Kosmische Hintergrundstrahlung

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(Schülerpraktikumsprojekt von Björn-Eric Reitz aus dem Jahr 2007)

Was ist Kosmische Hintergrundstrahlung?

Die Kosmische Hintergrundstrahlung ist eine Mikrowellenstrahlung, die aus der Frühzeit des Universums, dem Urknalls stammt. Über die Zustände während des Urknalls kann man nur Vermutungen anstellen. Es ist aber klar, dass sich ca. 380.000 Jahre nach dem Urknall die ersten Atome gebildet haben müssen und so die Photonen entweichen konnten, da ihre Streupartner nicht mehr vorhanden waren. Vor diesem Zeitpunkt standen Strahlung und Materie in einem Temperaturgleichgewicht. Durch seine Expansion kühlt das Universum sich langsam ab, sodass die Temperatur der Hintergrundstrahlung von 3000 Kelvin bei der Entkoppelung auf heutige 2,725 ± 0,002 Kelvin gesunken ist. Bei der Kosmischen Hintergrundstrahlung handelt es sich um Schwarzkörperstrahlung, Strahlung von einem idealisierten Schwarzen Körper, also einem Objekt, das Strahlung absorbiert, in sich hält und nicht wieder hinauslässt. Die Kosmische Hintergrundstrahlung ist weitgehend isotropisch, d.h. richtungsunabhängig.

Eine allgemeinverständliche Beschreibung der Entdeckung der Kosmischen Hintergrundstrahlung und der Frühzeit des Universums hat Steven Weinberg 1977 mit seinem Buch "Die ersten drei Minuten" geliefert.

Geschichte

Die Entdeckung der Kosmischen Hintergrundstrahlung hat eine sowohl ausgefallene als auch interessante Geschichte. Die ersten theoretischen Überlegungen fanden bereits in den Jahren 1922 (Friedmann), 1927 (Lemaître) statt. Es wurden auch schon erste Berechnungen angestellt. Die Wissenschaftler Guillaume, Eddington, Regner und Gamow errechneten mit Hilfe des Stefan-Boltzmannschen Strahlungsgesetzes Werte, die schon sehr nahe an der tatsächlichen Zahl lagen.

1960 gab es zwei umstrittene Theorien über das Universum. Einerseit das Modell des Urknalls, andererseits, dass das Universum sich in einem unveränderlichen Zustand befindet (Steady-State-Theorie). Man war der Meinung, dass, wenn es einen Urknall gegeben hat, noch eine Reststrahlung aus dieser Zeit vorhanden sein muss. Diese Strahlung muss thermisch, zum Beispiel in Form eines Schwarzen Körpers, und isotropisch, also Richtungsunabhängig sein.

Die eigentliche Entdeckung war ein reiner Zufall. Penzias und Wilson waren gerade damit beschäftigt die Quelle für eine seltsame Störung in ihrem Radioempfänger (siehe Abb.) zu suchen, als sie auf die Idee kamen, dass die Kosmische Hintergrundstrahlung dafür verantwortlich sein könnte. (Sie erhielten dafür den Nobelpreis für Physik im Jahr 1978.)

Es war der erste experimentelle Nachweis der Strahlung. Der Grund dafür, bereits 16 Jahre vorher vermutet, war laut Alpher, Gamow und Herman, dass sich im Universum ein alles durchdringendes Strahlungsfeld befindet. Frühere indirekte Messungen durch angeregte Zustände interstellarer Moleküle, wurden zunächst nicht als ein solcher Nachweis erkannt.

Seit dem Tag der ersten Entdeckung wollten die Forscher, die die Urknall-Theorie erhärtet sahen, die Schwarzkörper-Form mit Hilfe von direkten Messungen nachweisen.

Die ersten Messungen wurden vom Boden aus mit Hilfe von Wetterballons, kleinen Raketen oder einfachen Bodeninstrumenten durchgeführt. Die Strahlung hat ihr Maximum bei Millimeter-Wellenlängen, die allerdings von unserer Atmosphäre schon teilweise absorbiert werden. Somit waren die Ergebnisse der verschiedenen Messungen unterschiedlich. Die einen unterstützten die Schwarzkörper-Theorie, die anderen wiederum nicht. Es musste also eine bessere Methode gefunden werden...

Die COBE Mission

Es lag auf der Hand, dass man in den Weltraum muss, damit man den kurzwelligen Anteil der Kosmischen Hintergrundstrahlung erfassen kann. Außerdem kann ein Satellit einen sehr großen Bereich des Himmels abdecken und befindet sich in einer thermisch relativ stabilen Umgebung.
Der COBE Satellit startete erfolgreich am 18. November 1989 seinen Flug in die Erdumlaufbahn.

Wichtig für die Messungen mit COBE waren die drei Instrumente, die er an Bord hatte:

• DIRBE (Diffuse Infrared Background Experiment): War dazu gedacht die schwache, infrarote Hintergrund Strahlung zu messen.
• DMR (Differential Microwave Radiometer): Mit seiner Hilfe sollten Anisotropien in den Wellenlängenbereichen von 3 mm, 6 mm und 10 mm gefunden werden.
• FIRAS (Far Infrared Background Experiment): Sollte den Verlauf des Spektrums der Kosmischen Hintergrundstrahlung messen und mit der Schwarzkörper-Form vergleichen. Es arbeitete in den Wellenlängen von 0,1-10 mm.

Die Werte von FIRAS folgen sehr genau einem Schwarzkörperspektrum, was sich in diesem Bild deutlich zeigt (Die Fehlerbalken der Messpunkte sind kleiner als die Dicke der theoretischen Linie.):

Die Mission von COBE war erfolgreich und die Daten, die er sendete, machten die Kosmologie nun zu einer präziseren Wissenschaft. Desweiteren verhalfen die Ergebnisse von COBE dazu, die Zweifel an der Urknall-Theorie zu zerstreuen. Mit DMR wurden Temperaturschwankungen zwischen verschiedenen Stellen am Himmel von 10^-5 gefunden und mit FIRAS wurde der spektrale Verlauf der Kosmischen Hintergrundstrahlung gemessen. Sie entspricht extrem genau dem Spektrum eines Schwarzen Körpers mit einer Temperatur von 2,725 K. Die Ergebnisse der DMR Einheit wurden verglichen und passten gut zu den damals vorhergesagten Werten. Durch weitere Messungen vom Boden aus und mit Hilfe des Satelliten WMAP (Bild), der 2001 gestartet wurde, konnten die Ergebnisse bestätigt werden.

Die Ergebnisse des DMR im 53 GHz (6 mm Wellenlänge) Bereich:

a) Im oberen Bild sieht man die gleichmäßige Verteilung der Kosmischen Hintergrundstrahlung über den ganzen Himmel. Sie hat überall einen konstanten Wert von T=2.725 K; die Karte erscheint daher komplett rot.

b) In der Mitte ist im gleichen Himmelsbereich die konstante Strahlung von a) abgezogen worden. Es bleibt ein Resteffekt von der Bewegung der Erde im Universum ("Kosmischer Dipol"), von der Größenordnung von ca. 3 Millikelvin (mK).

c) Hier wurde auch noch der kosmische Dipol (b) abgezogen. Auf einer Skala von nur noch 20 Mikrokelvin sieht man Resteffekte der Milchstraße (Äquator) und Fluktuationen der kosmischen Hintergrundstrahlung.

Das gleiche Bild ohne die störenden Strahlen der Milchstraße (andere Farbskala):

Der im Jahr 2001 gestartete Satellit WMAP hat diese Messungen nochmals genauer machen können. Die Schwankungen sind in diesem Bild wesentlich besser zu erkennen:

Wenn man die Ergebnisse von COBE und WMAP mit anderen kosmologischen Experimenten zusammenbringt, kann man genauere Aussagen darüber treffen, wieviel Dunkle Materie sich in unserem Universum befindet. Die Mission von COBE war für die Weiterentwicklung der Kosmologie deswegen von grosser Bedeutung.

Desweiteren wird auch im Jahre 2008 ein weiterer Satellit, Planck, in die Erdumlaufbahn gebracht, welcher die Temperaturschwankungen nocheinmal deutlich genauer vermessen wird.

Quellen und Anregungen:

Steven Weinberg. Nobelpreisträger und Autor von Die ersten drei Minuten.
Wikipedia
Nobelpreis Physik 1978 für die Entdeckung der Kosmischen Hintergrundstrahlung.
Nobelpreis Physik 2006 für Kosmische Hintergrundstrahlung mit Advanced information on the Nobel Prize in Physics 2006

(Erstellt von Björn-Eric Reitz, Rheingymnasium Sinzig, unter Betreuung von Dr. Norbert Junkes)

ur 4/2013