Entdeckung des kosmischen Hintergrunds

Ab 1948 untersuchten der amerikanische Kosmologe George Gamow und seine Mitarbeiter Ralph Alpher und Robert Herman die Idee dass die chemischen Elemente durch thermonukleare Reaktionen synthetisiert worden sein könnten, die in einem urzeitlichen Feuerball stattfanden. Nach ihren Berechnungen hätte die mit dem frühen Universum verbundene hohe Temperatur zu einem Wärmestrahlungsfeld geführt, das eine einzigartige Intensitätsverteilung mit der Wellenlänge aufweist (bekannt als Planck-Strahlungsgesetz), die nur eine Funktion der Temperatur ist. Als sich das Universum ausdehnte, wäre die Temperatur gesunken, wobei jedes Photon durch die kosmologische Expansion auf eine längere Wellenlänge rot verschoben worden wäre, wie der amerikanische Physiker Richard C. Tolman bereits 1934 gezeigt hatte. In der gegenwärtigen Epoche wäre die Strahlungstemperatur auf sehr niedrig gefallen Werte, etwa 5 Kelvin über dem absoluten Nullpunkt (0 Kelvin oder –273 ° C) nach Schätzungen von Alpher und Herman.

Das Interesse an diesen Berechnungen schwand bei den meisten Astronomen, als sich herausstellte, dass der Löwenanteil der Synthese von Elementen, die schwerer als Helium sind, muss eher in Sternen als in einem heißen Urknall stattgefunden haben. In den frühen 1960er Jahren nahmen Physiker an der Princeton University in New Jersey sowie in der Sowjetunion das Problem erneut auf und begannen mit dem Bau eines Mikrowellenempfängers, der nach den Worten des belgischen Geistlichen und Kosmologen Georges Lemaître „die Die Brillanz des Ursprungs der Welten verschwand. “

Die tatsächliche Entdeckung der Reliktstrahlung des urzeitlichen Feuerballs erfolgte jedoch zufällig. In Experimenten, die im Zusammenhang mit dem ersten Telstar-Kommunikationssatelliten durchgeführt wurden, stellten zwei Wissenschaftler Arno Penzias und Robert Wilson von den Bell Telephone Laboratories, Holmdel, New Jersey, haben überschüssiges Funkgeräusch gemessen, das auf völlig isotrope Weise vom Himmel zu kommen schien (dh das Funkgeräusch war in alle Richtungen gleich) Als Burke Bernard Burke vom Massachusetts Institute of Technology in Cambridge zu dem Problem befragte, stellte er fest, dass Penzias und Wilson höchstwahrscheinlich die kosmische Hintergrundstrahlung gefunden hatten, die Robert H. Dicke, PJE Pe ebles und ihre Kollegen in Princeton planten zu suchen. Die beiden 1965 gleichzeitig veröffentlichten Artikel, die die Vorhersage und Entdeckung eines universellen Wärmestrahlungsfeldes mit einer Temperatur von etwa 3 K beschreiben, wurden miteinander in Kontakt gebracht.

Präzise Messungen des 1989 gestarteten Satelliten Cosmic Background Explorer (COBE) ergaben, dass das Spektrum für einen schwarzen Körper bei 2,735 K genau charakteristisch ist. Die Geschwindigkeit des Satelliten um die Erde, Die Erde um die Sonne, die Sonne um die Galaxie und die Galaxie durch das Universum lassen die Temperatur in Bewegungsrichtung eher etwas heißer erscheinen (um etwa einen Teil von 1.000) als von ihr weg. Das Ausmaß dieses Effekts – die sogenannte Dipolanisotropie – ermöglicht es Astronomen zu bestimmen, dass sich die lokale Gruppe (die Gruppe von Galaxien, die die Milchstraßengalaxie enthält) mit einer Geschwindigkeit von etwa 600 km / s (km / s; 400 Meilen) bewegt pro Sekunde) in einer Richtung, die 45 ° von der Richtung des Virgo-Galaxienhaufens entfernt ist. Eine solche Bewegung wird nicht relativ zu den Galaxien selbst gemessen (die Jungfrau-Galaxien haben eine durchschnittliche Rezessionsgeschwindigkeit von etwa 1.000 km / s in Bezug auf das Milchstraßensystem), sondern relativ zu einem lokalen Bezugsrahmen, in dem die kosmische Mikrowellen-Hintergrundstrahlung auftreten würde erscheinen als perfektes Planck-Spektrum mit einer einzigen Strahlungstemperatur.

Der COBE-Satellit beförderte Instrumente an Bord, mit denen er kleine Intensitätsschwankungen der Hintergrundstrahlung messen konnte, die den Beginn der Struktur darstellen würden (dh Galaxien und Galaxienhaufen) im Universum. Der Satellit übertrug ein Intensitätsmuster in Winkelprojektion bei einer Wellenlänge von 0,57 cm nach Subtraktion eines gleichmäßigen Hintergrunds bei einer Temperatur von 2,735 K. Helle Bereiche oben rechts und dunkle Bereiche unten links zeigten die Dipolasymmetrie. Ein heller Streifen in der Mitte zeigte eine übermäßige Wärmeabgabe aus der Milchstraße an. Um die Schwankungen auf kleineren Winkelskalen zu erhalten, mussten sowohl der Dipol- als auch der galaktische Beitrag subtrahiert werden. Es wurde ein Bild erhalten, das das Endprodukt nach der Subtraktion zeigt. Hell- und Dunkelflecken stellten Temperaturschwankungen dar, die sich auf etwa einen Teil von 100.000 belaufen – nicht viel höher als die Genauigkeit der Messungen.Trotzdem schien sich die Statistik der Verteilung der Winkelschwankungen von zufälligem Rauschen zu unterscheiden, und so fanden die Mitglieder des COBE-Untersuchungsteams die ersten Beweise für die Abweichung von der exakten Isotropie, die theoretische Kosmologen lange vorhergesagt haben müssen, um Galaxien und Cluster von Galaxien aus einem ansonsten strukturlosen Universum zu kondensieren. Diese Schwankungen entsprechen Entfernungsskalen in der Größenordnung von 109 Lichtjahren (immer noch größer als die größten materiellen Strukturen im Universum, wie die enorme Gruppierung von Galaxien, die als „Große Mauer“ bezeichnet wird).

Die Wilkinson-Mikrowellenanisotropiesonde (WMAP) wurde 2001 auf den Markt gebracht, um die von COBE beobachteten Schwankungen detaillierter und empfindlicher zu beobachten Die Bedingungen am Anfang des Universums haben die Größe der Schwankungen geprägt. Die genauen Messungen von WMAP zeigten, dass das frühe Universum zu 63 Prozent aus dunkler Materie, zu 15 Prozent aus Photonen, zu 12 Prozent aus Atomen und zu 10 Prozent aus Neutrinos bestand. Heute besteht das Universum zu 72,6 Prozent aus dunkler Energie, zu 22,8 Prozent aus dunkler Materie und zu 4,6 Prozent aus Atomen. Obwohl Neutrinos heute ein vernachlässigbarer Bestandteil des Universums sind, bilden sie ihren eigenen kosmischen Hintergrund, der von WMAP entdeckt wurde. WMAP zeigte auch, dass sich die ersten Sterne im Universum eine halbe Milliarde Jahre nach dem Urknall gebildet haben.