Seit Tausenden von Jahren betrachtet der Mensch das Universum und versucht, seine wahre Ausdehnung zu bestimmen. Und während die Philosophen der Antike glaubten, die Welt bestehe aus einer Scheibe, einer Zikkurat oder einem Würfel, umgeben von himmlischen Ozeanen oder einer Art Äther, öffnete die Entwicklung der modernen Astronomie ihre Augen für neue Grenzen. Im 20. Jahrhundert begannen Wissenschaftler zu verstehen, wie groß (und vielleicht sogar unendlich) das Universum wirklich ist.
Und als Kosmologen weiter in den Weltraum und tiefer in die Vergangenheit blicken, haben sie einige wirklich erstaunliche Dinge entdeckt. In den 1960er Jahren wurden Astronomen beispielsweise auf Mikrowellen-Hintergrundstrahlung aufmerksam, die in alle Richtungen nachweisbar war. Die Existenz dieser Strahlung, die als kosmischer Mikrowellenhintergrund (CMB) bekannt ist, hat dazu beigetragen, unser Verständnis der Entstehung des Universums zu verbessern.
Beschreibung:
Die CMB ist im Wesentlichen elektromagnetische Strahlung, die aus der frühesten kosmologischen Epoche übrig geblieben ist und das gesamte Universum durchdringt. Es wird angenommen, dass es sich etwa 380.000 Jahre nach dem Urknall gebildet hat und enthält subtile Hinweise darauf, wie die ersten Sterne und Galaxien entstanden sind. Während diese Strahlung mit optischen Teleskopen unsichtbar ist, können Radioteleskope das schwache Signal (oder Glühen) erkennen, das im Mikrowellenbereich des Radiospektrums am stärksten ist.
Die CMB ist in einer Entfernung von 13,8 Milliarden Lichtjahren in alle Richtungen von der Erde sichtbar, was Wissenschaftler zu der Feststellung veranlasst, dass dies das wahre Alter des Universums ist. Es ist jedoch kein Hinweis auf die wahre Ausdehnung des Universums. Angesichts der Tatsache, dass sich der Weltraum seit dem frühen Universum in einem Zustand der Expansion befindet (und sich schneller als die Lichtgeschwindigkeit ausdehnt), ist die CMB lediglich die am weitesten zurückliegende Zeit, die wir sehen können.
Beziehung zum Urknall:
Das CMB ist von zentraler Bedeutung für die Urknalltheorie und moderne kosmologische Modelle (wie die Lambda-CDM Modell). Als das Universum vor 13,8 Milliarden Jahren geboren wurde, wurde der Theorie zufolge alle Materie an einem einzigen Punkt unendlicher Dichte und extremer Hitze kondensiert. Aufgrund der extremen Hitze und Dichte der Materie war der Zustand des Universums sehr instabil. Plötzlich begann sich dieser Punkt auszudehnen und das Universum, wie wir es kennen, begann.
Zu dieser Zeit war der Weltraum mit einem gleichmäßigen Glühen weißglühender Plasmateilchen gefüllt – die aus Protonen, Neutronen, Elektronen und Photonen (Licht) bestanden. Zwischen 380.000 und 150 Millionen Jahren nach dem Urknall wechselwirkten die Photonen ständig mit freien Elektronen und konnten keine großen Entfernungen zurücklegen. Daher wird diese Epoche umgangssprachlich als das „Dunkle Zeitalter“ bezeichnet.
Als sich das Universum weiter ausdehnte, kühlte es bis zu dem Punkt ab, an dem sich Elektronen mit Protonen verbinden konnten, um Wasserstoffatome zu bilden (auch bekannt als Rekombinationsperiode). In Abwesenheit freier Elektronen konnten sich die Photonen ungehindert durch das Universum bewegen und es begann so zu erscheinen, wie es heute der Fall ist (d. h. transparent und von Licht durchdrungen). Im Laufe der Jahrmilliarden dehnte sich das Universum weiter aus und kühlte sich stark ab.
Aufgrund der Ausdehnung des Weltraums wuchsen die Wellenlängen der Photonen (wurden „rotverschoben“) auf etwa 1 Millimeter und ihre effektive Temperatur sank auf knapp über dem absoluten Nullpunkt – 2,7 Kelvin (-270 °C; -454 °F). Diese Photonen füllen heute das Universum und erscheinen als Hintergrundglühen, das im fernen Infrarot und im Radiowellenlängenbereich nachgewiesen werden kann.
Geschichte des Studiums:
Die Existenz des CMB wurde erstmals 1948 vom ukrainisch-amerikanischen Physiker George Gamow zusammen mit seinen Studenten Ralph Alpher und Robert Herman theoretisiert. Diese Theorie basierte auf ihren Studien über die Folgen der Nukleosynthese leichter Elemente (Wasserstoff, Helium und Lithium) während des sehr frühen Universums. Im Wesentlichen erkannten sie, dass das frühe Universum extrem heiß sein musste, um die Kerne dieser Elemente zu synthetisieren.
Die Urknall-Zeitachse des Universums. Kosmische Neutrinos beeinflussen die CMB zu der Zeit, als sie emittiert wurden, und die Physik kümmert sich bis heute um den Rest ihrer Entwicklung. Bildnachweis: NASA / JPL-Caltech / A. Kashlinsky (GSFC).
Sie stellten ferner die Theorie auf, dass die übrig gebliebene Strahlung aus dieser extrem heißen Periode das Universum durchdringen und nachweisbar wäre. Aufgrund der Expansion des Universums schätzten sie, dass diese Hintergrundstrahlung eine niedrige Temperatur von 5 K (-268 °C; -450 °F) haben würde – nur fünf Grad über dem absoluten Nullpunkt – was Mikrowellenwellenlängen entspricht. Erst 1964 wurden die ersten Beweise für das CMB entdeckt.
Dies war das Ergebnis der amerikanischen Astronomen Arno Penzias und Robert Wilson, die das Dicke-Radiometer verwendeten, das sie für Radioastronomie und Satellitenkommunikationsexperimente verwenden wollten. Bei ihrer ersten Messung stellten sie jedoch eine Überschreitung der Antennentemperatur von 4,2 K fest, die sie nicht erklären konnten und die nur durch die Anwesenheit von Hintergrundstrahlung erklärt werden konnte. Für ihre Entdeckung erhielten Penzias und Wilson 1978 den Nobelpreis für Physik.
Anfangs war die Entdeckung des CMB eine Quelle von Streit zwischen Vertretern verschiedener kosmologischer Theorien. Während Befürworter der Urknalltheorie behaupteten, dies sei die „Reliktstrahlung“, die vom Urknall übrig geblieben sei, argumentierten Befürworter der Steady-State-Theorie, dass sie das Ergebnis von gestreutem Sternenlicht von entfernten Galaxien sei. In den 1970er Jahren hatte sich jedoch ein wissenschaftlicher Konsens herausgebildet, der die Urknall-Interpretation begünstigte.
All-Sky-Daten der Planck-Mission der ESA, die die verschiedenen Wellenlängen zeigen. Bildnachweis: ESA
In den 1980er Jahren setzten bodengestützte Instrumente den Temperaturunterschieden der CMB immer strengere Grenzen. Dazu gehörten die Sowjets RELIKT-1 Mission an Bord des Satelliten Prognoz 9 (der im Juli 1983 gestartet wurde) und der NASA Kosmischer Hintergrund-Explorer (COBE) Mission (deren Ergebnisse 1992 veröffentlicht wurden). Für ihre Arbeit erhielt das COBE-Team 2006 den Nobelpreis für Physik.
COBE entdeckte auch den ersten akustischen Peak des CMB, akustische Oszillationen im Plasma, die großräumigen Dichtevariationen im frühen Universum entsprechen, die durch Gravitationsinstabilitäten verursacht wurden. Im Laufe des nächsten Jahrzehnts folgten viele Experimente, die aus boden- und ballonbasierten Experimenten bestanden, deren Ziel es war, genauere Messungen des ersten akustischen Peaks zu ermöglichen.
Der zweite akustische Peak wurde versuchsweise durch mehrere Experimente nachgewiesen, wurde aber erst endgültig nachgewiesen, Wilkinson Mikrowellen-Anisotropie-Sonde (WMAP) wurde 2001 eingesetzt. Zwischen 2001 und 2010, als die Mission abgeschlossen war, entdeckte WMAP auch einen dritten Höhepunkt. Seit 2010 überwachen mehrere Missionen das CMB, um verbesserte Messungen der Polarisation und kleinskaliger Dichtevariationen zu ermöglichen.
Dazu gehören bodengestützte Teleskope wie QUEST bei DASI (QUaD) und die Südpol-Teleskop an der Südpolstation Amudsen-Scott und die Atacama-Kosmologie-Teleskop und Q/U-Imaging-Experiment (QUIET) Teleskop in Chile. Inzwischen hat die Europäische Weltraumorganisation PlanckRaumfahrzeug misst weiterhin die CMB aus dem Weltraum.
Zukunft des CMB:
Nach verschiedenen kosmologischen Theorien kann das Universum irgendwann aufhören, sich auszudehnen und sich umzukehren, was in einem Kollaps gipfelt, gefolgt von einem weiteren Urknall – auch bekannt als. das Großer Crunch Theorie. In einem anderen Szenario, bekannt als Großer Riss , wird die Expansion des Universums schließlich dazu führen, dass alle Materie und die Raumzeit selbst auseinandergerissen werden.
Wenn keines dieser Szenarien richtig ist und sich das Universum weiter beschleunigt ausdehnt, wird sich die CMB bis zu dem Punkt rot verschieben, an dem sie nicht mehr nachweisbar ist. An diesem Punkt wird es vom ersten im Universum erzeugten Sternenlicht überholt und dann von Hintergrundstrahlungsfeldern, die durch Prozesse erzeugt werden, von denen angenommen wird, dass sie in der Zukunft des Universums stattfinden werden.
Wir haben hier bei Universe Today viele interessante Artikel über den kosmischen Mikrowellenhintergrund geschrieben. Hier ist Was ist die kosmische Mikrowellen-Hintergrundstrahlung? , Urknalltheorie: Evolution unseres Universums , Was war kosmische Inflation? Die Suche, das früheste Universum zu verstehen , Landmark Discovery: Neue Ergebnisse liefern direkte Beweise für die kosmische Inflation , und Wie schnell expandiert das Universum? Hubble und Gaia arbeiten zusammen, um die bisher genauesten Messungen durchzuführen .
Weitere Informationen finden Sie unter WMAP-Missionsseite der NASA und die ESAs Seite zur Planck-Mission .
Auch Astronomy Cast bietet Informationen zu diesem Thema. Hör zu: Folge 5 – Der Urknall und der Hintergrund der kosmischen Mikrowelle
Quellen:
