Das junge Universum war noch enorm heiß und es gab keine Sterne, Planeten und Galaxien. Es gab nur “rohe” Materie; nur einzelne Atome die das All erfüllten. Und selbst die waren keine echten Atome. Es war noch so heiß und alles bewegte sich so schnell, dass die negativ geladenen Elektronen sich nicht an die positiv geladenen Atomkerne binden konnten. Neben der Materie war das All auch noch von Energie erfüllt, die in Form von Licht vorlag. Allerdings war das kein “normales” sichtbares Licht sondern hochenergetische Gammastrahlung. Das Licht konnte sich allerdings nicht ungehindert ausbreiten, weil überall noch die freien Elektronen herum geschwirrt sind und das Licht ständig an ihnen gestreut und abgelenkt wurde. Das junge Universum war eine heiße und undurchsichtige Suppe aus Energie und Materie. Erst knapp 400.000 Jahre nach dem Urknall war es soweit abgekühlt, dass sich die Elektronen an die Atomkerne binden konnten und der Weg frei für die Strahlung wurde. Das Universum wurde durchsichtig, das Licht breitete sich aus und ein Teil davon ist heute immer noch unterwegs.
Messung der Variation der kosmischen Hintergrundstrahlung des Weltraumteleskops Planck Bild: ESA and the Planck Collaboration)
Die Strahlung kommt aus allen Richtungen gleichzeitig, denn sie entstand ja damals auch an jedem Punkt des Universums und ist in alle Richtungen davon geflogen. Durch die Expansion und Abkühlung des Alls hat aber auch die hochenergetische Strahlung mittlerweile Energie verloren und wenn wir zum Himmel blicken, dann sehen wir keine Gammastrahlung mehr, sondern schwache Mikrowellen. Diese Hintergrundstrahlung, deren Existenz vom Urknallmodell vorhergesagt wurde, wurde in den 1960er Jahren das erste Mal entdeckt und seitdem mit verschiedensten Instrumenten immer genauer vermessen. Denn auch wenn sie aus allen Richtungen kommt und enorm homogen ist, gibt es doch winzige Unterschiede. Diese Unterschiede entstehen durch ganz winzige Unregelmäßigkeiten in der Verteilung der ursprünglichen Materie im Universum. Es muss diese Unterschiede geben, denn wenn alles immer schon komplett gleich verteilt gewesen wäre, dann hätte sich dieses Gleichgewicht auch nie verändert und heute wäre das All immer noch angefüllt von einem homogen Gas aus Atomen. Erst die kleinen Unregelmäßigkeiten haben dafür gesorgt, dass sich im Laufe der Zeit Verklumpungen in der Materie bilden aus denen dann schließlich Galaxien und Sterne entstanden.
Mit Hilfe der Inflation: Denn vor der inflationären Phase war das Universum so winzig, dass auch die Quanteneffekte eine Rolle spielten. Die Unregelmäßigkeiten in der Verteilung der Materie sind Quantenfluktuationen, die normalerweise nur in der (sub)atomaren Mikrowelt eine Rolle spielen, von der einsetzenden Inflation dann aber auf makroskopische Maßstäbe aufgeblasen wurden. Und als dann 400.000 Jahre nach dem Urknall sich das Licht das erste Mal ausbreiten konnte, waren es diese Unregelmäßigkeiten, die seine Ausbreitung leicht beeinflusst haben und genau das kann man heute noch in der Hintergrundstrahlung beobachten.
Hier zeigt sich auch wie gut die Urknalltheorie eigentlich ist. Denn sie macht ganz konkrete Aussagen darüber, wie diese Unregelmäßigkeiten in der Hintergrundstrahlung aussehen sollten und die Beobachtungen stimmen extrem exakt mit diesen Vorhersagen überein. Bis jetzt zumindest. Ob das auch so bleibt, wird die Untersuchung der B-Moden zeigen.
Polarisation und Gravitation
Bis jetzt haben wir einfach “nur” die Hintergrundstrahlung betrachtet. Satelliten wie COBE, WMAP und Planck haben die Intensität der Hintergrundstrahlung gemessen und nachgesehen, wie stark sie variiert wenn man verschiedene Regionen des Himmels betrachtet. Das ist aber noch nicht alles, was man messen kann. Strahlung kann auch polarisiert sein; d.h. sie kann auf verschiedene Arten schwingen. Lichtwellen können zum Beispiel senkrecht zur Ausbreitungsrichtung schwingen oder spiralförmig um die Ausbreitungsrichtung herum, so wie in diesem Bild dargestellt:
Die Polarisation des Lichts hängt unter anderem davon ab, ob und wie Licht an Materie reflektiert oder gestreut wird (deswegen verwenden Fotografen ja auch Polarisationsfilter um Lichtreflexionen an Oberflächen abzuschwächen). Und ist daher eine wichtige Informationsquelle, wenn wir wissen wollen, was im frühen Universum so los war. Ich habe vorhin schon von den Unregelmäßigkeiten in der Intensität der Hintergrundstrahlung gesprochen und erklärt, dass sie durch winzige Unterschiede in der Dichte der ursprünglichen Materie verursacht worden sind. Das ist auch richtig, allerdings noch nicht die ganze Wahrheit. Die Unregelmäßigkeiten in der Dichte stellen nur einen Teil der gesamten Unregelmäßigkeiten dar. Denn da ist außerdem noch der Einfluss von Gravitationswellen, der ebenfalls dafür sorgt, dass die Hintergrundstrahlung leichte Variationen aufweist.
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