“Baryonische akustische Oszillationen” – klingt seltsam und kompliziert. Ist aber ein höchst faszinierendes Phänomen das in der Kindheit des Kosmos aufgetreten ist und seitdem seine Entwicklung beeinflusst hat. Das Universum sieht heute nur deswegen so aus, wie es aussieht, weil vor fast 14 Milliarden Jahren die Materie auf eine ganz bestimmte Art und Weise gewackelt hat.
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Transkription
Sternengeschichten Folge 158: Baryonische akustische Oszillationen
Unser Universum ist groß. Sehr groß. Der beobachtbare Kosmos erstreckt sich über jede Vorstellungskraft hinaus. Es ist schwer vorstellbar, dass die Himmelskörper in diesem riesigen Universum auch über große Distanzen miteinander in Verbindung stehen beziehungsweise Strukturen und Phänomene existieren, die den ganzen Kosmos beeinflusst haben. Aber das ist der Fall und die baryonisch akustischen Oszillationen sind ein wunderbares Beispiel dafür.
Um zu verstehen, worum es sich dabei handelt, müssen wir ganz zurück zum Anfang gehen. Fast ganz zurück zumindest, in die Zeit kurz nach dem Urknall und der Entstehung des Universums vor 13,8 Milliarden Jahren. Damals war das Universum noch ganz anders als es sich uns heute präsentiert. Es war enorm heiß, die Materie war enorm dicht und es gab vor allem keine strukturierten Himmelskörper. Es gab keine Sterne, Planeten oder Galaxien. Es gab noch nicht einmal vernünftige Atome!
Dafür war es viel zu heiß. Ein normales Atom besteht aus einem Kern, der aus Neutronen und Protonen zusammengesetzt ist und einer Hülle, die aus Elektronen besteht. Die hohen Temperaturen im frühen Universum sorgten aber dafür, dass sich die Teilchen viel zu schnell bewegten, um zueinander zu finden. Die Elektronen konnten sich nicht an die Atomkerne binden und alles sauste frei und wild durcheinander. Neben den Teilchen war der Kosmos auch noch mit Licht erfüllt; es gab also auch jede Menge Lichtteilchen, die Photonen.
Aber auch die konnten nirgendwo hin. Dafür war das Universum noch zu klein und die Materie zu dicht aneinander gedrängt. Die Photonen stießen ständig mit den Elektronen zusammen und konnten sich nicht ausbreiten. Das Universum war quasi undurchsichtig.
Es war aber nicht überall völlig gleich. Auch im frühen Universum gab es Regionen in denen sich ein bisschen mehr Materie angesammelt hatte als anderswo. Der Grund dafür waren die Vorgänge unmittelbar beim bzw. direkt nach dem Urknall. Als das Universum noch so winzig wie ein Elementarteilchen war, sorgten Quanteneffekte dafür, dass es nie ruhig blieb sondern alles ständig fluktuierte. Dann folgte die Phase der kosmischen Inflationen bei der sich der Kosmos schlagartig während einer unvorstellbar kurzen Zeit unvorstellbar stark ausdehnte. Wie das genau abgelaufen ist, habe ich in den Folgen 69 und 70 der Sternengeschichten erzählt. Aber auch jeden Fall wurden die winzigen Quantenfluktuationen des gerade geborenen Universums durch die Inflation auf kosmologische Ausmaße vergrößert und es gab nun eben Regionen in denen sich ein bisschen mehr Materie befand und Regionen, in denen man weniger Materie finden konnte als anderswo.
Die kosmische Hintergrundstrahlung zeigt, wie die Materie im frühen Universum verteilt war Bild: ESA and the Planck Collaboration)
Diese Unterschiede in der Dichte sind der Ausgangspunkt für die Entstehung der baryonisch akustischen Oszillationen. Stellen wir uns ein Gebiet vor, in dem die Materie ein klein wenig dichter aneinander gedrängt ist als anderswo. Diese Region übt auf ihre Umgebung auch eine etwas höhere gravitative Anziehungskraft aus und Materie strömt von außen in sie hinein. Gleichzeitig herrscht in diesem Licht-Teilchen-Gemisch aber auch nach außen gerichteter Druck der von den vielen Photonen stammt, die dort mit den Elektronen wechselwirken. Die Gravitationskraft drückt also quasi nach innen; die Kraft der Strahlung drückt nach außen. Und zwar um so stärker, je mehr Materie sich dort ansammelt und je größer dadurch die Temperatur wird.
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