das Radiometer registrierte jedoch mehr Strahlung als erwartet. Was zunächst als lästiger Störeffekt empfunden wurde, konnten Penzias und Wilson schließlich als ein kosmisches Strahlungsfeld im Mikrowellenbereich deuten. Damit hatten sie 1964/65 die kosmische Hintergrundstrahlung entdeckt.

(Wenn man ein Fernsehgerät auf eine Frequenz einstellt, die zwischen denen der Fernsehsender liegt, sieht man auf dem Fernsehschirm „Schneegestöber“, und es ertönt ein Zischen, das manchmal als „statisches Rauschen“ bezeichnet wird. Etwa ein Prozent des empfangenen Signals, das dieses Rauschen hervorruft, ist tatsächlich die kosmische Mikrowellen-Hintergrundstrahlung.)

Erst durch die Entdeckung der kosmischen Hintergrundstrahlung wurde der Konflikt zwischen der Steady-State-Theorie, die von einem zeitlich und räumlich gleichförmigen Universum ausgeht, und der Urknall-Theorie zugunsten Letzterer endgültig gelöst. Nur unter der Voraussetzung, dass sich das Universum aus einem dichten und heißen Zustand heraus entwickelte, konnte diese Hintergrundstrahlung entstanden sein.

Entstehung

Die Hintergrundstrahlung besteht aus Photonen (Lichtteilchen), die 379 000 Jahre nach dem Urknall erstmals das Universum durchfluteten. Damals waren die Abstände im Universum bis auf ein Tausendstel ihrer heutigen Größe angewachsen und die Temperatur unter 3000°K (2730°C) gefallen.

Bis dahin war die Strahlung noch von der Materie gefangen: Photonen, Elektronen und Protonen waren stark aneinander gekoppelt; sie wechselwirkten ständig miteinander, so dass die Photonen immer wieder zerstreut wurden. Gleichzeitig stand der Strahlungsdruck der Photonen aber auch der Tendenz der Materieteilchen zur Zusammenballung entgegen. Als er nachließ, konnten freie Elektronen von den Ionen eingefangen werden und neutrale Atome bilden. Die Photonen breiteten sich jetzt ungehindert aus, das Universum wurde „durchsichtig“ (lichtdurchlässig).

Die Strahlung breitete sich aber nicht in den Raum aus, sondern erfüllte für alle Zeit – auch heute noch – den vorhandenen Raum. Während also der Raum weiter expandierte, ist die Strahlung mit ihm expandiert. Bei ihrer Entstehung war sie noch infrarot; ihre Wellenlänge betrug etwa 1000 Nanometer (entspricht etwa der des sichtbaren Lichts). Mit der Expansion des Universums wurde die Wellenlänge immer mehr gedehnt – insgesamt um das 1100-fache bis auf ihre heutige Länge, die im Millimeterbereich (Mikrowellenbereich) liegt. Man sagt auch: Die Strahlung wurde rotverschoben. Daher ist das Weltall heute kalt – 2,725°C (plus/minus 0,002°) über dem absoluten Nullpunkt* – und der Nachthimmel erscheint uns heute dunkel. (Durch die weitere Expansion des Universums wird die Temperatur der Hintergrundstrahlung in den nächsten ca. 15 Milliarden Jahre um weitere 1,5° sinken.)

*[Der absolute Nullpunkt ist die Temperatur, bei der alle thermische Bewegung der Atome und Moleküle aufhört. Er liegt bei -273,16°C, was als null Grad auf der absoluten Temperatur-Skala, der Kelvin-Skala, definiert wird.]

Noch heute aber hat die Hintergrundstrahlung mehr Energie als das Licht sämtlicher Sterne im Weltall. Etwa 90% ihrer ursprünglichen Photonen wurden bisher nicht absorbiert. Ihre Zahl ist mehr als tausendmal so hoch wie die seitdem erzeugten Ströme von neuen Photonen. Warum zu Beginn die Zahl der Photonen so hoch war oder welche unbekannten Erscheinungen damals tausendmal besser waren als alles, was folgte, wissen wir noch nicht. Heute befinden sich ungefähr 400 Photonen in jedem Kubikzentimeter Weltraum.

Die kosmische Hintergrundstrahlung ist äußerst homogen, d. h., sie füllt den Raum in alle Richtungen extrem gleichmäßig aus. Abweichungen überschreiten nirgendwo mehr als 0,001% – ein starkes Argument für das Kopernikanische Prinzip, nach dem wir uns nicht an einem besonderen Punkt im Universum befinden. Allerdings ist diese Hintergrundstrahlung nicht völlig gleichförmig. Es finden sich in ihre schwache Temperaturschwankungen: Fluktuationen oder „Ripples“.

Inhomogenitäten

Am Ende der Plasmaphase hatten Photonen und Neutrinos noch einen signifikanten Schwerkrafteinfluss. Er ist von jedem einzelnen Teilchen zwar extrem gering, war in der Summe aber damals noch wirksam. (Das Universum soll zu jener Zeit zu 15% aus Photonen und zu 10% aus Neutrinos bestanden haben.) Vor allem der Druck der Photonen, die im Plasma nach kurzer Wegstrecke absorbiert und anschließend emittiert wurden, hat dazu geführt, dass sich Dichteschwingungen als Abfolge geringfügiger Verdichtungen und Verdünnungen im Plasma ausbreiteten – ganz analog zu Schallwellen in einer Flüssigkeit. Die Verdichtungen erhitzten das Gas, die Verdünnungen kühlten es ab. Folglich ergab jede Störung im frühen Universum ein Muster an Temperaturfluktuationen.

Dieses durch die Schwingungen verursachte Muster von heißen und kalten Flecken wurde zum Zeitpunkt der „Entkopplung“ von Strahlung und Materie gleichsam im Strahlungshintergrund „eingefroren“. Da die von dichteren und heißeren Regionen abgestrahlten Photonen energiereicher waren als die aus verdünnten Regionen, finden sich die Photonen heute als kosmische Hintergrundstrahlung mit leicht unterschiedlichen Temperaturen in den Detektoren der Astronomen wieder.

Aber es gibt noch Differenzen, die sich nur in den mathematischen Analysen zeigen und nicht ohne Weiteres anschaulich gemacht werden können. So schwankt die Temperatur der Strahlung je nach Blickrichtung um einige zehn bis hunderttausendstel Grad. Eine Asymmetrie der Durchschnittstemperaturen an den entgegengesetzten Hemisphären des Himmels ist verblüffend und widerspricht der Annahme, dass das Universum im großen Maßstab überall gleich aussieht. Es scheint, als gäbe es eine Vorzugsrichtung. Seltsam ist, dass diese noch in der ekliptischen Ebene liegt, also ungefähr mit der Bahnebene der Erde um die Sonne korreliert. Am Überraschendsten ist wohl die Tatsache, dass die Fluktuationen bei den Temperaturen auf großen Winkelskalen nicht den im Standardmodell vorhergesagten Werten entsprechen. Die Signale sind nicht so stark, wie man dies erwartet.

Die Astrophysiker sprechen von leichter Anisotropie der Hintergrundstrahlung. Allerdings ist die statistische Signifikanz der Anisotropien nicht groß genug, um grundlegende Änderungen am kosmologischen Modell zu rechtfertigen.

Die winzigen Unregelmäßigkeiten in der kosmischen Hintergrundstrahlung könnten Spuren von Gravitationswellen sein, die das Universum kurz nach dem Urknall erschütterten. Während der Inflationszeit entstanden nämlich auch Quanten des Gravitationsfeldes: Gravitonen. Sie haben vermutlich in Form von großen Gravitationswellen ebenfalls Spuren in der Raumzeit hinterlassen und dadurch zur Anisotropie der Hintergrundstrahlung beigetragen. Als die Hintergrundstrahlung sich von der Materie löste, der Plasmazustand also in einen Gaszustand überging, begann gleichzeitig die Schwerkraft auf sie zu wirken.

[Minimale Temperaturschwankungen könnten auch durch Dunkle Materie entstanden sein. Nach theoretischen Überlegungen und Computersimulationen sollte diese trotz Ausdehnung des Universums bereits kurz vor der Entkopplungszeit erste Verdichtungen (schwach ausgeprägte Massenkonzentrationen) gebildet und zur Zeit der Entkopplung schon in Form von Unregelmäßigkeiten vorgelegen haben. Sie hätte so ihre eigene Schwerkraft erzeugt und normale Materieteilchen angezogen, wodurch diese Stellen wärmer wurden.]

Bedeutung

Die kosmische Hintergrundstrahlung markiert den Rand des beobachtbaren Universums wie ein undurchdringlicher Vorhang. Weiter kann man nicht blicken, weil das Weltall zuvor undurchsichtig war. Dieser optische Horizont hat heute eine Entfernung von 46 Milliarden Lichtjahren (1 Lichtjahr = 9,461 Billionen Kilometer). Die Strahlung stellt also die früheste Information dar, die wir vom jungen Universum haben. Sie kann uns Hinweise darauf geben, wie das Universum, seine physikalischen Bedingungen und Eigenschaften, 379 000 Jahre nach dem Urknall beschaffen waren. In ihr verbergen sich sogar schwache Spuren von der Zeit davor. Max Tegmark, schwedisch-amerikanischer Kosmologe: „Die kosmische Hintergrundstrahlung ist für die Kosmologie , was die Erbsubstanz DNA für die Biologie ist.“ Die Astronomen müssten nur noch lernen, dieses himmlische Dokument zu lesen.

Es ist beeindruckend, wie viel Kosmologen aus der Hintergrundstrahlung schon herauslesen können. Anhand ihrer Unregelmäßigkeiten können Forscher rekonstruieren, welche der Schwingungen damals dominant waren. Daraus lassen sich mehrere Schlüsselparameter ableiten, darunter die Krümmung des Universums sowie die Dichten der sichtbaren und Dunklen Materie. Auch andere fundamentalen Kenngrößen des Alls wie Alter und Ausdehnungsrate (Hubble-Konstante) können anhand des Verteilungsmusters der Temperaturschwankungen errechnet werden. Sie lassen aber auch Rückschlüsse auf eine viel frühere Epoche – wenige Sekundenbruchteile nach dem Urknall – sowie auf die spätere Entstehung der ersten Sterne zu.

Weitere Strahlungsfelder im Universum

Die kosmische Hintergrundstrahlung im Mikrowellenbereich ist nicht die einzige Hintergrundstrahlung. Es gibt z. B. noch die extragalaktische Hintergrundstrahlung. Sie erfüllt das gesamte Universum mit einem feinen „Gas“, das aus den Lichtquanten (Photonen) besteht, die im extragalaktischen Raum umherschwirren und von allen Sternen und Galaxien im Laufe der gesamten kosmischen Geschichte ausgesandt wurden. Es erhält noch heute Zuwachs durch das Erstrahlen neuer Sterne.

Das extragalaktische Hintergrundlicht, das vom nahen Ultraviolett über den sichtbaren Bereich bis zum Infrarot reicht, wurde erst 2012/2013 eindeutig quantifiziert, da es schwer zu entdecken ist. Es wirkt so schwach, weil der extragalaktische Raum gegenüber der Anzahl aller einst oder heute leuchtenden Galaxien überwältigend groß ist. Obendrein breiten sich die Photonen infolge der Expansion des Weltalls über ein ständig wachsendes Volumen aus und werden mit der Zeit quasi verdünnt. (Neuerdings können Astronomen dieses Hintergrundlicht indirekt anhand der Gammastrahlung messen, die von fernen Blazaren – besonders hellen Galaxienkernen – ausgeht und unterwegs durch Zusammenstöße mit extragalaktischen Photonen geschwächt wird.)

Außer dem kosmischen und extragalaktischen Hintergrundlicht erfüllen noch weitere Strahlungsfelder den ganzen Himmel, etwa der Infrarothintergrund, der Röntgenhintergrund und der Hintergrund aus energiereichen Gammastrahlen. Der kosmische Röntgenstrahlungshintergrund wurde bereits 1962 gemessen. Er stammt überwiegend (zu über 90%) von der Strahlung supermassereicher Schwarzer Löcher im Zentrum von aktiven Galaxien, die bei der Einverleibung von Materie entsteht. Der kosmische Infrarothintergrund hat seinen Ursprung überwiegend in Galaxien und warmem Gas, die durch die ersten Sterne (und zu mindestens 20% durch Schwarze Löcher) aufgeheizt wurden. Die Gammastrahlen, die heißesten und energiereichsten Strahlen, entstehen bei gigantischen Supernova-Explosionen oder dem Zusammenstoß zweier Neutronensterne.

REM