WAS IST DER KOSMISCHE MIKROWELLENHINTERGRUND?

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Seit Tausenden von Jahren betrachtet der Mensch das Universum und versucht, sein wahres Ausmaß zu bestimmen. Im 20. Jahrhundert begannen die Wissenschaftler zu verstehen, wie groß (und vielleicht sogar endlos) das Universum wirklich ist.

Und im Laufe des weiteren Blicks in den Weltraum und tiefer in die Vergangenheit haben Kosmologen einige wirklich erstaunliche Dinge entdeckt. In den 1960er Jahren wurden Astronomen beispielsweise auf Mikrowellen-Hintergrundstrahlung aufmerksam, die in alle Richtungen nachweisbar war. Bekannt als Cosmic Microwave Background (CMB), hat die Existenz dieser Strahlung dazu beigetragen, unser Verständnis der Entstehung des Universums zu verbessern.

Beschreibung:

Das CMB ist im Wesentlichen elektromagnetische Strahlung, die von der frühesten kosmologischen Epoche übrig geblieben ist, die das gesamte Universum durchdringt. Es wird angenommen, dass es sich etwa 380.000 Jahre nach dem Urknall gebildet hat und subtile Hinweise darauf enthält, wie sich die ersten Sterne und Galaxien gebildet haben. Während diese Strahlung mit optischen Teleskopen unsichtbar ist, können Radioteleskope das schwache Signal (oder Glühen) erkennen, das im Mikrowellenbereich des Funkspektrums am stärksten ist.

Das CMB ist in einer Entfernung von 13,8 Milliarden Lichtjahren in alle Richtungen von der Erde aus 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 Raum seit dem frühen Universum in einem Expansionszustand befindet (und sich schneller ausdehnt als die Lichtgeschwindigkeit), ist der CMB nur die am weitesten zurückliegende Zeit, die wir sehen können.

Beziehung zum Urknall:

Das CMB spielt eine zentrale Rolle in der Urknalltheorie und in modernen kosmologischen Modellen (wie dem Lambda-CDM-Modell). Als das Universum vor 13,8 Milliarden Jahren geboren wurde, wurde die gesamte Materie auf einen einzigen Punkt unendlicher Dichte und extremer Hitze verdichtet. 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 Raum mit einem gleichmäßigen Glühen weißglühender Plasmapartikel gefüllt, die aus Protonen, Neutronen, Elektronen und Photonen (Licht) bestanden. Zwischen 380.000 und 150 Millionen Jahre nach dem Urknall interagierten die Photonen ständig mit freien Elektronen und konnten keine langen Strecken zurücklegen. Daher wird diese Epoche umgangssprachlich als „dunkles Zeitalter“ bezeichnet.

Während 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 von freien 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). In den vergangenen Milliarden von Jahren expandierte das Universum weiter und kühlte sich stark ab.

Aufgrund der Raumausdehnung wuchsen die Wellenlängen der Photonen (wurden rotverschoben) auf ungefähr 1 Millimeter und ihre effektive Temperatur sank auf knapp über den absoluten Nullpunkt - 2,7 Kelvin (-270 ° C; -454 ° F). Diese Photonen füllen das Space Magazine und erscheinen als Hintergrundlicht, das im fernen Infrarot und im Radio erfasst werden kann.

Studiengeschichte:

Die Existenz des CMB wurde erstmals 1948 vom ukrainisch-amerikanischen Physiker George Gamow zusammen mit seinen Schülern Ralph Alpher und Robert Herman theoretisiert. Diese Theorie basierte auf ihren Untersuchungen der 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.

Sie theoretisierten weiter, dass die übrig gebliebene Strahlung aus dieser extrem heißen Periode das Universum durchdringen und nachweisbar wäre. Aufgrund der Ausdehnung 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 die CMB entdeckt.

Dies war das Ergebnis der amerikanischen Astronomen Arno Penzias und Robert Wilson, die das Dicke-Radiometer verwendeten, das sie für Experimente zur Radioastronomie und Satellitenkommunikation verwenden wollten. Bei der Durchführung ihrer ersten Messung stellten sie jedoch einen Überschuss von 4,2 K Antennentemperatur fest, den sie nicht erklären konnten und der nur durch das Vorhandensein von Hintergrundstrahlung erklärt werden konnte. Für ihre Entdeckung erhielten Penzias und Wilson 1978 den Nobelpreis für Physik.

Anfänglich war der Nachweis des CMB eine Streitquelle zwischen Befürwortern verschiedener kosmologischer Theorien. Während Befürworter der Urknalltheorie behaupteten, dies sei die vom Urknall übrig gebliebene „Reliktstrahlung“, argumentierten Befürworter der Steady-State-Theorie, dass dies das Ergebnis von gestreutem Sternenlicht aus fernen Galaxien sei. In den 1970er Jahren hatte sich jedoch ein wissenschaftlicher Konsens herausgebildet, der die Urknallinterpretation begünstigte.

In den 1980er Jahren haben bodengestützte Instrumente den Temperaturunterschieden des CMB immer strengere Grenzen gesetzt. Dazu gehörten die sowjetische Mission RELIKT-1 an Bord des Satelliten Prognoz 9 (die im Juli 1983 gestartet wurde) und die Mission NASA Cosmic Background Explorer (COBE) (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 Schwingungen im Plasma, die großen Dichteschwankungen im frühen Universum entsprechen, die durch Gravitationsinstabilitäten erzeugt werden. Während des nächsten Jahrzehnts folgten viele Experimente, die aus Boden- und Ballonversuchen bestanden, deren Zweck es war, genauere Messungen des ersten akustischen Peaks bereitzustellen.

Der zweite akustische Peak wurde vorläufig durch mehrere Experimente erfasst, jedoch erst mit dem Einsatz der Wilkinson-Mikrowellenanisotropiesonde (WMAP) im Jahr 2001 endgültig festgestellt. Zwischen 2001 und 2010, als die Mission abgeschlossen war, erkannte WMAP auch einen dritten Peak. Seit 2010 haben mehrere Missionen den CMB überwacht, um verbesserte Messungen der Polarisation und kleine Dichteschwankungen zu ermöglichen.

Dazu gehören bodengestützte Teleskope wie QUEST am DASI (QUaD) und das Südpolteleskop an der Südpolstation Amudsen-Scott sowie das Atacama Cosmology Telescope und das Q / U Imaging ExperimenT (QUIET) -Teleskop in Chile. Inzwischen hat die Europäische Weltraumorganisation Planck Raumfahrzeug misst weiterhin die CMB aus dem Weltraum.

Zukunft der CMB:

Nach verschiedenen kosmologischen Theorien kann das Universum irgendwann aufhören, sich auszudehnen und sich umzukehren, was in einem Zusammenbruch gipfelt, gefolgt von einem weiteren Urknall - auch bekannt als. die Big Crunch-Theorie. In einem anderen Szenario, das als Big Rip bekannt ist, wird die Expansion des Universums schließlich dazu führen, dass alle Materie und Raumzeit selbst auseinandergerissen werden.

Wenn keines dieser Szenarien korrekt ist und sich das Universum mit zunehmender Geschwindigkeit weiter ausdehnt, verschiebt sich der CMB weiter bis zu dem Punkt, an dem er nicht mehr erkennbar 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 im Space Magazine viele interessante Artikel über den kosmischen Mikrowellenhintergrund geschrieben. Was ist die kosmische Mikrowellen-Hintergrundstrahlung?, Urknalltheorie: Evolution unseres Universums, Was war kosmische Inflation? Die Suche nach dem frühesten Universum, Landmark Discovery: Neue Ergebnisse liefern direkte Beweise für die kosmische Inflation und wie schnell expandiert das Universum? Hubble und Gaia führen gemeinsam die bislang genauesten Messungen durch.

Weitere Informationen finden Sie auf der WMAP-Missionsseite der NASA und auf der Planck-Missionsseite der ESA.

Astronomy Cast hat auch Informationen zu diesem Thema. Hören Sie hier: Episode 5 - Der Urknall und der kosmische Mikrowellenhintergrund

Quellen: