Hintergrundstrahlung
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Ein Blick hinein in das Weltall ist auch immer ein Blick in die Vergangenheit. Das Licht, das uns von den Sternen erreicht, war lange unterwegs und zeigt uns den Stern zu jener Zeit, als der Lichtstrahl ausgesendet wurde. Je weiter der Stern von uns entfernt ist, desto länger ist sein Licht zu uns unterwegs. Der helle Winterstern Sirius beispielsweise ist 8,6 Lichtjahre von uns entfernt. Wir können immer nur beobachten, wie er vor 8,6 Jahren aussah. Würde er heute explodieren, würden wir auch dieses Ereignis erst 8,6 Jahre später bemerken. Galaxien sind sehr viel weiter von uns entfernt als jeder Stern am Nachthimmel. Unsere Nachbargalaxie, der Andromedanebel, präsentiert sich uns so, wie sie einmal vor 2,5 Millionen Lichtjahren ausgesehen hat.
Nun stellt sich die Frage, wie tief wir eigentlich in das Weltall hineinblicken können. Wenn wir es mit den großen modernen Beobachtungsgeräten schaffen könnten, 13,7 Milliarden Jahre zurückzuschauen, würden wir dann den Urknall sehen?
Das Weltall kühlt ab
Nein, das wäre nicht möglich, denn kurz nach dem Urknall war das Universum von heißem Plasma erfüllt, in dem Protonen, Elektronen und Neutronen noch eigenständig herumirrten. Die Photonen der Strahlung stießen permanent mit ihnen zusammen und wurden ständig absorbiert und sogleich wieder emittiert, konnten den Raum also nicht durchqueren. Erst als es sich nach 380000 Jahren auf ca. 3000 Kelvin abgekühlt hatte, fügten sich aus den Protonen und Elektronen des Plasmas die ersten Atome zusammen (Wasserstoff und Helium), und das Weltall wurde durchsichtig, also für Strahlung durchlässig. Photonen konnten sich nun endlich ungehindert bewegen.
Blickt man also weit genug in der Zeit zurück, wird in ca 13,4 Milliarden Jahren die Sicht durch so etwas wie eine undurchdringliche, undurchsichtige Wolke versperrt, die ein weiteres Zurückblicken unmöglich macht. Seit dieser Zeit hat sich das Weltall immer weiter abgekühlt, wir messen heute etwa 3 Grad.
Diese allererste freie Strahlung, die das Weltall 380000 Jahre nach seinem Beginn durchflutete, sollte also zu finden sein, wenn wir hineinschauen ins All. Sie ist daran zu erkennen, dass sie nicht von einem einzelnen Objekt abgestrahlt wird, sondern uns von allen Seiten her gleichmäßig erreicht. Da sie den gesamten Himmel erfüllt und sich klar von der Strahlung der Sterne und Galaxienunterscheiden lässt, wird sie Hintergrundstrahlung genannt, manchmal auch Mikrowellenstrahlung oder Drei-Kelvin-Strahlung.
Die Entdeckung der Hintergrundstrahlung
Die Hintergrundstrahlung wurde 1964 rein zufällig entdeckt. Die beiden Radioastronomen Arno Penzias und Robert Wilson wollten astronomische Messungen anderer Art durchführen und stellten dabei fest, dass ihre Ergebnisse durch eine störende Strahlung verfälscht werden. Auf der Suche nach der Ursache bzw. Quelle dieser Strahlung fiel ihnen auf, dass sie nicht aus einer bestimmten Richtung kommt, sondern von überall her, egal wohin sie ihre Antennen auch richteten. Für diese Entdeckung erhileten Penzias und Wilson im Jahr 1978 den Nobelpreis für Physik. Die Entdeckung der Hintergrundstrahlung ist deshalb so bedeutsam, weil sie die Urknalltheorie bestätigt und viele weitere Erkenntnisse über unser Universum möglich macht.
Eine erste Vermessung des Himmels ergab überall eine gleichmäßige Temperatur von rund 3 Kelvin (genauer 2,73K). Die Hintergrundstrahlung ist quasi der Fingerabdruck des Universums im Alter von 380000 Jahren. Sein Zustand zu dieser Zeit ist im Muster der Hintergrundstrahlung abgebildet. Eine gleichmäßige Strahlung von 3K aus allen Richtungen bedeutet auch eine gleichmäßige Verteilung der Materie und Strahlung im frühen Universum. Wäre sie aber absolut gleich verteilt gewesen, hätten sich keine Dichtezentren herausbilden können. Ohne diese wäre es nie zur Entstehung von Sternen und in weiterer Folge zur Entstehung von Galaxien gekommen. Das Universum könnte dann gar nicht so strukturiert sein, wie es sich heute beobachten lässt. Die Keime dieser Strukturen müssten bereits zum Zeitpunkt der Rekombination (des Zusammenfindens von Protonen und Elektronen zu ersten Atomen) vorhanden gewesen sein.
Es galt also nun, die Hintergrundstrahlung genauestens zu vermessen und winzige Temperaturschwankungen ausfindig zu machen. Anfang der 1970er Jahre schickte man dazu Spektralphotometer mit Ballonen in ca. 3km Höhe, um von dort aus möglichst ungestört von irdischen Strahlungsquellendie Infrarotstrahlung ( = Wärmestrahlung) des Himmels vermessen zu können. Später dann schickte man umgebaute Spionageflugzeuge mit Messgeräten an Bord in die Stratosphäre. Dabei konnte erstmals eine Struktur im Mikrowellenhintergrund festgestellt werden. Die Temperaturunterschiede betragen nur wenige Mikrokelvin (hunderttausendstel Grad). Der Wunsch bzw. die Notwendigkeit nach präziserer Messung war groß.
Auf in die Umlaufbahn
Die besten Messergebnisse lassen sich erzielen, wenn man sich außerhalb der störenden Erdatmosphäre befindet. Und so entwickelten mehr als 1000 Wissenschaftler, Ingenieure und Techniker einen Satelliten, der die Messungen durchführen soll. Er bekam den Namen COBE (Cosmic Background Explorer) und verrichtete von 1989 bis 1993 seine Arbeit im All. Mit seiner Hilfe wurde der Himmel genauer vermessen als je zuvor.
Satellit COBE
Die Messergebnisse wurden zu einer Art Landkarte des Himmels zusammengefügt, die blaue und rote Flecken aufzeigt. Rote Flecken sind wärmere Bereiche, blaue Stellen symbolisieren kühlere Bereiche. Die Unterschiede in der Temperatur sind aber nach wie vor winzig, also im Bereich von hunderttausendstel Graden.
Dennoch werden nun ganz deutlich Unterschiede in der Energieverteilung sichtbar. Genau diese Schwankungen ermöglichen ein Universum, wie wir es kennen, bei dem sich durch die Gravitation Materie zusammenballt und Sterne bildet, die in ihrem Inneren eine Kernfusion starten, wodurch sie Materie in Energie umwandeln und das Weltall zum Leuchten bringen.
Satellit WMAP
Im Juni 2001 kam ein neuer Satellit zum Einsatz, um die Hintergrundstrahlung noch genauer zu vermessen. Die Ergebnisse von WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) ermöglichten die Zusammenstellung einer äußerst detaillierten Karte des gesamten Himmels (siehe unten).
Nun sind die Dichteschwankungen und Temperaturschwankungen noch deutlicher zu erkennen. Aus diesen Fluktuationen bildeten sich die Strukturen heraus, die wir heute beobachten. Da gibt es Bereiche hoher Materiekonzentration in den Galaxien und Galaxienhaufen, und dazwischen existieren riesige Blasen, die wie leergefegt sind.
Die Erkenntnisse aus der Erforschung der Hintergrundstrahlung erlauben weitere Schlussfolgerungen über das Wesen unseres Universums. Kosmologen fanden heraus, dass wir in einem ungekrümmten, also flachen Weltall leben. Das wiederum lässt den Schluss zu, dass es sich nie wieder zu einem Punkt zusammenziehen wird, sondern ewig weiter expandiert (sich ausdehnt). Verantwortlich dafür sind die Dunkle Materie und die Dunkle Energie, die einen sehr viel größeren Anteil am Universum haben als all die Sterne und Galaxien, die wir beobachten können.
Mit der Lösung des Rätsels der Herkunft der geheimnisvollen 3K-Strahlung aus dem Weltall haben wir viele neue Erkenntnisse gewonnen und sind zugleich auf neue Rätsel gestoßen, die es nun zu lösen gilt.
Die Fotos dieser Seite stammen von der NASA.
