Wetterleuchten des Urknalls

3. Oktober 2006, 19:38
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Mehr zu den Forschungen der beiden Physik-Nobelpreisträger Mather und Smoot: Einblicke in das früheste Universum

Wien - Mit ihren Arbeiten zur kosmischen Hintergrundstrahlung, für welche die US-Amerikaner John C. Mather (NASA Goddard Space Flight Center) und George F. Smoot (University of California in Berkeley) mit dem diesjährigen Nobelpreis für Physik ausgezeichnet werden, haben die beiden Physiker auch eine Erklärung geliefert, warum es Sterne und Galaxien im Universum gibt. Die beiden waren maßgeblich an der Auswertung der Daten des NASA-Satelliten COBE beteiligt, der ab 1989 eine erste exakte Vermessung der Hintergrundstrahlung durchführte.

"Wetterleuchten des Urknalls"

Entdeckt wurde diese Strahlung 1964 von Arno Allen Penzias und Robert Wilson (Nobelpreis 1978). "Die kosmische Hintergrundstrahlung ist gleichsam das Wetterleuchten des Urknalls", so dazu Peter Christian Aichelburg, Vorstand des Instituts für Theoretische Physik der Universität Wien. Direkter Auslöser war die Trennung von Strahlung und Materie im jungen Universum, etwa 300.000 bis 400.000 Jahre nach dem Urknall.

Abgekühlt zum absoluten Nullpunkt

Zuvor war das Universum eine dichte, undurchdringliche Suppe aus Strahlung und Materie, Atomkernen und Elektronen. Erst durch die zunehmende Abkühlung fanden bei einer Temperatur von rund 3.000 Grad Celsius Kerne und Elektronen zu einander. Dieser Vorgang führt zur Abgabe von Lichtteilchen (Photonen). In Summe gab es einen gewaltigen Lichtblitz, dessen Widerschein bis heute als Hintergrundstrahlung messbar ist. Durch die Expansion des Universums hat sich die Strahlung allerdings auf 2,7 Grad über dem absoluten Nullpunkt abgekühlt.

Konstante Werte versus Universum

Erste Versuche, die von Penzias und Wilson neue entdeckte Hintergrundstrahlung in verschiedene Richtungen zu messen, ergaben stets konstante Werte. Es hieß daher, dass sie völlig gleich im All verteilt sei. Diese Erkenntnisse brachten aber auch eine fatale Schlussfolgerung: Sollte die Hintergrundstrahlung wirklich überall gleich sein, so wäre die Materie im frühen Universum völlig homogen verteilt gewesen und dann dürfte es unser Universum eigentlich nicht geben.

Damit sich Sterne, Galaxien und Galaxienhaufen bilden konnten, müsste es laut Modellrechnungen und Theorien schon im frühesten Universum geringe Dichte-Fluktuationen gegeben haben. Um diese anfangs minimalen Verdichtungen kam es dann zu weiteren Ansammlungen von Materie, bis hin zu den bekannten Gebilden unseres Universums.

Rätsellöser

John C. Mather und George F. Smoot sind als federführende Wissenschafter mit dem COBE-Satelliten angetreten, um die Rätsel rund um die kosmische Hintergrundstrahlung zu lösen. So gelang Mather die genaue Berechnung der Temperatur von 2,725 Kelvin, indem er erstmals ein exaktes, so genanntes Schwarzkörper-Spektrum der Hintergrundstrahlung messen konnte. "Ein solches Spektrum lässt sich eindeutig einer Temperatur zuordnen", erklärte Sabine Schindler, Leiterin des Instituts für Astro- und Teilchenphysik der Universität Innsbruck.

Minimale Unterschiede

Smoot bestimmte dagegen erstmals minimale Fluktuationen von der Temperatur der Hintergrundstrahlung. Die Unterschiede liegen im Bereich eines 100.000stel Grads, daher waren sie zuvor übersehen worden. Heute möchten Physiker und Astronomen diese Unterschiede immer genauer messen, neue Satelliten-Missionen wurden und werden geplant. Die Ursachen für die Neugier der Wissenschafter sind vielfältig. Tatsache ist, dass die Hintergrundstrahlung mittlerweile zwar recht schwach ist, sie bietet aber von der Struktur her ein quasi eingefrorenes Bild des jungen Universums.

Unerblickbar

Ein Blick in eine Zeit vor 300.000 Jahre nach dem Urknall wäre nämlich auch mit dem besten Teleskop unmöglich. Erst seit sich Atom-Kerne und Elektronen zu elektrisch neutralen Atomen formten, ist das Universum auch durchsichtig. Zuvor könnte ein Astronom absolut nichts sehen. Auch wenn ein Blick in die Tiefe des Weltalls immer auch eine Reise in die Vergangenheit ist, in den Urknall selbst wird man nie blicken können.

Dunkle Materie

Bleibt also nur der Widerschein des Urknalls in Form der Hintergrundstrahlung. Kosmologen wie Schindler erhoffen sich aus den immer besser werdenden Bildern der Hintergrundstrahlung nicht zuletzt auch Aufschlüsse über die sagenumwobene Dunkle Materie. Nachdem sie - nomen est omen - kein Licht abgibt, und es auch in der Vergangenheit nicht getan hat, hat diese Dunkle Materie auch nichts zur Hintergrundstrahlung beigetragen.

Andererseits interagiert sie aber mit der normalen, strahlenden Materie über die Gravitation. Über diesen Zusammenhang sind die Astronomen überhaupt erst auf die Idee gekommen, dass es so etwas wie Dunkle Materie geben muss. Viele Gebilde im All verhalten sich nicht so, wie man es auf Grund der zu beobachtenden Masse erwarten würde. Erst wenn man sich zusätzliche - unsichtbare - Masse dazudenkt, passen die Verhältnisse wieder. (APA)

  • Bild nicht mehr verfügbar

    Ein Ausschnitt eines vom Cosmic Background Imager erzeugten Bildes des frühen Universums.

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