Dieses Bild stammt von Wikipedia ( http://en.wikipedia.org/wiki/Image:WMAP.jpg ) und letztlich von der NASA -- eine noch höhere Auflösung findet man unter http://upload.wikimedia.org/wikipedia/en/a/a5/WMAP.jpg . Es zeigt die kosmische Hintergrundstrahlung, wie sie vom Wilkinson Microwave Anisotropy satellite (WMAP) gemessen und im Jahr 2003 veröffentlicht wurde. Mehr Details dazu findet man auf der offiziellen Webseite der NASA unter http://map.gsfc.nasa.gov/m_mm.html .
Was sieht man hier? Stellen wir uns vor, wir blicken im Weltraum in den schwarzen Himmel auf eine Stelle, an der sich keine Sterne befinden. Die Stelle erscheint unseren Augen also absolut schwarz. Aber könnten unsere Augen nicht nur sichtbares Licht, sondern auch längerwellige elektromagnetische Wellen bis in den Mikrowellenbereich wahrnehmen, so würde uns diese sternenleere Stelle nicht mehr tiefschwarz vorkommen. Wir würden ein gleichmäßiges Glühen sehen, wie es von einem Körper oder Gas ausgestrahlt wird, der eine Temperatur von etwa 3 Grad über dem absoluten Temperatur-Nullpunkt besitzt (der genaue Wert ist 2,726 Kelvin ). Der scheinbar leere Himmel sendet also überall eine Wärmestrahlung aus, wie sie ein sehr kalter Körper austrahlt. Diese Wärmestrahlung ist für den ganzen Himmel in dem obigen Bild dargestellt, wobei Effekte durch Sterne oder durch die Eigenbewegung der Erde herausgerechnet wurden. Die Wärmestrahlung hat ihr Maximum im Mikrowellenbereich bei etwa 160 GHz. Man nennt sie die kosmische Hintergrundstrahlung.
Allerdings kann leerer Raum keine Wärmestrahlung aussenden. Was aber sendet dann diese Wärmestrahlung aus? Die Quelle der Strahlung ist das Plasma, das unser Universum etwa 380 000 Jahre nach dem Urknall anfüllte. Damals vor knapp 14 Milliarden Jahren gab es noch keine Sterne. Die gesamte atomare Materie (im Wesentlichen 3/4 Wasserstoff und 1/4 Helium) verteilte sich als etwa 3000 Grad Kelvin heißes, glühendes und noch weitgehend lichtundurchlässiges Plasma relativ gleichmäßig im Raum (zum Vergleich: die Oberfläche der Sonne ist etwa doppelt so heiß). Das Plasma war aufgrund der Expansion des Universums bereits relativ dünn: ein Teilchen legte in diesem Plasma im Mittel etwa 10 000 Lichtjahre zurück, bevor es auf ein anderes Teilchen traf. Zum Vergleich: In Luft stößt ein Luftmolekül bereits nach einem Zehntausendstel Millimeter mit einem anderen Teilchen zusammen.
Dieses dünne heiße Plasma kühlte nun aufgrund der fortlaufenden Expansion des Universums ständig weiter ab, so dass Elektronen und Protonen des Wasserstoffs sich zu elektrisch neutralen Wasserstoffatomen verbinden konnten. Aus dem glühenden Plasma wurde ein lichtdurchlässiges, unsichtbares Gas, und die vom Plasma zuvor abgestrahlte Wärmestrahlung konnte seitdem das durchsichtig gewordene Universum weitgehend ungehindert durchqueren. Die Umwandlung des Plasmas in ein durchsichtiges Gas fand etwa 380 000 Jahre nach dem Urknall statt und dauerte etwa 40 000 Jahre.
Wenn wir nun in den Weltraum hineinschauen, so sehen wir in weiter Entfernung die Objekte so, wie sie vor langer Zeit aussahen, denn das Licht benötigt eine entsprechende Zeit, um zu uns zu gelangen. Wenn wir nun den Blick auf eine sternenleere Stelle im Weltraum richten, so können wir immer weiter in der Zeit zurückblicken, denn das neutrale Wasserstoff-Helium-Gas ist weitgehend durchsichtig. Erst in einer Entfernung von etwa 45 Milliarden Lichtjahren kommt die Grenze, an der das Gas noch als lichtundurchlässiges, glühendes Plasma den Raum durchdrang (die 45 Milliarden Lichtjahre sind die Entfernung, die heute zwischen dem Plasma und uns liegt; das Licht brauchte dafür allerdings nur knapp 14 Milliarden Jahre, da die Entfernung früher kleiner war). Bis zu dieser Entfernung können wir sehen, und was wir in dieser Entfernung sehen, ist das glühende Wasserstoff-Helium-Plasma, kurz bevor es sich in lichtdurchlässiges Gas verwandelte, etwa 380 000 Jahre nach dem Urknall (also vor knapp 14 Milliarden Jahren). Allerdings sehen wir dieses Plasma nicht mehr bei einer Temperatur von 3000 Kelvin, sondern die Expansion des Universums und die damit verbundene Verlängerung der Lichtwellen (Rotverschiebung) führen dazu, dass das Plasma nur noch knapp 3 Kelvin warm (bzw. kalt) erscheint.
Weiter als bis zu dieser Plasma-Wand können wir mit elektromagnetischen Wellen nicht zurück in der Zeit schauen. Dazu wären andere physikalische Mechanismen notwendig, beispielsweise Neutrinos oder Gravitationswellen.
Nun zeigt das obige Bild keine einfarbige Fläche. Das bedeutet, dass der Himmel (bzw. das dort sichtbare Plasma) nicht überall exakt dieselbe Temperatur aufweist. Die Temperatur-Abweichungen sind allerdings winzig, und man hat lange nach ihnen gesucht: sie betragen nur etwa ein Hunderdstel Promille, also etwa ein Hunderttausendstel. Die Farbgebung in dem Bild, die die Temperatur darstellt, übertreibt also, um die Abweichungen deutlich zu machen. Rot bedeutet dabei etwas wärmer, blau dagegen etwas kälter. Räumlich sind die Abweichungen am Himmel so verteilt, dass die größten Unterschiede etwa ein Grad Abstand am Himmel haben (das sogenannte erste akustische Maximum). Das ist ungefähr doppelt so groß wie der scheinbare Monddurchmesser, der etwa ein halbes Grad beträgt (siehe http://de.wikipedia.org/wiki/Bogenminute ). Die Abweichungen wurden durch akustische Schwingungen des Plasmas (man kann auch von Schallwellen sprechen) verursacht, die das Plasma durchquerten und die zu lokalen Verdichtungen und damit Erhitzungen bzw. Verdünnungen und damit Abkühlungen des Plasmas führten. Diese Schwingungen hatten Wellenlängen von etwa einer Millionen Lichtjahren -- dies entspricht der damaligen Ausdehnung der großen heißen und kalten Flecken im Plasma. Aufgrund der Expansion des Universums sind diese Flecken am Himmel heute auf etwa eine Milliarden Lichtjahre Größe angewachsen.
Ursache für die Schwingungen des Plasmas sind vermutlich
winzige Quantenfluktuationen des sogenannten Inflatonfeldes
im sehr frühen Universum, die durch die
Da man die Physik von Schallwellen in einem heißen dünnen Plasma gut versteht,
erlaubt die Verteilung der Temperaturabweichungen am Himmel viele präzise Rückschlüsse
auf die Struktur des gesamten Universums -- so folgt aus ihnen, dass das Universum sehr wahrscheinlich
geometrisch flach wie der gewohnte euklidische Raum ist.
Weiter folgt, dass nur etwa 5% der Materie im Universum
aus uns bekannten Teilchen und den daraus gebildeten Atomen besteht
-- man spricht von baryonischer Materie.
Weitere 25% bestehen aus sogenannter kalter dunkler Materie, wobei unklar ist,
was diese dunkle Materie wirklich ist. Man kennt bisher nur ihre gravitative Wirkung.
Die restlichen 70% sind noch mysteriöser: man spricht von der sogenannten
Dunklen Energie, die möglicherweise eine Art Vakuumenergie mit großem negativen
Druck ist, und die wegen ihrer abstoßenden Gravitationswirkung vermutlich zu einer beschleunigten
Expansion des Universums führt (Stichwort kosmologische Konstante,
siehe am Ende von Die Symmetrie der Naturgesetze,
Kapitel 5.3 Die Einsteinschen Feldgleichungen ).
Weitere detaillierte Informationen zur kosmischen Hintergrundstrahlung findet man in diesem Buch in
Kapitel 2.6 Die Entstehung der kosmischen Hintergrundstrahlung .
Und zum Abschluss: Hier sind noch einige weitere Darstellungen der kosmischen Hintergrundstrahlung,
bei denen der Himmel auf eine Kugeloberfläche projeziert wurde.
Die Bilder stammen von der Webseite des NASA/WMAP Science Teams http://map.gsfc.nasa.gov/m_or.html :
Literatur zu dem Thema:
last modified
on 28 September 2005
