Gab es den Urknall wirklich? (Teil 2, Hintergrundstrahlung)

In Teil 1 habe ich kurz die Urknalltheorie vorgestellt, was unbedingt dazu gehört und was nicht, und dass die kosmologische Rotverschiebung ihr erster Beleg war. Der zweite Beleg ist die Existenz der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung. Sie heißt so, weil sie bei Wellenlängen von einigen Millimetern oder Frequenzen von einigen 10 GHz gemessen wird, dem Mikrowellenbereich der Radiostrahlung.

Der Feuerball des Urknalls

Wenn das Weltall früher dichter war und vor der Entstehung der Sterne aus Gas bestand, muss dieses irgendwann einmal ein Plasma gewesen sein. In einem Plasma, neben fest, flüssig und gasförmig der vierte Aggregatzustand der Materie, stoßen die Atome so heftig zusammen, dass die Elektronen von den Kernen getrennt werden und sich frei bewegen können. Frei bewegliche Elektronen können aber jedes vorbeikommende Photon des Lichts jeder Wellenlänge absorbieren und mit kurzer Verzögerung wieder abstrahlen, und zwar in einer zufälligen Richtung. Deswegen bewegt sich in einem Plasma das Licht nicht mehr geradeaus, sondern wird in alle Richtungen gestreut. Mit dem Erfolg, dass das Plasma undurchsichtig wird.

Da thermisches Plasma¹ heiß ist, leuchtet es auch selbst, es sendet sogenannte Temperaturstrahlung oder Schwarzkörperstrahlung aus (Schwarzkörper deshalb, weil kein reflektiertes Umgebungslicht eine Rolle spielen soll; am nächsten an einen perfekt schwarzen Körper kommt man heran, wenn man einen Hohlraum, der innen matt schwarz beschichtet ist, mit einem Loch versieht, durch das sehr wenig Außenlicht eindringen kann; das Innere des Hohlraums leuchtet bei Erhitzung dann durch die Öffnung wie ein perfekt schwarzer Körper). Temperaturstrahlung erzeugt jedes Objekt. Die Temperaturstrahlung zeichnet sich durch eine charakteristische Hülkurve der Intensität über der Wellenlänge aus (Plancksche Strahlungskurve, siehe folgendes Bild), die sich mit zunehmender Temperatur zu kleineren Wellenlängen verschiebt und dabei gleichzeitig höher (= heller) wird.

Plancksche Strahlungskurven für verschiedene Temperaturen; die Farbe der Linie gibt in etwa die Lichtfarbe des Maximums der Ausstrahlung wieder (aber nicht die Farbe des Lichts insgesamt). Auf der x-Achse die Wellenlänge in Nanometern, auf der y-Achse die Strahlungsintensität bei der jeweiligen Wellenlänge in kJ pro Kubikmeter des strahlenden Körpers und Nanometer Wellenlänge. Für abnehmende Temperatur verschiebt sich das Maximum der Kurve zu höheren Wellenlängen und die Intensität nimmt ab. Bild: Wikimedia Commons, 4C, CC BY-SA 3.0.

Den Effekt kennt man vom Erhitzen von Eisen in einem Schmiedefeuer: es glüht zunächst schwach dunkelrot (große Wellenlänge) und mit zunehmender Temperatur wird das Licht kräftiger rot, orangefarben und dann leuchtend gelb. Um noch höhere Temperaturen zu erreichen, braucht es einen Hochofen in der Stahlproduktion, da wird  das Eisen weißglühend. Noch heißer wird der Lichtbogen beim elektrischen Schweißen, das ist dann schon ein Plasma, das blauweiß leuchtet. Aus der Farbe der Schwarzkörperstrahlung kann man die Temperatur ableiten. Nichts anderes tut man bei den Spektralklassen der Sterne, die eine Temperaturklassifizierung aufgrund ihrer Farben sind. Sternoberflächen sind übrigens auch thermische Plasmen.

Ein thermisches Wasserstoffplasma muss mindestens etwa 3000 K Temperatur haben, sonst werden die Elektronen wieder von den Kernen eingefangen und das Plasma wird ein neutrales, transparentes Gas, das nicht mehr leuchtet. Das wusste man in den 1940ern, und so schloss der Physiker George Gamov, dass das Plasma des frühen Universums bei 3000 K transparent geworden sein muss und sich sein Licht von diesem Punkt an geradlinig ausgebreitet haben sollte. Je nach der Expansionsrate des Universums und dem damit zusammenhängenden Weltalter (die Expansion zurückgerechnet ergibt ja den Zeitpunkt, wo alles in einem Punkt zusammentrifft) sollte die Strahlung stark rotverschoben heute noch nachweisbar sein. Aufgrund der damals noch sehr unsicheren Hubble-Konstante (die Entfernung selbst der nächsten Galaxien wurde noch stark unterschätzt) kam Gamov 1946 zunächst auf einen Wert von 50 K (Rotverschiebung z=60). Ralph Alpher und Robert Herman kamen 1948 auf 5 K (z=600), 1949 revidierten sie den Wert auf 28 K (z=107). Es kursierten noch weitere Schätzungen zwischen 20 und 40 K.

Die Physiker Arno Penzias und Robert Wilson entdeckten die Strahlung dann zufällig, als sie mit einer neuen 6m-Hornantenne zur Kommunikation über reflektierende Ballons im Orbit experimentierten, und ein Hintergrundrauschen, das Tag und Nacht aus allen Richtungen des Himmels kam, nicht verschwinden wollte. Zunächst vermuteten sie Taubendreck in der Antenne und verwendeten viel Mühe darauf, die Antenne zu reinigen, aber das Rauschen bei ca. 3 K ging einfach nicht weg. Zufällig lasen sie dann in einer noch nicht veröffentlichten Arbeit über die Hintergrundstrahlung und vorgeschlagene Messungen, um diese zu finden, und sie begriffen, dass ihnen eben dies gerade gelungen war. Sie setzten sich sofort mit den Autoren der Arbeit in Verbindung und verfassten ein neues Papier, das Penzias und Wilson 1978 den Nobelpreis einbrachte. Sie hatten den Feuerball des Urknalls entdeckt!

Der Urknall war überall

Ich hatte schon im vorigen Artikel angesprochen, dass die Hintergrundstrahlung belegt, dass sich das Universum insgesamt ausdehnt und es sich beim Urknall nicht um eine Explosion im bestehenden Raum handelt, denn diese Strahlung kommt aus jeder Richtung. Egal wohin wir blicken, überall geht der Blick zurück in die Zeit, bis er irgendwo auf eine Front aus Strahlung trifft, die um den Faktor 1100 rotverschoben ist und ursprünglich einmal ein rotglühend leuchtendes Plasma war. Bei einer Explosion im Raum dürfte man das Licht nur aus der Richtung kommen sehen, in der die Explosion stattfand (wenn man nicht gerade im exakten Zentrum sitzt, aber dann wäre die Strahlung ja heute schon längst über alle Berge). Das Plasma erfüllte aber den ganzen Raum, der Urknall war überall.

Der Blick in die Ferne geht dabei nicht geradlinig durch die expandierende Raumzeit, wie das folgende Bild zeigt. In der Mitte ist der senkrechte Zeitpfeil dargestellt und in der Waagerechten die mit der Zeit wachsende Entfernung im Raum (gemessen in Eigendistanz). Unten in gelb bis rot übertrieben hoch dargestellt die Plasmaphase, die endete, als das Universum 380.000 Jahre alt war (3,8·10⁵ J) und die weit über das beobachtbare Universum hinaus ging. Rechts am Rand der Skalenfaktor, das Verhältnis der heutigen Größe des beobachtbaren Universums zur Größe zu einem jeweiligen Weltalter.

Lichtwege von der Hintergrundstrahlung zu uns durch Zeit und Raum. Erläuterung siehe Artikeltext. Bild: Autor, gemeinfrei.

Die gelben durchgezogenen Pfeile zeigen den Weg des Lichts von der Hintergrundstrahlung zu uns heute. Das Licht bewegte sich zwar von Anfang an von der Quelle aus gesehen in unsere Richtung, entfernte sich aber zunächst wegen der Raumexpansion noch von uns. Da der Hubble-Parameter aber beständig fällt², kann das Licht irgendwann gegen die Expansion Fuß fassen und die Entfernung verkleinern. Schließlich kommt es dann heute bei uns an. Früher hat uns schon Licht aus einer kleineren Entfernung der Hintergrundstrahlung erreicht (klein gestrichelte gelbe Linie, links), und in Zukunft wird uns weiterhn Licht aus ferneren Gegenden erreichen (grob gestrichelte gelbe Linie, rechts). Obwohl wir also in allen Richtungen in die Ferne schauen, sehen wir doch auf Orte zurück, die uns zur Zeit der Aussendung viel näher waren, als manche Galaxie, die heute im Vordergrund erscheint. Und so erklärt sich, warum wir die Hintergrundstrahlung in jeder Himmelsrichtung sehen.

COBE nimmt Maß

Eine erste präzise Messung der gesamten Hintergrundstrahlung lieferte der Satellit COBE (die Abkürzung stand für Cosmic Background Explorer). COBE vermaß die Hintergrundstrahlung von 1989 bis 1993 erstmals mit großer Temperaturempfindlichkeit (einige Millionstel Kelvin) und mäßiger räumlicher Auflösung (7° aufgrund der beiden verwendeten Hornantennen  mit entsprechender Winkelöffnung). Es ergab sich folgendes Bild:

COBEs kosmischer Mikrowellenhintergrund bei 53 GHz, gemessen vom Radiometer DMR. Oben: die Strahlung hat in erster Näherung überall die Temperatur von 2,728 Kelvin. Mitte: Zieht man diese mittlere Temperatur überall ab, so verbleiben Differenzen von 3,35 Millikelvin. Die nun sichtbare Zweipoligkeit (Dipol) zeigt die Bewegung des Sonnensystems relativ zur Hintergrundstrahlung an, 371 km/s in Richtung der roten Region. Unten: Subtrahiert man den geglätteten Dipol, so verbleibt eine Feinstruktur von 18 Mikrokelvin. Das rote Band in der Mitte ist Strahlung des Milchstraßenbandes. Bild: GSFC/NASA, NASA-Standardlizenz.

Im obersten Bildchen sieht man, dass die Temperatur der Hintergrundstrahlung bei einer Auflösung von hundertstel Kelvin in jeder Richtung gleichförmig 2,73 K beträgt – da steht zwar 2,728, aber im mittleren Bild sieht man, dass in der Größenordnung von tausendstel Kelvin (Millikelvin, mK) eine Dipol-Struktur auftaucht, und zwar erscheint der Himmel oben rechts im orangefarbenen Fleck  3,353 mK wärmer als unten links im dunkelblauen, welche am Himmel genau gegenüber liegt. Was man hier sieht, ist die Bewegung des Sonnensystems³ relativ zur Hintergrundstrahlung, denn in derjenigen Richtung, in der sich die Sonne bewegt, erscheint die Wellenlänge aufgrund des Doppler-Effekts etwas verkürzt und damit wärmer, in Gegenrichtung etwas verlängert und damit kälter. Die Temperaturdifferenz liefert eine Geschwindigkeit von 371±1 km/s [1], mit der sich die Sonne auf einen Punkt im Sternbild Becher (lat. Crater) dicht an der Grenze zum Löwen zu bewegt. Die Bewegung der Sonne setzt sich wiederum zusammen aus ihrer Bewegung relativ zu den Nachbarsternen in der Milchstraße (dem sogenannten local standard of rest, LSR), der Rotation des LSR um die Milchstraße, der Bewegung der Milchstraße innerhalb der Lokalen Gruppe, und der Bewegung der Lokalen Gruppe in Richtung des Superhaufens Laniakea. Rechnet man die bekannten Bewegungen der Sonne und der Milchstraße heraus, so folgt eine Bewegung der Lokalen Gruppe mit 668 km/s [2] in Richtung eines Punkts, der ebenfalls im Becher liegt, 6° weiter südlich.

Glättet man den Dipol und subtrahiert ihn von der Hintergrundstrahlung, so bleiben Strukturen übrig, die bei COBE wegen der schlechten Winkelauflösung von 7° (14 Vollmonddurchmesser, in Länge und Breite) noch sehr grobschlächtig aussahen – sie liegen im Hunderttausendstel-Kelvin-Bereich. Der Unterschied zwischen den wärmsten und kühlsten Punkten im dritten Bild beträgt nur noch 18 µK (Mikrokelvin), also knapp 2 Hunderttausendstel eines Kelvin. Das Bild zeigt, dass die Milchstraße hier als “heißes” rotes Band hervortritt. Natürlich ist die Milchstraße mit ihren Sternen viel heißer, aber sie strahlt nicht sehr viel Energie im Bereich der kosmischen Hintergrundstrahlung aus, sondern bei viel kürzeren Wellenlängen. Im mittleren Bild kann man sie an einigen Punkten gerade erahnen. Auf die Bedeutung der Feinstruktur komme ich im folgenden Artikel zurück.

COBE vermaß außerdem das Spektrum der Hintergrundstrahlung, d.h. wieviel Leistung bei welchen Wellenlängen ausgestrahlt wird, und es ergab sich wie vorhergesagt die perfekte Plancksche Strahlungskurve eines Temperaturstrahlers von 2,73 K (die Einheiten im Bild unten beziehen sich auf die empfangene Leistung, während im Bild der Planck-Kurven zu Beginn des Artikels die ausgestrahlte Leistung dargestellt ist; [Edit, nach Hinweis von Kerberos] unten ist außerdem auf der x-Achse eine Frequenz dargestellt, oben eine Wellenlänge, so dass die Kurven zueinander seitenverkehrt sind [/Edit]).

Vergleich der Intensität der Hintergrundstrahlung gemessen von COBE (rote Markierungen) mit der theoretischen Planck-Strahlungskurve eines Schwarzen Körpers von 2,73 K. Die x-Achse gibt die Frequenz der Strahlung in 1/cm an (zur Umrechnung in GHz: Wert mal 30 nehmen, zur Umrechnung in Wellenlänge in cm: 1/Wert nehmen), die y-Achse die Flussdichte in Mega-Jansky pro Raumwinkeleinheit (sr, Steradiant); diese Einheit entspricht der Leistung in Watt, die pro Frequenzeinheit Hertz aus einem kreisförmigen Himmelsareal mit 65,5° Durchmesser (1 sr) auf einen Quadratmeter Empfängerfläche trifft, dividiert durch 10²⁶. Die Hintergrundstrahlung ist erkennbar eindeutig eine reine Temperaturstrahlung. Bild: Wikimedia Commons, Quantum Doughnut, gemeinfrei.

Wo sind hier eigentlich die Spektrallinien, die das Sternenlicht zeigt? Im Sternenlicht entstehen sie nicht im Plasma, wo die Elektronen ungebunden jede Energie absorbieren, sondern in der transparenten Schicht darüber, der Chromosphäre, in deren neutralen Atomen die Elektronen nur diskrete Energien in ihren Schalen oder Orbitalen annehmen können, und jede Linie entspricht genau der Energiedifferenz zweier Orbitale. Im Vordergrund der Hintergrundstrahlung sollte doch auch neutrales Gas zu finden sein. Das ist auch so, aber die Rekombination zu neutralem Gas erfolgte nicht schlagartig, sondern über einen großen Bereich von Rotverschiebungen (bis ca. z=15), so dass die verschieden rotverschobenen Linien aus unterschiedlichen Entfernungen bis zur Unkenntlichkeit in der Breite verschmiert sind (der Hubble-Parameter gerade fiel zu Beginn besonders schnell, siehe auch Fußnote 2). Außerdem war die Zahl der Atome sehr klein gegen die Zahl der Photonen, auf jedes Atom kamen etwa 1 Milliarde Photonen der Hintergrundstrahlung, so dass die wenigen absorbierten Photonen nur zu sehr flachen, unscheinbaren Linien führten. Daher sind heute keine Spektrallinien in der Hintergrundstrahlung mehr auffindbar.

Der Durchbruch für die ‘Big Bang Theory’

Damit war bewiesen, dass die kosmische Hintergrundstrahlung eine thermische Strahlung war: man blickte hier auf heißes Plasma, wie von Gamov vorhergesagt. Aus dem Verhältnis der Temperatur des ursprünglichen Plasmas (3000 K) zur heute gemessenen Temperatur der Hintergrundstrahlung (2,73 K) folgt die Rotverschiebung z=3000/2,73≈1100 und dass das Universum damals 1100-mal kleiner und 1100³=1,3-Milliardenmal dichter war als heute.

Von diesem Zeitpunkt an war die Urknalltheorie praktisch bewiesen und akzeptiert. Lediglich Fred Hoyle, der an ein ewiges, unveränderliches Universum glaubte (Steady State Theorie) und die Theorie eines expandierenden Universums mit dem Schmähwort “Big Bang Theory” lächerlich zu machen versuchte – ausgerechnet Hoyle etablierte damit den heute noch verwendeten Namen der Urknalltheorie – ersann seine eigene Hypothese, der gemäß das Licht ferner Sterne an Staub in der Milchstraße gestreut werde. Dann hätte die Strahlung aber nicht so perfekt gleichförmig in allen Richtungen sein sollen und Anzeichen von Polarisation zeigen sollen, und die Überlagerung von Lichtquellen in verschiedenen Entfernungen mit allen möglichen Rotverschiebungen hätte niemals eine so perfekte Planckkurve für genau eine Temperatur ergeben dürfen. Auch heute gibt es noch ein paar Anhänger einer modifizierten Steady-State-Theorie um Jayant Narlikar, der gemäß das Weltall pulsiert (womit die Rotverschiebung als derzeitige Expansion anerkannt wird), Materie in immer neuen Mini-Bangs erzeugt werden soll und der Mikrowellenhintergrund Streulicht von Sternenlicht an in Supernovaexplosionen entstandenen nadelförmigen Spänen (engl. whiskers) aus Eisen und Kohlenstoff sein soll. Die Forscher, die dieser Theorie anhängen, kann man allerdings an zwei Händen abzählen (Burbridge, Narlikar und seine Mitarbeiter).

Wesentlich bessere Bilder der Hintergrundstrahlung als COBE lieferten in diesem Jahrtausend die Satelliten WMAP und PLANCK. Im nächsten Artikel der Serie möchte ich vorstellen, wie auch die Feinstruktur belegt, dass das heutige Weltall aus dem Feuerball der Hintergrundstrahlung gewachsen ist.

Eine Übersicht und Zusammenfassung aller Artikel dieser Reihe gibt es hier.

Referenzen

[1] D. J. Fixsen, E. S. Cheng et al., “The Cosmic Microwave Background Spectrum from the Full COBE FIRAS Data Set“, The Astrophysical Journal, Volume 473, Number 2, 1996; arXiv:astro-ph/9605054.

[2] S. Rauzy, V.G. Gurzadyan, “On the motion of the Local Group and its substructures“, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 298(1), März 1998; arXiv:astro-ph/9803306.