Kosmologie: Im Weltraum hört dich niemand knallen
Die sogenannte kosmische Hintergrundstrahlung ist für die Wissenschaft eine der wichtigsten Informationsquellen über die Entstehung und Entwicklung des Kosmos. Die wahre Natur dieser Strahlung zu verstehen, erfordert allerdings ein wenig mentale Gymnastik – ihr Weg aus dem frühen Universum zur Erde widerspricht nämlich völlig unserer Intuition aus dem Alltag.
Dies dürfte auch dazu geführt haben, dass sich der plakative Markenname "Echo des Urknalls" für die kosmische Hintergrundstrahlung eingebürgert hat – einige Beispiele findet man hier(öffnet im neuen Fenster) , hier(öffnet im neuen Fenster) , hier(öffnet im neuen Fenster) , hier(öffnet im neuen Fenster) , hier(öffnet im neuen Fenster) oder hier(öffnet im neuen Fenster) .
Ähnlich dem berühmten Gummituch , das die Wirkung der Gravitation in der allgemeinen Relativitätstheorie veranschaulichen soll, suggeriert dieser Begriff jedoch Einfachheit und Verständlichkeit auf eine Weise, die letztlich vor allem Verwirrung stiftet (Bild 1).
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Kein Echo des Urknalls
Das angebliche Echo des Urknalls ist nämlich weder ein Echo noch ist es direkt beim Urknall entstanden. Es handelt sich vielmehr um die Überbleibsel einer Wärmestrahlung heißen Gases, die sich erst rund 380.000 Jahre nach dem Urknall von diesem Gas entkoppelt hat. Und sie hat sich seitdem ohne jede Reflexion in gerader Linie durch den Raum auf uns zubewegt, was für ein Echo eher untypisch ist.
Aber Moment mal! Wenn diese Strahlung in jener frühen Phase des Kosmos vergleichsweise kurz nach dem Urknall entstanden ist, warum hat sie das damals noch relativ kleine Universum nicht längst verlassen? Und geht das überhaupt? Müsste sie nicht doch als eine Art Echo am Rande des Weltalls reflektiert worden sein?
Diese Fragen bringen gleich mehrere verbreitete Missverständnisse über Urknall und Kosmos zum Ausdruck: Mit Sicherheit klein war nämlich nur der beobachtbare (!) Teil des Weltalls. Außerdem kann natürlich weder Strahlung noch sonst etwas das Universum verlassen und einen Rand gibt es in den physikalischen Modellen des Kosmos auch nicht. Klären wir also, was es mit der kosmischen Hintergrundstrahlung wirklich auf sich hat.
Ein rätselhaftes Signal aus den Tiefen des Raums
Im Jahr 1964 versuchten die beiden Astronomen Arno Penzias und Robert Woodrow Wilson, die Mikrowellenaktivität unserer Heimatgalaxie, der Milchstraße, zu vermessen. Mikrowellen sind eine Form elektromagnetischer Strahlung mit einer Wellenlänge im Bereich von Millimetern oder Zentimetern. Sie liegen damit im elektromagnetischen Spektrum(öffnet im neuen Fenster) zwischen dem Infrarotlicht, das auch als Wärmestrahlung bezeichnet wird, und den Radiowellen, die im Rundfunk Verwendung finden.
Aus dem Alltag sind Mikrowellen vor allem durch das gleichnamige Haushaltsgerät bekannt, in dem sie zur Erwärmung von Speisen dienen. Sie werden aber auch von astronomischen Objekten abgestrahlt und können mit Hilfe von Radioteleskopen beobachtet werden.
Für ihre Untersuchungen bedienten sich Penzias und Wilson einer Radioantenne (öffnet im neuen Fenster) in Holmdell, New Jersey, die ursprünglich für die Kommunikation mit künstlichen Satelliten konstruiert worden war. Beim Versuch, die Antenne zu eichen, bemerkten sie ein unerwartet hohes Maß an elektrischem Rauschen auf der beobachteten Wellenlänge von 7,3 cm.
Da das Signal unabhängig davon war, auf welchen Punkt am Himmel sie die Antenne ausrichteten, gingen sie zunächst von einem technischen Problem aus. Sie führten eine aufwendige Überprüfung des Apparates durch und mussten dabei unter anderem ein in der Antenne brütendes Taubenpaar mitsamt seinen Hinterlassenschaften entfernen, was der wohl meistzitierten Anekdote der Radioastronomie ihren Ursprung gegeben hat.
Doch trotz akribischer Untersuchungen konnten Penzias und Wilson keine technische Störung ausmachen und das mysteriöse Rauschen blieb unverändert. So wandten sie sich schließlich mit der Bitte um Rat an Forscherkollegen und veröffentlichten im Jahr 1965 ihre Beobachtung (PDF)(öffnet im neuen Fenster) in einer Fachzeitschrift, dem Astrophysical Journal.
Kosmische Wärmestrahlung
In derselben Ausgabe des Astrophysical Journal legten vier andere Physiker, Robert Dicke, Jim Peebles, Peter Roll und David Wilkinson, bereits eine theoretische Erklärung für das neu entdeckte Mikrowellensignal vor (PDF)(öffnet im neuen Fenster) : Sie interpretierten es als den Rest einer Wärmestrahlung aus dem jungen Universum, die relativ kurz nach dem Urknall entstanden sei.
Wie sich im Laufe der Zeit erhärtete, lagen sie mit ihrer Theorie völlig richtig. Als Entdecker des Phänomens erhielten Penzias und Wilson für ihre Arbeit im Jahr 1978 den Physik-Nobelpreis.
Um zu verstehen, warum wir diese Strahlung heute aus allen Richtungen des Raumes empfangen können, müssen wir uns gedanklich zurück in die früheste Entwicklungsphase der Kosmos begeben. Unzählige Beobachtungen und experimentelle Messungen verbunden mit hervorragend bestätigten physikalischen Theorien haben dazu geführt, dass die Wissenschaft eine recht konkrete Vorstellung von den Vorgängen im jungen Universum (öffnet im neuen Fenster) hat.
Den Startpunkt all dessen, was wir heute beobachten können, bildet der sogenannte Urknall, der vor etwa 13,8 Milliarden Jahren stattgefunden hat. Er ist dadurch gekennzeichnet, dass ein unfassbar heißes und extrem verdichtetes Gemenge aus Elementarteilchen den gesamten Raum des Universums ausfüllt und sich dieser Raum blitzschnell ausweitet.
Das Universum entsteht
Die Bedingungen bei der Geburt des Kosmos sind so extrem, dass die Materie darin nicht in der Form bestehen kann, die wir aus dem alltäglichen Leben kennen. In seinen ersten Sekundenbruchteilen ist das Universum mit unterschiedlichen und teilweise recht exotischen Elementarteilchen gefüllt, die auf komplexe Art miteinander wechselwirken.
Die Temperatur dieses Gemisches ist dabei entscheidend dafür, welche Arten von Teilchen entstehen, welche zerfallen und welche sich zu komplexeren Einheiten verbinden können. Die rasante Ausdehnung des Raumes bewirkt eine ebenso rasche Abkühlung, so dass schon nach wenigen Minuten das Ensemble an Teilchen feststeht, aus denen sich später einmal Sterne und Galaxien bilden werden.
In dieser Ursuppe sind bereits die Atomkerne der leichtesten Elemente enthalten – vor allem Wasserstoff und Helium. Außerdem sind eine entsprechende Zahl an Elektronen vorhanden sowie die Teilchen der elektromagnetischen Strahlung, die Photonen. Des Weiteren ist der Raum erfüllt von einer riesigen Anzahl sogenannter Neutrinos, die allerdings nur so schwach mit anderen Elementarteilchen wechselwirken, dass sie für die Zwecke dieses Artikels keine Rolle spielen. Auch die mysteriöse Dunkle Materie(öffnet im neuen Fenster) , die ihre Existenz bisher nur durch ihre Gravitationswirkung verraten hat und deren Natur völlig unbekannt ist, muss vorhanden gewesen sein.
Die Atomkerne und die freien Elektronen können sich anfangs aufgrund der hohen Temperaturen noch nicht zu normalen Atomen zusammentun. Ähnlich wie ein Wassertropfen bei Hitze verdampft, weil seine Moleküle voneinander weggerissen werden, hätte die Hitze kurz nach dem Urknall ein Atom sofort in seine Einzelteile zerlegt. Man nennt ein solches Gas, in dem elektrisch geladene Teilchen frei beweglich sind, ein Plasma.
Die ersten Minuten nach dem Urknall sind noch recht hektisch verlaufen, da sich die Temperatur schnell über viele Größenordnungen geändert hat und entsprechend ganz unterschiedliche Wechselwirkungen zwischen den Elementarteilchen ablaufen konnten. Doch mit dem Plasma aus Atomkernen und Elektronen findet das Universum einen recht stabilen Zustand, der einige Hunderttausend Jahre ohne wesentliche Änderungen erhalten bleibt, während sich das Weltall langsam abkühlt.
Aus Erfahrungen im Alltag lässt sich leicht der Eindruck gewinnen, dass heiße Gegenstände immer von selbst allmählich abkühlen. Das liegt allerdings daran, dass heiße Objekte auf der Erde meist in eine große, kühlere Umgebung eingebettet sind, an die sie ihre Wärme übertragen können. Das heiße Plasma, das nach dem Urknall das gesamte Universum ausfüllt, hat allerdings naturgemäß keine Umgebung und kann daher auch keine Wärme abgeben. Warum also kühlt es trotzdem ab? Die Antwort darauf findet man in der seltsamen Fähigkeit des Raumes, sich zu verformen.
Der Raum expandiert
Mit dem Urknall beginnt auch der Raum selbst, sich zu verändern: Er dehnt sich aus. Diese Raumexpansion wird in der allgemeinen Relativitätstheorie erklärt und sie lässt sich mathematisch exakt beschreiben. Für die menschliche Intuition ist dieser Effekt jedoch eine große Herausforderung, da er mit nichts aus unserem Alltagsleben direkt vergleichbar ist.
Um ein Gefühl dafür zu bekommen, was eine gleichmäßige Expansion des Raumes bewirkt(öffnet im neuen Fenster) , stellen wir uns folgende Situation vor: Im Weltraum schweben zwei Eisenkugeln im Abstand von einem Meter voneinander. Nehmen wir nun an, der Raum würde sich langsam, aber sicher um den Faktor zwei dehnen. Die Kugeln werden nicht bewegt oder beschleunigt – und trotzdem beträgt ihr gegenseitiger Abstand am Ende zwei Meter, weil zwischen ihnen und überall um sie herum neuer Raum hinzugekommen ist.
Die Größe der einzelnen Kugeln ändert sich jedoch nicht: Die Anzahl der Eisenatome in jeder Kugel bleibt nämlich konstant. Und eine plötzlich einsetzende Raumdehnung schafft zwar zunächst ein wenig mehr Platz zwischen ihnen, aber da die Atome im Kristallgitter einen bestimmten optimalen Abstand haben, rücken sie automatisch sofort wieder enger zusammen.
In der Zeit kurz nach dem Urknall führt die Raumdehnung dazu, dass sich das heiße Plasma ausdehnen kann. Wohlgemerkt muss sich das Plasma dafür nicht irgendwohin bewegen, so wie sich bei einer normalen Explosion Material vom Zentrum nach außen bewegt. Vielmehr kann sich jeder kleine Ausschnitt des Plasmas genau dort ausdehnen, wo er gerade ist, da ihm der expandierende Raum immer mehr Volumen dafür bereitstellt.
Wenn man von Hand einen Fahrradreifen aufpumpt(öffnet im neuen Fenster) , dann kann man dabei normalerweise eine deutliche Erwärmung der Pumpe feststellen. Das liegt daran, dass sich Luft genau wie alle anderen Gase erhitzt, wenn sie zusammengedrückt wird.
Umgekehrt kühlen sich alle Gase ab, wenn sie sich ausdehnen, und insbesondere gilt dies für das Plasma des jungen Universums: Da ihm der expandierende Raum kontinuierlich mehr Platz zur Ausdehnung bietet, nimmt seine Temperatur immer weiter ab.
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).
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)(öffnet im neuen Fenster) , 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(öffnet im neuen Fenster) 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).
Wechseln wir nun noch einmal die Perspektive, um zu verstehen, was wir von der Erde aus beim Blick ins All sehen.
Wir starren auf eine Wand aus Plasma
Je weiter wir in den Kosmos hinausschauen, desto tiefer blicken wir auch in die Vergangenheit. Denn das Licht, das wir beobachten, braucht für seinen Weg zu uns ja umso mehr Zeit, je weiter seine Reise durch den Weltraum war.
Wenn wir an allen leuchtenden Sternen und Galaxien vorbeischauen, dann sehen wir die älteste elektromagnetische Strahlung – eben die kosmische Hintergrundstrahlung. Von der heutigen Erde aus betrachtet sieht das Universum also so aus, als wären alle seine Galaxien in einer riesigen Kugel enthalten, deren Rand aus einer undurchdringlichen Wand aus heißem Plasma besteht (siehe Bild 4).
Die Hintergrundstrahlung bleibt spannend
Obwohl die kosmische Hintergrundstrahlung schon vor mehr als einem halben Jahrhundert entdeckt wurde, ist sie weiterhin von höchstem wissenschaftlichen Interesse. Seit Anfang der 1990er Jahre wurden mehrere Weltraumteleskope ins All geschossen(öffnet im neuen Fenster) , um kleinste Unregelmäßigkeiten in ihrer räumlichen Verteilung zu messen. Die aktuellste und bisher genaueste Himmelskarte der kosmischen Hintergrundstrahlung stammt dabei vom Planck-Weltraumteleskop(öffnet im neuen Fenster) , dessen Mission im Jahr 2013 endete.
Diese Kartierung der Hintergrundstrahlung ist deshalb so wichtig, weil sich an der statistischen Verteilung ihrer Intensität unterschiedliche Modelle über das frühe Universum überprüfen lassen. Die kosmische Hintergrundstrahlung wird also weiterhin eine wichtige Rolle spielen, um offene Fragen der Kosmologie zu klären – zum Beispiel die nach der Natur der geheimnisvollen Dunklen Materie.
Nachglühen statt Echo
Zusammenfassend können wir nun also noch etwas konkreter benennen, warum die Hintergrundstrahlung kein Echo des Urknalls ist: Die komplexen physikalischen Vorgänge, welche die Grundbausteine der Materie im Universum hervorbrachten, liefen schon in den ersten Minuten nach dem Urknall ab.
Die Hintergrundstrahlung entstand aber erst einige Hunderttausend Jahre später als Wärmestrahlung eines Gases. Außerdem wurde diese Strahlung nie irgendwo reflektiert, wie es für ein Echo typisch wäre, sondern sie bewegte sich stets in gerader Linie auf uns zu. Allerdings wurde diese Linie dank der Raumdehnung im Laufe der Zeit immer länger.
Mittlerweile findet der Begriff "Nachglühen des Urknalls" für die Hintergrundstrahlung zunehmend Verwendung, auch wenn das "Echo" zumindest bei der Zahl der Treffer einer Google-Suche noch vorne liegt. Tatsächlich bildet das Wort "Nachglühen" die Realität deutlich besser ab: Es wird der Natur einer Wärmestrahlung gerecht, trägt des zeitlichen Verzugs zum Urknall Rechnung und vermeidet andere missverständliche Assoziationen.
Helmut Linde(öffnet im neuen Fenster) leitete verschiedene Data-Science-Teams in deutschen Konzernen und ist nun bei der Covestro AG für die Digitalisierung von Forschung und Entwicklung verantwortlich. Als Mathematiker und Physiker ist er fasziniert von naturwissenschaftlichen Themen sowie der Anwendung und der Zukunft der künstlichen Intelligenz.
Update:
Der Artikel wurde auf seine Aktualität überprüft.
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