Ein Bild der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung, das 2013 vom Planck-Satelliten der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) aufgenommen wurde, zeigt die kleinen Abweichungen am Himmel
(Bild: © ESA / Planck Collaboration)
Es wird angenommen, dass der kosmische Mikrowellenhintergrund (CMB) übrig gebliebene Strahlung des Urknalls oder der Zeit ist, als das Universum begann. Wie die Theorie besagt, erlebte das Universum bei seiner Geburt eine rasche Inflation und Expansion. (Das Universum expandiert noch heute und die Expansionsrate scheint je nach Blickwinkel unterschiedlich zu sein.) Der CMB repräsentiert die vom Urknall übrig gebliebene Wärme.
Sie können das CMB nicht mit bloßem Auge sehen, aber es ist überall im Universum. Es ist für den Menschen unsichtbar, weil es so kalt ist, nur 2,725 Grad über dem absoluten Nullpunkt (minus 459,67 Grad Fahrenheit oder minus 273,15 Grad Celsius). Dies bedeutet, dass seine Strahlung im Mikrowellenteil des elektromagnetischen Spektrums am sichtbarsten ist.
Ursprung und Entdeckung
Das Universum begann vor 13,8 Milliarden Jahren und die CMB geht auf etwa 400.000 Jahre nach dem Urknall zurück. Das liegt daran, dass in den frühen Stadien des Universums, als es nur ein Hundertmillionstel der heutigen Größe war, seine Temperatur extrem war: 273 Millionen Grad über absoluter Nullpunkt laut NASA.
Zu dieser Zeit vorhandene Atome wurden schnell in kleine Teilchen (Protonen und Elektronen) zerlegt. Die Strahlung des CMB in Photonen (Teilchen, die Lichtquanten oder andere Strahlung darstellen) wurde von den Elektronen gestreut. "So wanderten Photonen durch das frühe Universum, genau wie optisches Licht durch einen dichten Nebel wandert", schrieb die NASA.
Ungefähr 380.000 Jahre nach dem Urknall war das Universum so kühl, dass sich Wasserstoff bilden konnte. Da die CMB-Photonen durch das Auftreffen von Wasserstoff kaum beeinflusst werden, bewegen sich die Photonen in geraden Linien. Kosmologen beziehen sich auf eine "Oberfläche der letzten Streuung", wenn die CMB-Photonen zuletzt auf Materie treffen; Danach war das Universum zu groß. Wenn wir also den CMB abbilden, blicken wir auf 380.000 Jahre nach dem Urknall zurück, kurz nachdem das Universum strahlungsundurchlässig war.
Der amerikanische Kosmologe Ralph Apher sagte das CMB erstmals 1948 voraus, als er laut NASA mit Robert Herman und George Gamow zusammenarbeitete. Das Team forschte im Zusammenhang mit der Urknall-Nukleosynthese oder der Produktion von Elementen im Universum neben dem leichtesten Isotop (Typ) von Wasserstoff. Diese Art von Wasserstoff wurde sehr früh in der Geschichte des Universums erzeugt.
Aber die CMB wurde zuerst zufällig gefunden. 1965 stellten zwei Forscher der Bell Telephone Laboratories (Arno Penzias und Robert Wilson) einen Funkempfänger her und waren verwirrt über das Geräusch, das er aufnahm. Sie bemerkten bald, dass der Lärm gleichmäßig vom ganzen Himmel kam. Zur gleichen Zeit versuchte ein Team an der Princeton University (unter der Leitung von Robert Dicke), die CMB zu finden. Dicks Team bekam Wind vom Bell-Experiment und stellte fest, dass der CMB gefunden worden war.
Beide Teams veröffentlichten 1965 schnell Artikel im Astrophysical Journal, wobei Penzias und Wilson darüber sprachen, was sie sahen, und Dicke's Team erklärte, was es im Kontext des Universums bedeutet. (Später erhielten Penzias und Wilson 1978 den Nobelpreis für Physik).
Detaillierter studieren
Das CMB ist für Wissenschaftler nützlich, weil es uns hilft zu lernen, wie das frühe Universum entstanden ist. Es hat eine gleichmäßige Temperatur mit nur geringen Schwankungen, die mit präzisen Teleskopen sichtbar sind. "Durch die Untersuchung dieser Schwankungen können Kosmologen den Ursprung von Galaxien und großräumigen Strukturen von Galaxien kennenlernen und die grundlegenden Parameter der Urknalltheorie messen", schrieb die NASA.
Während Teile des CMB in den folgenden Jahrzehnten nach seiner Entdeckung kartiert wurden, stammte die erste weltraumgestützte Vollhimmelkarte aus der Mission Cosmic Background Explorer (COBE) der NASA, die 1989 gestartet wurde und 1993 den wissenschaftlichen Betrieb einstellte. Dieses „Babybild“ ”Des Universums, wie die NASA es nennt, bestätigte die Vorhersagen der Urknalltheorie und zeigte auch Hinweise auf eine kosmische Struktur, die zuvor nicht gesehen wurden. 2006 wurde der Nobelpreis für Physik an die COBE-Wissenschaftler John Mather vom Goddard Space Flight Center der NASA und George Smoot von der University of California in Berkeley verliehen.
Eine detailliertere Karte wurde 2003 mit freundlicher Genehmigung der Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) erstellt, die im Juni 2001 gestartet wurde und 2010 keine wissenschaftlichen Daten mehr sammelte. Das erste Bild bezog das Alter des Universums auf 13,7 Milliarden Jahre (eine Messung, die seitdem auf 13,8 Milliarden verfeinert wurde) Jahre) und enthüllte auch eine Überraschung: Die ältesten Sterne begannen etwa 200 Millionen Jahre nach dem Urknall zu leuchten, viel früher als vorhergesagt.
Die Wissenschaftler verfolgten diese Ergebnisse, indem sie die sehr frühen Inflationsstadien des Universums (in der Billionstelsekunde nach der Bildung) untersuchten und kurz nach seiner Bildung genauere Parameter für die Atomdichte, die Klumpigkeit des Universums und andere Eigenschaften des Universums angaben. Sie sahen auch eine seltsame Asymmetrie der Durchschnittstemperaturen in beiden Hemisphären des Himmels und einen "kalten Punkt", der größer als erwartet war. Das WMAP-Team erhielt für seine Arbeit den Durchbruchspreis 2018 für Grundlagenphysik.
2013 wurden Daten aus dem Planck-Weltraumteleskop der Europäischen Weltraumorganisation veröffentlicht, die das bisher präziseste Bild des CMB zeigen. Wissenschaftler deckten mit diesen Informationen ein weiteres Rätsel auf: Schwankungen im CMB bei großen Winkelskalen stimmten nicht mit Vorhersagen überein. Planck bestätigte auch, was WMAP in Bezug auf die Asymmetrie und den kalten Punkt sah. Plancks endgültige Datenveröffentlichung im Jahr 2018 (die Mission, die zwischen 2009 und 2013 durchgeführt wurde) zeigte mehr Beweise dafür, dass dunkle Materie und dunkle Energie - mysteriöse Kräfte, die wahrscheinlich hinter der Beschleunigung des Universums stehen - zu existieren scheinen.
Andere Forschungsanstrengungen haben versucht, verschiedene Aspekte des CMB zu untersuchen. Eine davon ist die Bestimmung von Polarisationstypen, die als E-Moden (2002 vom Antarktis-basierten Grad-Winkel-Interferometer entdeckt) und B-Moden bezeichnet werden. B-Moden können durch Gravitationslinsen von E-Moden (diese Linsen wurden erstmals 2013 vom Südpol-Teleskop gesehen) und Gravitationswellen (die erstmals 2016 mit dem Advanced Laser Interferometer Gravitationswellenobservatorium (LIGO) beobachtet wurden) erzeugt werden. Im Jahr 2014 soll das in der Antarktis ansässige BICEP2-Instrument B-Moden der Gravitationswelle gefunden haben. Weitere Beobachtungen (einschließlich Arbeiten von Planck) zeigten jedoch, dass diese Ergebnisse auf kosmischen Staub zurückzuführen sind.
Ab Mitte 2018 suchen Wissenschaftler immer noch nach dem Signal, das kurz nach dem Urknall eine kurze Periode schneller Universumsausdehnung zeigte. Zu dieser Zeit wurde das Universum schneller größer als die Lichtgeschwindigkeit. In diesem Fall vermuten die Forscher, dass dies durch eine Form der Polarisation im CMB sichtbar sein sollte. Eine Studie in diesem Jahr legte nahe, dass ein Leuchten von Nanodiamanten ein schwaches, aber erkennbares Licht erzeugt, das die kosmischen Beobachtungen stört. Jetzt, da dieses Leuchten berücksichtigt ist, könnten zukünftige Untersuchungen es entfernen, um besser nach der schwachen Polarisation im CMB zu suchen, sagten die Autoren der Studie zu der Zeit.
Zusätzliche Ressource
- NASA: Tests des Urknalls: Der CMB
