Hintergrundstrahlung - 1 - Einleitung

Strahlung ist die Ausbreitung von Energie im Raum. Die frühere grundsätzliche Unterscheidung zwischen Wellenstrahlung (z. B. elektromagnetische Wellen) und Teilchenstrahlung = Korpuskularstrahlung (z. B. Alphastrahlung, kosmische Strahlung) ist unhaltbar, da sich mikrophysikalische Vorgänge sowohl mit dem Wellenmodell als auch mit dem Teilchenmodell erklären lassen.

Das Modell des expandierenden Kosmos, beginnt mit einem Plasma, einem heißen dichten Anfangszustand. Richard C. Tolman nahm an, dass die Energiedichte und Temperatur der damaligen Strahlung mit der Expansion abgesunken sein müsste.

George A. Gamov ging davon aus, dass ausgehend vom heißen Stadium (Primeval Fireball) Informationen über die Entwicklung durch die Elementhäufigkeiten gegeben sind. Gamov und R. Dicke vermuteten, dass messbare Strahlung entstanden sei als sich das Universum auf etwa 3 000 K abgekühlt hatte. Dieser Zeitpunkt markiert den Materieübergang vom ionisierten (elektrisch geladenen) in den neutralen Zustand, in dem Protonen und Elektronen Wasserstoff H bilden. Diesen Zustand nennen Physiker Rekombination. Ohne freie Elektronen und Protonen gab es keine Thomson-Streuung, die Photonen konnten entweichen, sie entkoppelten. Bis zu dieser Entkoppelung bestand ein Temperaturgleichgewicht von Strahlung und Materie bei etwa 3 000 K. Nun wurde das Weltall für elektromagnetische Strahlung weitgehend transparent. Dieses frühe undurchsichtige Stadium ist wie ein Vorhang am Ende des mit elektromagnetischer Strahlung zugänglichen Kosmos.

Somit stammt die 3-K-Hintergrundstrahlung vom ältesten beobachtbaren Zeitpunkt überhaupt, als das Universum ein Feuerball war.

Da die Wechselwirkung nur gering ist, sollte sich das Strahlungsfeld des Universums mit diesem adiabatisch (griech.: ohne Wärmeaustausch) ausdehnen. Die Intensität und spektrale Verteilung der Strahlung sollte allein von ihrer Temperatur abhängen und wäre damit eine Schwarzkörperstrahlung. Nach L. Boltzmann bleibt so ein Strahlungsfeld bei adiabatischer Ausdehnung schwarz und das Produkt T³V konstant.

Nach Abschluss der Entstehung von H und Helium He bleibt aber auch deren Teilchenzahl nV erhalten, so dass T³ n abnehmen müsste. Gamov ging für die Elementbildung von T = 10⁹K und n ca. 10²⁴ m^-3 für das heutige Universum von n_o=1m^-3 und damit nach der Expansion auf das 10²⁴fache Volumen von einer Hohlraumstrahlung von ca. T=10 K aus.

A. Penzias und R. Wilson entdeckten 1963 mit ihrer rauscharmen Hornantenne ein Rauschen bei 7,35 cm (4,08 GHz), das aus allen Richtungen kam. Nach Abzug aller Störfaktoren blieb eine isotrope unpolarisierte Strahlung von rd. 3 K, deren Form nicht explizit (lat.: ausführlich) zu messen war.

Spätere Messungen ergaben, dass das Strahlungsfeld im gesamten zugänglichen Wellenlängenbereich von etwa 10 cm bis zu 1 mm dem Planckschen Gesetz folgt.

Das Intensitätsmaximum liegt bei 180 GHz (l= 1,7 mm), mit steilem Abfall auf der kurzwelligen Seite. Oberhalb von 30 cm überwiegt die galaktische nichtthermische Strahlung. Unterhalb von 3 mm sind Messungen wegen der Erdatmosphäre nicht möglich.

Das genaue Ergebnis ist T = (2,73 +/- 0,001) K.

Absolutmessungen im fernen Infrarot ergeben noch genauere Werte:

T = (2,728 +/- 0,002) K

Das Strahlungsspektrum stimmt für rd 10 cm innerhalb von rd 10^-4 der relativen Intensität mit der Planckverteilung überein. Die Polarisation liegt unterhalb 10^-5.

Der spektrale Verlauf zeigt, dass es keine Hinweise auf Abweichungen von der adiabatischen Expansion des Strahlungsfeldes und damit von Energiezufuhr und Energiedissipation (lat.: Übergang einer Energieform in Wärmeenergie) gibt.

Die Strahlung wird Cosmic Microwave Background Radiation (CMBR) genannt und ist mindestens 13 Milliarden Jahre alt, da Photonen sich stets mit Lichtgeschwindigkeit bewegen, altern sie nicht. Aber sie unterliegen der kosmischen Expansion und damit der kosmologischen Rotverschiebung, d. h. sie werden energieärmer. Die Zeitangabe bezieht sich auf die Ergebnisse der beobachtenden Astronomie. Wie alt das Universum wirklich ist und ob die Entstehung der Strahlung tatsächlich 380 000 Jahre nach dem Anfangszeitpunkt t_o unseres Universums entstand, wird bei der Diskussion über den Urknall besprochen.

Unabhängig vom genauen Anfangszustand des Universums ist diese Strahlung im Radiofrequenzbereich also ein deutlicher Hinweis darauf, dass es in der frühen Entwicklung eine heiße Phase gegeben hat.

Hintergrundstrahlung - 2 - COBE

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Rund 10 % des Rauschens beim Fernsehbild ist die Hintergrundstrahlung. Die Strahlung hat eine 180-Grad-Asymmetrie, die Dipolcharakteristik genannt wird, d. h. an einer Stelle des Firmaments ist die, dem Spektrum der Hintergrundstrahlung entsprechende Temperatur um 0,1 % höher als an der gegenüberliegenden Stelle.

Die Asymmetrie lässt sich in eine Geschwindigkeit umrechnen und ist durch den „Dopplereffekt“ bedingt: Aus der Richtung, in der wir uns bewegen, erreicht uns die kosmische Hintergrundstrahlung ein wenig zu kürzeren Wellenlängen verschoben und das täuscht eine etwas höhere Temperatur vor.

Alles im Universum bewegt sich. Es muss immer ein Bezugssystem angegeben werden. Die Erdoberfläche bewegt sich bezogen auf den Erdmittelpunkt in 23 Stunden 56 Minuten 4,0905 Sekunden einmal um ihre Achse. Bei einem Erdumfang von rund 40 075 km bewegt sich ein Beobachter am Äquator mit rund 460 m/s = rund 1 000 m/h.

Die Erde bewegt sich bezogen auf die Sonne mit rund 30 km/s = rund 108 000 km/h um unser Zentralgestirn.

Das Sonnensystem bewegt sich bezogen auf das Milchstraßenzentrum mit rund 220 km/s = rund 792 000 km/h um den Galaxienmittelpunkt.

Die Galaxien der lokalen Gruppe bewegen sich bezogen auf den großen Attraktor mit rund 100 km/s auf das Schwerkraftzentrum dieses Galaxienhaufens.

Die Erde bewegt sich als Teil des Sonnensystems bezogen auf den CMRB mit rund 390 km/s in Richtung Sternbild Löwe.

Die Milchstraße bewegt sich mit rund 600 km/s bezogen auf den CMRB in Richtung Wasserschlange, wahrscheinlich bedingt durch die Anziehungskraft des Hydra-Centaurus-Galaxien-Superhaufens.

Das kosmologische Standardmodell verlangt eine geringe Fluktuation, eine nicht exakt gleichförmige Verteilung von Strahlung und Materie. Es sollte eine Ort-zu-Ort-Abweichung von etwa einem tausendstel Grad geben.

Der Wert der Abweichung wurde nach der Entdeckung, dass es einen großen Anteil an Dunkler Materie geben müsse, auf ein Hunderttausendstel Grad korrigiert. Die Schwankungen sind nur erklärbar, wenn Energiedichte = Materiedichte exakt der kritischen Dichte entsprechen. Aber laut der Unschärferelation ist niemals ein Energiezustand scharf und exakt, sondern schwankt immer.

Bei einer absolut gleichförmigen Verteilung auch auf kleinsten Skalen, hätte es keine Materiezusammenballungen gegeben. Die Dichteschwankungen erzeugten in den dichteren Bereichen eine größere Gravitation und damit reduzierte Inflation. Die Dichteunterschiede vergrößerten sich im Laufe der Zeit und filamentartige Strukturen entstanden. An den Knotenpunkten dieser Strukturen konnte die Materie kollabieren und es bildeten sich die ersten Sterne.

Der Ursprung der Fluktuationen ist eine Folge der Quantenmechanik, die sogar das Vakuum als dauerndes Gebrodel von entstehenden und vergehenden Teilchen beschreibt. Diese Vakuumfluktuationen sind bei der Inflation eingefroren worden und worden von COBE vermessen. Damit wurde die Kosmologie – früher eher ein Beiwerk der Philosophie und Religion – zur Naturwissenschaft.

Das ideale Schwarzkörperspektrum (siehe Strahlung – 2 – Schwarzer Körper) der Mikrowellenstrahlung (d. h. das Universum war bereits bei der Entstehung der Strahlung ein idealer schwarzer Körper) lässt sich bis heute nur mit der Urknall-Theorie erklären.

Es wurden demnach im Verlauf der Abkühlung des Universums keine größeren Energiemengen freigesetzt oder verschluckt. Das bedeutet, dass die ersten Sterne die thermische Geschichte des Weltalls kaum beeinflusst haben. Leider bedeutet es auch, dass aus dem Spektrum der Hintergrundstrahlung kaum Neues über den Kosmos zu erfahren ist. Wissen erlangen wir nur über die Fluktuationen. COBE gelang der Nachweis der Fluktuationen mit maximal 17 Mikrokelvin, also kaum mehr als ein hunderttausendstel Grad.

COBE konnte nur Messwerte ab einem Winkelabstand von sieben Grad trennen, kleinere Strukturen verschwammen. WMAP ist genauer (siehe Hintergrundstrahlung – 3 – WMAP)

Hintergrundstrahlung - 3 - WMAP

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