Kosmischer Mikrowellen-Hintergrund, Teil 1

Kosmischer Mikrowellen-Hintergrund, Teil 1

Wir wenden uns im Folgenden den drei grossen Themenkomplexen zum Anfang des Universums in jeweils mehreren Teilen zu:

  • Dem kosmischen Mikrowellen-Hintergrund
  • Der kosmischen „Inflation“ und
  • Dem Urknall („big bang“)

und beginnnen mit ersterem.

 

Jeder hat schon auf die eine oder anderer Weise vom kosmischen Mikrowellen-Hintergrund gehört. Theoretisch wurde er schon lange gefordert. Dass er jedoch der Schlüssel zu den Geheimnissen des Universums ist, wurde erst langsam klar und ist den genialen Untersuchungsmethoden mittels Teleskopen und Satelliten geschuldet.  Ich verwende  hierfür im Folgenden die englische Abkürzung CMB (cosmic microwave background).

Wir beginnen mit unserer Betrachtung etwa 5 Minuten nach dem absoluten Anfang des Universums. Für diesen kommt einer der beiden übrigen Themenkomplexe infrage – Urknall oder Inflation. Mit beiden werden wir uns noch ausführlich beschäftigen. Nach neuesten Erkenntnissen ist durchaus offen, was zuerst kam. Für beide Meinungen gibt es gewichtige Argumente. Allerdings hängen diese kritisch davon ab wie man diese beiden Grossereignisse definiert. Dazu später mehr.

Photonen, die Träger des CMB werden zunächst gestreut

Etwa fünf Minuten nach dem Urknall, bei einer Temperatur zwischen 109 und 108 Kelvin sind alle Vorgänge der Materiebildung beendet. Freie Quarks, freie Neutronen und Antimaterie sind verschwunden. Das immer noch sehr heiße Plasma besteht aus Photonen (Strahlung), Elektronen und Neutrinos sowie aus Wasserstoff-, Deuterium- und Heliumkernen mit Spuren von Lithium- und Berylliumkernen. Damit sind alle Ingredienzien der späteren Sternentstehung bereits vorhanden. Das sich kontinuierlich weiter ausdehnende Universum ist jedoch intransparent und strahlungsundurchlässig, weil die Photonen sich nicht frei bewegen können. Sie kollidieren unablässig mit den freien Elektronen und werden von ihnen gestreut. Dadurch baut sich ein Photonendruck auf, der unter anderem der Gravitation entgegenwirkt. Dieses frühe Phänomen wird uns später noch einmal beschäftigen.

Als Nächstes passiert – nichts! Und zwar 380.000 Jahre lang.

Durch Rekombination wird die Photonenstrahlung ermöglicht

Durch die kontinuierliche Ausdehnung kühlt sich das junge Universum immer weiter ab – bis auf den heutigen Tag. Nach 380.000 Jahren ist das expandierende Universum so weit abgekühlt, dass die freien Elektronen sich mit den Atomkernen zu neutralen Atomen vereinigen, ohne dass sie sofort wieder abgespalten werden; man spricht von Rekombination. Anders ausgedrückt ist die Ionisierungsenergie beziehungsweise Temperatur so weit zurückgegangen, dass neutrale Atome stabil bleiben. Ab diesem Moment werden die Photonen nicht mehr von Elektronen gestreut und können sich frei im Universum ausbreiten. Damit verschwindet auch der Photonendruck. Doch das gesamte Universum ist von einer immer noch »heißen« (Photonen-) Strahlung erfüllt. Kosmologen haben diese Strahlung lange als Konsequenz des »Big Bang« vorhergesagt. 1965 wurde sie per Zufall von Arno Penzias und Robert Wilson bei Radio-Untersuchungen der Milchstraße mittels sogenannter Hornantennen als ein störendes Zischen im Mikrowellenbereich, das aus allen Richtungen zu kommen schien, entdeckt. Das brachte ihnen den Nobelpreis ein. Das ist -in Kürze – die Geburtsgeschichte des CMB.

Expansion des Universums führt zu Rotverschiebung der Photonenstrahlung in den Mikrowellenbereich

Photonen sind elektromagnetische Strahlung. Sie strömen seit knapp 13,8 Milliarden Jahren durch das Universum. Dieses dehnt sich im gleichen Zeitraum immer weiter aus, wobei es sich kontinuierlich weiter abkühlt. Das führt dazu, dass die Photonen Energie verlieren und sich ihre Wellenlänge mit der Expansion auseinanderzieht und kontinuierlich in langwelligere Bereiche verschiebt. Man spricht von Rotverschiebung. Da man die Ausdehnungsgeschwindigkeit des Universums aufgrund der Rotverschiebung berechnen kann, wusste man bei Postulierung dieser Strahlung als wichtiger Komponente des »Big Bang« genau, wo im elektromagnetischen Spektrum man danach suchen musste und welche Temperatur diese »Hintergrundstrahlung« heute haben muss: Sie muss im Mikrowellenbereich des Spektrums liegen (im einstelligen mm-Bereich) und dabei eine Temperatur haben, die nur knapp über dem absoluten Nullpunkt liegt, nämlich bei 2,725 K (der absolute Nullpunkt liegt bei null Kelvin, was -273,2° Celsius entspricht).  Und genau dort wurde sie mit exakt dem berechneten Wert auch gefunden.

Mikrowellenanalysen durch Satelliten führen zu enormem Erkenntnisgewinn

Die experimentelle Verifizierung des CMB mit Spezialteleskopen, Ballons und Satelliten ist eine einzige Erfolgsgeschichte. Ihre Ergebnisse haben unser Verständnis des Universums für immer verändert und erlauben uns eine Beschreibung des Kosmos zurück bis zu 10-35 Sekunden nach dem Urknall.

1989 wurde von der NASA der erste Satellit gestartet, der ausschließlich der Erforschung des Mikrowellenhintergrundes diente: COBE, der Cosmic Background Explorer. 2001 folgte der Wilkinson Microwave Anisotropy Probe Satellit (WMAP), ebenfalls von der NASA. 2009 schließlich wurde der Planck-Satellit von der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) in den Weltraum geschossen. Und hier haben die Ergebnisse des Planck-Satelliten die Nase deutlich vorn, wobei natürlich nicht vergessen werden darf, dass diese auf den Daten der vorherigen aufbauen, insbesondere des WMAP- Satelliten. Steigen wir also ein.

Aus der heutigen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung lassen sich die Eigenschaften des Universums zum Zeitpunkt ihrer Freisetzung vor ca. 13 Milliarden Jahren mit hoher Genauigkeit bestimmen. Vermutet wurden minimalste Temperaturschwankungen im Plasma, die sich in entsprechenden Temperaturunterschieden der gemessenen Photonen widerspiegeln. Diese Schwankungen sind für das Standardmodell der Entstehung des Universums unverzichtbar, da ohne sie die Strukturen, die wir heute kennen (Galaxienhaufen, Galaxien, Kugelsternhaufen usw.) nicht erklärbar wären, was das Standardmodell in Frage stellen würde.

Minimalste Temperaturunterschiede in der Strahlung als Auslöser von Struktur im Universum

Die im Beitragsbild (und auch bereits im letzten blogpost  https://cosmoblog.space/die-kosmischen-leerraeume-voids-teil-2/) wiedergegebene Planck-Karte  des  Gesamthimmels  zeigt  die  erwarteten minimalsten Temperaturunterschiede im heißen Plasma im Zeitraum zwischen Urknall und Rekombination, also für die ersten 380.000 Jahre des Universums. Diese entsprechen ebensolchen Dichteunterschieden. Das heißt, es handelt sich um Areale etwas erhöhter beziehungsweise etwas erniedrigter Temperatur und Dichte. Größenordnung: ein Teil pro 100.000! Die blauen Areale sind um diesen Bruchteil kühler, die gelben bis rot-orangen wärmer als die heutige Durchschnittstemperatur von 2.725 Kelvin. Die Hauptursache hierfür sind Quantenfluktuationen vor und während der inflationären Phase des Universums etwa 10-35 Sekunden nach dem Urknall (hierauf gehen wir später noch ausführlich ein). Sie wurden während der exponentiellen Ausdehnung ins Makroskopische vergrößert und als leicht wärmere beziehungsweise kältere Areale in der Feinstruktur des über den gesamten Himmel gemessenen CMB  sichtbar.(In der bildlichen Darstellung ist die Winkelgröße der von der Durchschnittstemperatur abweichenden Areale gegen die relative Intensität aufgetragen).  Dies wird möglich durch genaueste Messung kleinster Temperaturunterschiede der Strahlung und gibt eine Idee davon, mit welch ungeheurer Präzision und Empfindlichkeit diese Messungen über 15,5 Monate durchgeführt wurden. Diese ursprünglich submikroskopischen, auf Quantenfluktuationen beruhenden, minimalst unterschiedlichen Areale sind die Grundlage jedweder makroskopischen Struktur im Universum – also aller Galaxienhaufen, Galaxien und Myriaden von Sternen.

Die Rolle von Dunkler Materie bei der Strukturbildung

Ursache für das weitere Wachstum der nunmehr makroskopischen Verdichtungen ist Dunkle Materie, der wir früher bereits eine 7-teilige Reihe von blogposts gewidmet haben (beginnend mit https://cosmoblog.space/dunkle-materie-teil1-entdeckung-und-eigenschaften/).

Wie die Messungen unter anderem des WMAP- und Planck-Satelliten bestätigt haben, ist Dunkle Materie mehr als fünfmal häufiger als Baryonische Materie. In den Verdichtungen ist sie konzentrierter als im Durchschnitt und zieht mit ihrer etwas stärkeren Gravitation Baryonische Materie und Photonen an: Die Verdichtungen wachsen. Wie wir weiter oben bereits erwähnt haben, üben die an Elektronen gestreuten Photonen im dichten Plasma einen Gegendruck aus, womit es zu Verdünnungen kommt. Es entsteht also ein oszillierendes Muster aus Verdichtungen und Verdünnungen (Kompressionen und Dekompressionen). Ein solches mechanisches Phänomen – ob in Luft, Wasser oder eben heißem Plasma – ist nichts anderes als die Erzeugung von Schallwellen. Sie durchlaufen das Plasma für 380.000 Jahre aus allen Himmelsrichtungen und brechen erst zusammen, wenn der Photonendruck aufhört, weil die streuenden Elektronen in den Atomen gebunden werden. Das junge Universum war also für die ersten paar hunderttausend Jahre von donnerndem Schall durchrauscht.

Die Rolle von Schallwellen als Struktur-Verstärker

Nach ihrer Entstehung trugen auch diese Schallwellen zu einer Zunahme der Dichteunterschiede im Plasma bei. Die Schallwellen brachen bei der  Rekombination von Atomkernen mit Elektronen nach 380.000 Jahren abrupt ab. Die Photonen konnten ab da -wie erwähnt- ungehemmt durch das Universum strömen (kosmische Hintergrundstrahlung, CMB), tragen aber den imprint der vergangenen Schallwellen als winzige Temperatur- (beziehungsweise Dichte-)Unterschiede mit sich. Die Peaks im Powerspektrum (Abbildung unten) können daher auch den Schallwellen zugeordnet werden. Es würde hier zu weit führen, auf die Einzelheiten und Berechnungen im Detail einzugehen. Nur soviel: die aus dem Powerspektrum ableitbaren Wellenlängen und Perioden stimmen exakt mit den entsprechenden Vorhersagen überein.

 

 

                                                                                Powerspektrum der kosmischen Mikrowellen Hintergrundstrahlung       Quelle: Planck Kollaboration, ESA

 

Wir haben jetzt das Rüstzeug, die bahnbrechenden Ergebnisse des Planck Satelliten und seiner Vorgänger zur Mikrowellen-Hintergrund-Strahlung zu diskutieren und zu verstehen. Sie werden Thema des nächsten blogpost sein.

 

Headerbild: Spinnenetzstruktur des Universums; Würfel mit Kantenlänge 1 Milliarde Lichtjahre; Bolshoi Simulation. Credit: NASA, ESA and E. Hallman, University of Colorado; Boulder

Beitragsbild: Darstellung des kosmischen Mikrowellen Hintergrunds, „cosmic microwave background“ (CMB) nach Daten des Planck-Satelliten.  Credit: ESA and the Planck collaboration, 2013

Verantwortlich: Peter H. Jacobi (Autor von „Cosmoblog. Kosmologie: Über die Grundlagen zur Spitzenforschung von heute und morgen“; K.Fischer Verlag, September 2017)

 

 

 

 

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