Evolution: Astronomie, Astrophysik, Kosmologie - Mikrowellenhintergrund  

Evolution: Astronomie, Astrophysik, Kosmologie

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Interessierte: Mikrowellenhintergrund

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Inhalt

Unser Universum wird von einem praktisch homogenen Mikrowellenhintergrund erfüllt, der praktisch eine perfekte Planckverteilung mit der Temperatur 2,73 K aufweist. Hier wird beschrieben, wie sich der Mikrowellenhintergrund ins Standardmodell einfügt. Es wird zudem ein Einblick in die entsprechenden Messungen gegeben und diskutiert, inwiefern dieser Hintergrund tatsächlich vom Standardmodell vorausgesagt wurde. Anschließend werden ein kritischer Kommentar und eine Bewertung versucht.

evolution, schöpfung Erklärung des Mikrowellenhintergrundes nach dem Standardmodell

evolution, schöpfung Vorhersagen

evolution, schöpfung Beobachtungen

evolution, schöpfung Temperaturfluktuationen

evolution, schöpfung Kommentar und Bewertung

evolution, schöpfung Literatur

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Erklärung des Mikrowellenhintergrundes nach dem Standardmodell

 

Undurchsichtiges Universum. Gemäß dem Standardmodell befand sich das Universum einst auf kleinstem Raum zusammengedrängt und besaß darum eine sehr hohe Materiedichte. Aus diesem Grund war auch die Temperatur der Materie des Universums sehr hoch. Man könnte sich das Universum also als einen gigantischen Feuerball vorstellen, nur dass man nichts sehen konnte, denn das Universum war für Strahlung nicht durchsichtig. Vielmehr befand sich die Strahlung im Gleichgewicht mit der gleichmäßig verteilten „Materiebrühe“ aus Elementarteilchen und konnte sich darum nicht „frei bewegen“.

Entstehung der Hintergrundstrahlung. Als sich das Universum mit der Zeit ausdehnte, kühlte es sich auch entsprechend ab. Durch die abnehmenden Temperaturen nahm die Vielseitigkeit der Wechselwirkungen unter den Elementarteilchen und der Strahlung langsam ab. Immer mehr Teilchen (z.B. Neutrinos (=Elementarteilchen, verwandt mit dem Elektron, die keine oder nur eine sehr kleine Ruhemasse besitzen)) entkoppelten aus dem Gleichgewicht mit der Strahlung, so dass letztlich nur noch Protonen, Neutronen und Elektronen im Gleichgewicht mit der Strahlung waren.

 
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Vor allem die anwesenden freien Elektronen wirkten als Streuzentren für die Strahlung, d.h. sie absorbierten die Strahlung und emittierten (=abstrahlen) sie anschließend wieder, so dass diese eine sog. Planck-Frequenzverteilung annahm (Abb. 151). Damit hatte sie die typische Frequenzverteilung eines schwarzen Körpers, d.h. eines Körpers, der alle auftreffende Strahlung vollständig absorbiert. Die Schwarzkörperstrahlung hat in der Physik eine wichtige Bedeutung und ist grundsätzlich dort zu erwarten, wo Materie mit Strahlung im Gleichgewicht ist. Die Anwesenheit dieser freien Elektronen sorgte dafür, dass das Universum nicht durchsichtig war, da sich die Strahlung aufgrund der ständigen Absorption und Emission nicht frei (geradlinig) bewegen konnte.

Entkopplung von Strahlung und Materie. Als schließlich die Temperatur des Universums noch weiter sank, schlossen sich die freien Elektronen mit den anwesenden freien Protonen zusammen und bildeten Wasserstoff-Atome. Weil gebundene Elektronen nicht mehr so effizient als Streuzentren wirken können, wurde das Universum mit diesem Akt allmählich durchsichtig: Die Strahlung koppelte sich von der Materie ab und bewegte sich fortan mehr oder weniger unabhängig von ihr.

Nach diesem Vorgang dehnte sich das Universum weiter aus, womit die entkoppelte Strahlung im Raum langsam „verdünnt“ wurde und sich abkühlte. Genau genommen wurde sie rotverschoben (Rotverschiebung) genau gleich wie das Sternenlicht. Aus diesem Grund erwartete man nach den Modellvorstellungen des Standardmodells einen Strahlungshintergrund, der das ganze heutige Universum ausfüllt. Nur ist die Temperatur der Strahlung viel geringer als zur Zeit der Entkopplung von Strahlung und Materie. Der Hauptbeitrag der heute gefundenen Hintergrundstrahlung ist im Mikrowellenbereich, darum die Bezeichnung Mikrowellenhintergrund.

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Vorhersagen

Die Entdeckung des Mikrowellenhintergrundes wird häufig zu den erfolgreichen Vorhersagen des Standardmodells gerechnet. Es ist in der Tat so, dass der Mikrowellenhintergrund einer der eindrücklichsten Beobachtungsevidenzen für ein ehemals heißes und dichtes Universum ist. Die Entdeckung wurde sogar mit einem Nobelpreis geehrt. Doch wie gut waren die Vorhersagen wirklich? (siehe auch Historische Entwicklung des Standardmodells)

1948 wurde von Gamow, Alpher und Herman ein Strahlungshintergrund vorhergesagt, der durch den „urzeitlichen Feuerball“ verursacht wurde und heute beobachtet werden könne. Die Temperatur wurde auf etwa 5 K (=fünf Grad über dem absoluten Nullpunkt bei –273,15ºC) geschätzt. Später schätze Gamow die Temperatur sogar auf 7 K und später schließlich bis zu 50 K. Keiner von diesen Werten traf jedoch zu. Selbst 1965 im Jahr der Entdeckung des Mikrowellenhintergrundes durch Penzias und Wilson wurde noch ein Wert von 30 K vermutet, was stark vom heute gemessenen Wert von etwa 2,7 K abweicht. Vorhergesagt wurde allerdings, dass die Strahlung eine perfekte Schwarzkörper-Verteilung haben sollte. Diese Vorhersage hat sich präzise erfüllt.

Die Entdecker Penzias und Wilson, die den Mikrowellenhintergrund zufällig als Störrauschen entdeckten, als sie die Mikrowellenstrahlung unserer Milchstraße untersuchen wollten, wussten zuerst gar nicht, was sie entdeckt hatten. Erst die Korrespondenz mit der Princeton-Forschungsgruppe konnte die Strahlung mit dem vorhergesagten Mikrowellenhintergrund identifizieren. Obwohl Penzias und Wilson den Nobelpreis für die Entdeckung bekamen, wurde die Hintergrundstrahlung im Prinzip auch schon vorher beobachtet, wenn auch nicht im kosmologischen Sinne interpretiert (Novikov 2001).

Nennenswert ist, dass neben den falschen Vorhersagen des Standardmodells bezüglich der Strahlungstemperatur auch relativ gute Vorhersagen gemacht wurden. Diese Vorhersagen basieren aber auf anderen Erklärungen für den Mikrowellenhintergrund. Eddington beispielsweise schätzte 1926 die Temperatur eines beliebigen Körpers, der im Strahlungsfeld des Sternenlichtes eingebettet ist, auf eine Temperatur von etwa 3 K, was praktisch dem beobachteten Wert 2,7 K entspricht. Allerdings sind diese alternativen Erklärungen letztlich nicht gleichwertig mit der des Standardmodells, da der Mikrowellenhintergrund neben der Temperatur noch mehr Eigenschaften aufweist, die auch erklärt werden müssen.

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Beobachtungen

 

Seit seiner Entdeckung 1965 wurde der Mikrowellenhintergrund immer wieder gemessen, um seine Frequenzverteilung und Temperatur möglichst genau bestimmen zu können. Indirekte Messungen durch Anregungszustände von CN-Molekülen im interstellaren Raum deuteten schließlich darauf hin, dass die Mikrowellenhintergrund kein lokales Phänomen ist, sondern sich tatsächlich auch an anderen Orten im Universum wiederfindet.

Die ursprünglichen Messungen von Penzias und Wilson gaben eine Temperatur von etwa 3,3 K an. Spätere Messungen schwankten zwischen 2 und 4 K. Um den Schwarzkörper-Charakter der Strahlung zu überprüfen, ist es nötig, Detektoren über der Erdatmosphäre zu haben, da diese für den entscheidenden Wellenlängenbereich nicht durchsichtig ist. Darum wurden solche Messungen durch Raketen und Ballone durchgeführt. Einige von diesen Versuchen berichteten von Abweichungen einer reinen Schwarzkörper-Verteilung. Diese Behauptungen wurden allerdings durch den Satelliten COBE (Cosmic Background Explorer (Abb. 152), der 1989 ins All geschossen wurde, widerlegt: COBE erhielt eine praktische perfekte Schwarzkörperstrahlung mit der Temperatur von 2,725 (Abb. 151). In der Tat nicht einmal Laborexperimente sind in der Lage, so genaue Schwarzkörperstrahlungen zu produzieren. Das ist eine gute Bestätigung für das Standardmodell.

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Temperaturfluktuationen

Eine weitere Eigenschaft des Mikrowellenhintergrundes ist seine ausgeprägte Isotropie, d.h. egal in welcher Richtung man misst, die Temperatur ist immer dieselbe. Das allerdings verblüffte die Kosmologien, da sie eigentlich gewisse Temperaturschwankungen in Abhängigkeit der Messrichtung erwartet hatten (siehe auch Historische Entwicklung des Standardmodells). Solche Schwankungen werden von der Theorie der Strukturbildung im Universum vorhergesagt. Damit sich nämlich im frühen Universum Strukturen wie Galaxien und Galaxienhaufen bilden können, muss die Materie auch schon zur Zeit der Entkopplung von Strahlung und Materie gewisse Unregelmäßigkeiten besessen haben. Diese wiederum müssten sich im Mikrowellenhintergrund niedergeschlagen haben, die heute Beobachtungen zugänglich sein müssten.

Erst 1992 wurde mit COBE zum ersten Mal ein positives Signal bezüglich Temperaturfluktuationen gemessen. Allerdings ist die Amplitude (=Stärke) der Temperaturfluktuationen viel geringer als ursprünglich erwartet. Die relative Temperaturschwankungen betragen etwa nur 1/100000 K. Aufgrund der Theorie zur Strukturbildung hätte man etwa 100 Mal stärkere Fluktuationen erwartet. Schließlich wurde versucht, das Problem mit dunkler nicht-baryonischer (=Protonen und Neutronen sind Beispiele von Baryonen) Materie zu lösen (siehe Standardmodell, Dunkle Materie und dunkle Energie). Detaillierte Analysen legen allerdings nahe, dass auch nach Zugrundelegen der COBE-Daten sowie dunkler Materie die Evolution der großen Strukturen des Universums nicht erklärt wird. Das ist ein ungelöstes Problem (Narlikar 2002).

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Nach COBE wurde 2001 mit WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) (Abb. 153), schließlich ein weiterer Satellit ins All befördert, der die räumliche Auflösung der Fluktuationen des Mikrowellenhintergrundes weiter verbessern sollte. Seine Daten lieferten in der Tat ein Abbild des Mikrowellenhintergrundes mit viel höherer Auflösung (Abb. 154), die für die Bestimmung von kosmologischen Parametern wie z.B. der kosmologische Konstante oder der Hubble-Konstante (siehe Rotverschiebung) entscheidend war. Die Daten haben das Standardmodell sehr gefestigt und präziser werden lassen, was bei den Kosmologen zu großer Zuversicht geführt hat. Man sprach auch bereits vom Zeitalter der „Präzisionskosmologie“.

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Allerdings sollte nicht der Eindruck erweckt werden, als sei hiermit alles restlos geklärt. So wurden selbst vom WMAP-Forschungsteam bei der Bestimmung der kosmologischen Parameter einige „verblüffende Diskrepanzen“ festgestellt (Spergel et al. 2003). Ebenfalls wurde die Verdacht geäußert, die Fluktuationen des Mikrowellenhintergrundes seien möglicherweise durch Störquellen „verunreinigt“ worden, was Konsequenzen für die Analyse der Daten haben könnte (Myers et al. 2004). Noch ist es aber zu früh, um etwas Definitives sagen zu können.

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Kommentar und Bewertung

 

Es kann festgehalten werden, dass das Standardmodell tatsächlich die Vorhersage eines Strahlungshintergrundes mit einer Planck-Verteilung vorhersagt, die das ganze Universum erfüllen sollte. Ein entsprechender Strahlungshintergrund mit praktisch perfekter Planck-Verteilung wurde gemessen und lässt sich gut als Relikt des Urknall interpretieren. Allein die Temperatur der Strahlung lässt sich aus dem Standardmodell nicht ableiten.

Es war die Entdeckung des Mikrowellenhintergrundes und insbesondere seines Schwarzkörpercharakters, der die meisten Kosmologen zur Überzeugung führte, dass das Standardmodell tatsächlich ein gutes Modell für die Geschichte des Universums sei (siehe Historische Entwicklung der modernen Kosmologie). Der Mikrowellenhintergrund ist abgesehen von der Rotverschiebung wahrscheinlich die wichtigste Entdeckung als Evidenz für das Standardmodell.

Es soll hier aber kritisch bemerkt werden, dass die Geschichte des Mikrowellenhintergrundes kaum eine Abfolge von erfüllten Voraussagen ist, wie das manchmal dargestellt wird, sondern eher eine Anpassung des Modells im Nachhinein an Beobachtungen. Der Mikrowellenhintergrund wird außerdem verwendet, um die kosmologischen Parameter nachträglich zu bestimmen, um ein insgesamt konsistentes Bild des Universums zu erhalten.

Es sind zudem noch zahlreiche weitere Erklärungen für das Phänomen des Mikrowellenhintergrundes vorgeschlagen worden, die keinen Urknall voraussetzen. Einige dieser Erklärungen liefern sogar verblüffende Voraussagen bezüglich der Temperatur der Strahlung (siehe als Beispiel die Quasi-steady-state cosmology). Dies macht deutlich, dass die Erklärung des Standardmodells nicht einzigartig ist, was manchmal behauptet wird. Dennoch ist sie gegenwärtig die beste Erklärung.

 
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Literatur

 

Myers A.D., Shanks T., Outram P.J., Frith W.J., Wolfendale A.W. (2004) Evidence for an extended Sunyaev-Zel’dovich effect in WMAP data. MNRAS 247, 67-72.

Narlikar J.V. (2002) An Introduction to Cosmology. Cambridge University Press. Third Edition.

Novikov I.D. (2001) Discovery of CMB, Sakharov Oscillations and Polarization of the CMB Anisotropy. In Historical Development of Modern Cosmology (eds.) Martinez V.J., Trimble V., Pons-Borderia M.J.. ASP Conference Series 252.

NASA. Legacy Archive for Microwave Background Data Analysis (LAMBDA). http://lambda.gsfc.nasa.gov/

NASA. Wilkinson Microwave Anisotropy Probe Website. http://map.gsfc.nasa.gov

Spergel D.N., Verde L., Peiris H.V., Komatsu E., Nolta M.R., Bennett C.L., Halpern M., Hinshaw G., Jarosik N., Kogut A., Limon M., Meyer S.S., Page ., Tucker G.S., Weiland J.L., Wollack E., Wright E.L. (2003) First-year Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) Observations: Determination of cosmological parameters. ApJS 148, 175-194.

 
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Autor: Studiengemeinschaft Wort und Wissen, 12.08.2004

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