• vom 02.05.2014, 13:55 Uhr

Forschung

Update: 02.05.2014, 13:56 Uhr

Kosmische Inflation

Das Echo des Urknalls




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Von Christian Pinter

  • Vor 50 Jahren wurde eine seltsame Strahlung entdeckt, die das gesamte Universum ausfüllt. Mittlerweile gilt sie, auch dank jüngster Funde, als Bestätigung für die Theorie von der kosmischen Inflation.

Wirkt wir ein riesiges Hörrohr: die Hornantenne am Crawford Hill in Holmdel, New Jersey, mit der 1964 die ersten Radiowellen aus allen Regionen des Himmels empfangen werden konnten.

Wirkt wir ein riesiges Hörrohr: die Hornantenne am Crawford Hill in Holmdel, New Jersey, mit der 1964 die ersten Radiowellen aus allen Regionen des Himmels empfangen werden konnten.© Wikimedia Wirkt wir ein riesiges Hörrohr: die Hornantenne am Crawford Hill in Holmdel, New Jersey, mit der 1964 die ersten Radiowellen aus allen Regionen des Himmels empfangen werden konnten.© Wikimedia

Ab 1960 schießen die USA erste Kommunikationssatelliten ins All, wie Echo-1, Courier 1B, Telstar oder Syncom. Die Bell Telephone Laboratoris wollen damals Störungen in den Griff bekommen, die beim Funkkontakt mit den orbitalen Relaisstationen auftreten. Dazu errichten sie eine Empfangsanlage am Crawford Hill in Holmdel, New Jersey. Auf einer Art Drehbühne installiert man eine sechs Meter große Hornantenne. Sie sieht aus wie ein völlig überdimensioniertes, eckiges Hörrohr.


Damit minimieren zwei Männer nun Antennen- und Empfängerprobleme: Der 1933 in München geborene Arno Penzias und der drei Jahre jüngere Texaner Robert W. Wilson. Es bleibt jedoch eine Störung, die sie nicht wegbekommen. Zunächst macht man den Mist eines Taubenpärchens verantwortlich. Die Vögel werden vertrieben, doch das feine Rauschen bleibt. Vom Juli 1964 bis zum April 1965 registrieren es die beiden unentwegt auf einer Wellenlänge von 7,3 Zentimetern. Tages- oder jahreszeitliche Schwankungen fehlen: Die Radiowellen kommen offensichtlich aus allen Regionen des Himmels - egal, ob diese nun reich oder arm an Sternen sind.

Rätselhafte Störquelle
Der deutsche Physiker Gustav Robert Kirchhoff entwickelte 1862 das Konzept des Schwarzen Strahlers. Der sendet zwar Strahlung aller Wellenlängen aus - doch die Hauptfrequenz ist von seiner Wärme abhängig. 1894 präzisierte der spätere Nobelpreisträger Wilhelm Wien diesen Zusammenhang. Mit Hilfe des Wienschen Verschiebungsgesetzes können Penzias und Wilson aus der stärksten Empfangsfrequenz tatsächlich auf die Temperatur der Störquelle schließen. Sie ist extrem niedrig, liegt anscheinend bloß 2,5 bis 4,5 Grad über dem absoluten Nullpunkt; den hat man mit minus 273,15 Grad Celsius definiert.

Damals glauben schon viele Astronomen an ein expandierendes Universum, wie es Alexander Friedmann und Georges Lemaître postuliert haben. Die gegenseitige Flucht der Galaxien, 1929 von Edwin Hubble entdeckt, stützt diese Theorie. Rechnet man die Bewegung der fernen Milchstraßen zurück, muss der Raum einst ex-trem klein, dicht und daher unfassbar heiß gewesen sein. So heiß, dass - wie George Gamow 1948 erkannte - Wasserstoffatome zu Helium verschmolzen. Die damals erzeugte Strahlung sollte sich im All sogar noch nachweisen lassen, rechnet Gamows Dissertant Ralph Alpher vor.

Auch der Physiker Robert H. Dicke ist von zumindest einer heißen Phase in der Vergangenheit des Universums überzeugt; wegen der kosmischen Expansion müsste man die einst freigesetzte Strahlung nun im Mikrowellenbereich finden. Dicke hat in Princeton studiert. Jetzt fahndet seine Forschergruppe auf dem Dach der dortigen Universität nach dem fossilen Signal - allerdings mit einem sehr kleinen Gerät.

Die viel mächtigere Hornantenne in Holmdel ist bloß 40 Kilometer entfernt. So erfährt Dicke, dass man dort gerade eine höchst rätselhafte Strahlung untersucht. Die Forscher treffen einander. Am 13. Mai 1965 entwerfen Penzias und Wilson einen Fachartikel für das "Astrophysical Journal". In derselben Ausgabe würdigen Dicke und seine Kollegen diesen Fund und diskutieren dessen kosmologische Bedeutung. Die Entdeckung der Mikrowellenhintergrundstrahlung, im Englischen "Cosmic Microwave Background" oder kurz "CMB" genannt, beschleunigt den Siegeszug der Urknall-Theorie. 1978 erhalten Penzias und Wilson dafür den Nobelpreis für Physik.

Im Urknall herrschten unvorstellbare Bedingungen. Der extremen Energie wegen waren die vier Grundkräfte in einer Art Superkraft vereint. Die Gravitation spaltete sich als erste ab. Dann folgte die starke Wechselwirkung, einst "starke Kernkraft" genannt. Später sollten sich die elektromagnetische und die schwache Wechselwirkung ("schwache Kernkraft") voneinander lösen.

Dazwischen aber blies sich der Kosmos, zuvor um vieles winziger als ein Atomkern, auf Metergröße auf. Das war, als würde sich ein Bakterium urplötzlich in ein Lebewesen groß wie unsere Galaxis verwandeln. Der US-Physiker Alan Guth stellte dieses Modell der Kosmischen Inflation im Jahr 1980 vor.

Materie kann sich relativ zum Raum nicht schneller bewegen als das Licht. Der Kosmos selbst darf dieses Höchsttempo aber überschreiten. Die Inflation begann eine Milliardstel-Milliardstel-Milliardstel-Milliardstel-Sekunde nach dem Urknall. Sie war in ähnlich knapper Zeit auch wieder zu Ende.

Noch in der ersten Sekunde entstanden die Protonen, Neutronen und Elektronen. Dann verwandelte sich ein Teil des allgegenwärtigen Wasserstoffs in Helium. Diese allererste Kernfusion währte zwar nur kurz, erklärt aber den hohen Heliumanteil im Universum. Bei weniger als einer Million Grad Celsius lag danach alles Gas als Plasma vor: Der Hitze wegen schossen die Elektronen viel zu rasch dahin, um sich an Atomkerne zu binden. Die im Feuerball entstandenen Photonen ("Lichtteilchen") kamen daher nicht weit. Sie wurden fortwährend an den freien Elektronen gestreut. Das Universum war so undurchsichtig, als stünde man im dichtesten Nebel.

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Dokument erstellt am 2014-04-30 17:26:06
Letzte ─nderung am 2014-05-02 13:56:18



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