Die 3K kosmische Hintergrundstrahlung

3K Hintergrundstrahlung

Man kann eine gleichmäßige Hintergrundstrahlung im Mikrowellenbereich des Spektrums, in allen Himmelsrichtungen beobachten. Die Strahlung zeigt eine Wellenlängenabhängigkeit wie ein "schwarzer Strahler" bei einer Temperatur von 3 Kelvin. Die Strahlung wird als Überbleibsel aus der Zeit angesehen, als das expandierende Universum bei etwa 3000 K transparent wurde. Die Entdeckung der 3K Hintergrundstrahlung war einer der entscheidenen Schritte auf dem Weg zur Berechnung des Standard-"Urknall"-Modells der Kosmologie. Dadurch wurden Abschätzungen über die relativen Anzahlen von Teilchen und Photonen möglich. Untersuchungen mit dem "Far Infrared Absolute Spectrophotometer" (FIRAS) an Bord des COBE Satelliten ergaben eine Temperatur von 2,725 +/- 0,002 K. Vorangehende Experimente zeigten schon eine Anisotropie in der Hintergrundstrahlung, die durch die Bewegung des Sonnensystems zustande kommt. Die Messdaten des COBE-Satelliten zeigen zudem noch Fluktuationen im Hintergrund. Die Fluktuationen in der Hintergrundstrahlung werden in der Urknall-Kosmologie benötigt, um die Galaxienbildung zu erklären. Die Ungleichmäßigkeit der Hintergrundstrahlung ist die Grundlage für das "Problem der Galaxienbildung". Neueste Messungen der WMAP-Raumsonde ergaben ein viel höher aufgelöstes Bild der Anisotropie in der kosmischen Hintergrundstrahlung.

Die ungefähre Zahl von 10⁹ Photonen pro Kernteilchen ist "der bedeutenste quantitative Schluss, der aus den Messungen der Mikrowellen-Hintergrundstrahlung gezogen werden kann..."[Weinberg S.66-70]. Daraus wird gefolgert, dass sich Galaxien und Sterne nicht bilden konnten, bis die Temperatur unter 3000 K gefallen war. Danach konnten sich Atome bilden und die Undurchsichtigkeit des expandierenden Universums verschwand; Licht konnte entweichen und den Strahlungsdruck abbauen. Die Stern- und Galaxiebildung konnte nicht stattfinden, solange die Anziehungskraft der Gravitation durch den abstoßend wirkenden Strahlungsdruck überdeckt wurde. Bei 10⁹ Photonen pro Baryon wäre eine kritische "Jeans-Masse" von dem millionenfachen einer großen Galaxie benötigt. Durch die Bildung der Atome und das transparente Universum, fiel die Jeans-Masse auf ungefähr auf 10^-6 der Masse einer Galaxie, so dass gravitatives Klumpen möglich wurde.

Die Rolle der 3K in der Kosmologie

Der 3K Hintergrund beinhaltet ungefähr 5,5 x 10⁵ Photonen pro Liter Volumen. Die Abschätzungen der Baryonendichte reichen von dem doppelten der kritischen Dichte von 6 x 10^-3/Liter bis zu sichtbaren Galaxien mit 6 x 10^-3/Liter. Daraus ergeben sich zwischen 1 x 10⁸ und 2 x 10¹⁰ Photonen pro Baryon. Diese Abschätzung für die Anzahl der Photonen pro Baryon war ausschlaggebend bei vielen Berechnungen für den Urknall. Die relativen Anzahlen an Photonen und Baryonen stimmen mit den Beobachtungen überein bei der Modellbildung für die Nukleosynthese und dem Wasserstoff-Helium-Verhältnis.

Schaut man sich die Häufigkeiten von D, ³He, und ⁷Li im Urknallmodell an, so wird das Verhältnis von Baryonen zu Photonen weiter eingeschränkt. Laut der Particle Data Group gilt für das Verhältnis von Baryonen zu Photonen η :

Da die Erhaltung der Baryonzahl eine universelle Erhaltungsgröße ist, folgt, dass das Verhältnis von Photonen zu Baryonen während der Expansion gleich bleibt. Kein bekannter Prozess in der Natur kann die Baryonzahl ändern.

Anisotropie des 3K Hintergrundes

In der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung existiert eine Anisotropie von ca. 0,1%, aufgrund der Doppler-Verschiebung, da sich das Sonnensystem durch die Strahlung hindurch bewegt. Es handelt sich um eine Dipol-Anisotropie in der Größenordnung 1.23 x 10^-3, laut Particle Data Group. Aus diesem Wert lässt sich eine Geschwindigkeit der Erde von ca. 600 m/s berechnen, relativ zu der allgemeinen Expansion.

Fluktuationen im 3K Hintergrund

COBE-Satellit

Die NASA startete den COBE-Satelliten (Cosmic Background Explorer satellite), um die kosmische Mikrowellen-Hintergrundstrahlung zu erforschen. Das Diagramm zeigt die Messwerte und den theoretisch erwarteten Verlauf eines schwarzen Körpers.

Die Messdaten passsen so genau zu der Planckschen Strahlungsformel, dass es eine große Bestätigung für die Theorie ist, dass die Strahlung von dem Urknall stammt.

Messdaten aus Mather, J. C., et al., Astro. Jour. 354, L37 (1990).

Die Messdaten vom COBE-Satellit waren so präzise, dass Fluktuationen in dieser Strahlung festgestellt wurden, die wichtig für kosmologische Berechnungen sind. Der Satellit war hauptsächlich mit drei verschiedenen Messgeräten ausgerüstet: Einem differenziellen Mikrowellenradiometer, einem ferninfrarot Absolut-Spektrophotometer (mit flüssigem Helium auf 1,6 K gekühlt) und dem Diffuse Infrared Background Experiment, auch auf 1,6 K gekühlt. Das Infrarotmessgerät misst die Infrarotspektren des Hintergrundes, die als gleichmäßig angenommen werden. Unerwartete Abweichungen können das Vorhandensein einer Energiequelle andeuten, die Turbulenzen verursacht haben könnten, die für die Entstehung von Galaxien verantwortlich sein könnten. Die Empfindlichkeit der Infrarotmessinstrumente ist 100 mal größer, als es von der Erde aus möglich wäre. Das Infrared Background Experiment sucht nach weit entfernten, primordialen Galaxien und Objekten, die sich nach dem Urknall gebildet haben.

Die Erkenntnisse wurden mit der neusten WMAP-Mission weiter verfeinert, durch eine noch größere Auflösung der Temperaturfluktuationen.