Das Universum wird durchsichtig

Einige Hunderttausend Jahre nach seiner Entstehung besteht das Plasma also immer noch im Wesentlichen aus Wasserstoff- und Heliumkernen sowie Elektronen und Photonen. Doch etwa 380.000 Jahre nach dem Urknall passiert etwas Besonderes: Das heiße Gas, das nach wie vor den gesamten zur Verfügung stehenden Raum ausfüllt, ist so weit abgekühlt, dass die vorhandenen Atomkerne Elektronen einfangen und dadurch Atome bilden können, ohne sofort wieder auseinandergerissen zu werden. Das Plasma, das zu diesem Zeitpunkt noch eine Temperatur von rund 3.000 Kelvin (oder etwa 2.700 Grad Celsius) aufweist, verwandelt sich also in ein Gasgemisch aus Wasserstoff und Helium.

Ungefähr zu dieser Zeit wird das Universum daher allmählich transparent. Im ursprünglichen Plasma wurde das Licht an den freien Elektronen noch ständig gestreut, so dass Photonen nie eine längere Wegstrecke zurücklegen konnten und ständig Energie mit Elektronen austauschten. Wasserstoffgas und Helium sind jedoch durchsichtig. Sobald sich die freien Ladungen zu Atomen zusammenfinden, können sich daher die Photonen frei durch das Weltall bewegen (siehe Bild 2).

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Im Plasma wird Licht sofort an freien Ladungen gestreut (links). Im Zuge der Abkühlung verbinden sich Protonen und Elektronen zu Wasserstoffatomen (rechts). Wasserstoffgas aus neutralen Atomen hingegen ist durchsichtig und das Licht kann sich geradlinig fortbewegen. (Bild: Helmut Linde)

Als Wärmestrahlung eines Gases bewegen sie sich völlig ungeordnet - sie sind sehr homogen im Raum verteilt und bewegen sich völlig zufällig in alle möglichen Richtungen.

Aus diesen entfesselten Photonen wird rund 13,8 Milliarden Jahre später die Mikrowellenstrahlung, die wir heute messen können. Doch zwei weitere Effekte sind sehr wichtig, um ihre Natur zu verstehen - und beide hängen mit der Raumexpansion zusammen.

Die Strahlung kühlt ab

Zum einen werden die Photonen, die man sich auch als Lichtwellen vorstellen kann, auf ihrem langen Weg von der Raumdehnung gewissermaßen in die Länge gezogen. Ursprünglich hatten sie ihre Karriere ja als Wärmestrahlung eines 2.700 Grad heißen Gases begonnen und lagen damit im Bereich des sichtbaren Lichts. (Zum Vergleich: Die Sonnenoberfläche ist rund 5.500 Grad heiß.)

Doch während die Photonen unterwegs zur Erde sind, expandiert der Raum um sie herum und im selben Maß erhöht sich auch ihre Wellenlänge. Bis heute ist aus ihnen daher eine Mikrowellenstrahlung mit einem Intensitätsmaximum bei einer Wellenlänge von rund zwei Millimetern geworden. Sie entspricht damit nur noch der Wärmestrahlung, den ein knapp drei Kelvin (minus 270 Grad Celsius) kalter Körper abstrahlen würde.

Neben der Abkühlung ist es für das Verständnis der Hintergrundstrahlung wichtig, ihren Weg aus dem frühen Universum zu uns auf die Erde nachzuvollziehen. Und schon wieder kommt der Raumdehnung eine Schlüsselrolle zu.

Der weite Weg zur Erde

Wie oben beschrieben, füllten die Photonen der Wärmestrahlung das Universum fast völlig gleichmäßig aus, während es allmählich durchsichtig wurde. Doch nur Photonen, die ihre Reise an bestimmten Orten und in eine bestimmte Richtung antraten, können heutzutage auf der Erde eintreffen.

Konkret handelt es sich dabei um die Photonen aus einem Bereich (PDF), der die Form einer Kugeloberfläche mit einem Radius von 42 Millionen Lichtjahren um die heutige Position der Erde herum hatte. Die Lichtteilchen, die sich vor fast 13,8 Milliarden Jahren vom Rand dieser Hohlkugel in Richtung ihres Zentrums aufmachten, sind diejenigen, die wir heute auf der Erde empfangen können.

Doch wie kann das sein? Da Licht doch innerhalb von 13,8 Milliarden Jahren eine Distanz von 13,8 Milliarden Lichtjahren zurücklegt, müssten diese Photonen die gedachte Kugel nicht längst durchquert und verlassen haben?

Nein - denn während ihrer langen Reise hat sich der Raum um sie herum ständig ausgedehnt. Und besonders zu Anfang war diese Raumdehnung so stark, dass sich der Abstand der Photonen von unserer Position im Kosmos einige Milliarden Jahre lang sogar vergrößerte, obwohl sie sich die ganze Zeit in unsere Richtung bewegten.

In dem Artikel ''Vom Rand des Universums'' wurde dieser Effekt mit zwei Ameisen auf einem Gummiband veranschaulicht, welches immer weiter in die Länge gezogen wird. Obwohl sie die ganze Zeit aufeinander zukrabbeln, nimmt der Abstand zwischen den Insekten zunächst zu, bevor sie dann den zurücktreibenden Effekt des Gummibandes überwinden können und sich schließlich treffen. Analog dazu haben sich die Photonen der Hintergrundstrahlung Milliarden Jahre lang von uns entfernt, obwohl sie sich relativ zu ihrer eigenen Umgebung im Universum mit Lichtgeschwindigkeit in unsere Richtung bewegt haben (siehe Bild 3).

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Die Grafik zeigt den Weg zweier Lichtstrahlen (orangefarben) durch Raum und Zeit aus dem frühen Universum zu uns. Man beachte, dass sich beide Lichtstrahlen stets aufeinander zubewegen. Durch die Raumexpansion vergrößert sich jedoch der Abstand zwischen ihnen zunächst (untere Hälfte und vergrößerter Ausschnitt). (Bild: Helmut Linde)

Wechseln wir nun noch einmal die Perspektive, um zu verstehen, was wir von der Erde aus beim Blick ins All sehen.