Hintergrundstrahlung, eine aus allen Himmelsrichtungen einfallende elektromagnetische Strahlung im Mikrowellenbereich.
Vom COBE-Satelliten gemessene
Fluktuationen der Hintergrundstrahlung (NASA)
Die Hintergrundstrahlung wurde 1964 durch Zufall von den Physikern Robert Wilson und Arno Penzias von der Bell Telephone Company beim Test einer Satellitenantenne entdeckt. Zuerst hielten sie es für Vogeldreck auf der Antenne, später erhielten sie dafür den Nobelpreis (1978). Die Strahlung entpuppte sich als der erste direkte Beleg für die in den 1940er Jahren aufgestellte ►Urknall-Theorie.
Nach dieser Theorie wurde das ►Universum etwa 380.000 Jahre nach seiner Entstehung durch die Kombination von Protonen und Elektronen zu neutralen Wasserstoffatomen durchsichtig. Strahlung konnte daher in alle Richtungen entweichen und das Universum gleichmäßig erfüllen. Das Universum - und damit auch dessen Strahlung - hatte zum damaligen Zeitpunkt eine Temperatur von 3000 Kelvin (2700 Grad Celsius). Diese Temperatur entspricht einer gelbroten Lichtfarbe. Da sich aber der Raum ständig ausdehnte, vergrößerte sich auch ständig die Wellenlänge der Hintergrundstrahlung, was einer Verschiebung weiter in den Rotbereich und einem Absinken ihrer Temperatur entspricht. In den 13,7 Milliarden Jahren seit dem Urknall ist die Temperatur der Hintergrundstrahlung auf -270 Grad Celsius abgesunken und liegt nur noch 2,7 Grad über dem absoluten Nullpunkt. Die Ausdehnung ihrer Wellenlänge bewirkte eine extreme ►Rotverschiebung um den Faktor 1089, so dass die Strahlung heute längst nicht mehr sichtbar, sondern nur mit Radioantennen messbar ist.
Die Wellenlänge der Hintergrundstrahlung ist in allen Richtungen des Universums fast gleich. Die stärkste Schwankung von etwa 0.1% entsteht durch einen Dopplereffekt, die aus der Bewegung unserer Milchstraße in Richtung auf den ►Großen Attraktor herrührt. Abgesehen davon weist die Hintergrundstrahlung nur extrem geringe Schwankungen von etwa 0.001% auf. Diese Gleichförmigkeit ist ein Hinweis auf eine extrem schnelle 'inflationäre' Ausdehnung des Raums in der Frühphase des Urknalls.
Wegen der Rückschlüsse, die wir auf die Struktur und die Frühzeit des Universums ziehen können, ist die möglichst präzise Messung der Hintergrundstrahlung wichtig für die Physik. Die NASA-Sonden COBE und WMAP messen die Strahlung seit 1990 bzw. seit 2001. Von besonderer Bedeutung sind dabei die geringfügigen räumlichen Schwankungen in der Strahlungstemperatur, die man als Flecken in der obigen Abbildung sieht. Aus diesen Schwankungen lässt sich erkennen, ob unser Universum gekrümmt oder flach (s. ►Parallelen) ist. Die Analyse der Daten von den Raumsonden erbrachte eine Bestätigung der Flachheit und damit indirekt auch der Unendlichkeit des Universums. Sie lieferte aber auch ein rätselhaftes Resultat, das mit keiner der bisherigen Theorien befriedigend erklärbar ist.
Das Rätsel der fehlenden Obertöne
Die räumlichen Schwankungen der Temperatur rühren von Plasmaschwingungen zum Zeitpunkt der Trennung von Materie und Strahlung ca. 380000 Jahre nach dem ►Urknall her. Hierbei gibt es verschiedene Schwingungsarten, ähnlich wie bei einer angezupften Gitarrensaite. Eine Saite kann auf ihrem Grundton, aber auch auf Obertönen schwingen (s. Abbildung). Der Grundton entspricht einem 'Schwingungs-Bauch' der Saite auf ihrer ganzen Länge, der erste Oberton zwei Schwingungsbäuchen, der zweite drei und so weiter.
Das tatsächliche Aussehen der schwingenden Saite ist eine Kombination aus dem Grundton und den verschiedenen Obertönen. Ganz ähnlich verhielt es sich mit dem schwingenden Plasma* aus Protonen und Elektronen in der Anfangszeit des Universums. Hierbei spielen Gravitation und Strahlungsdruck die gleiche Rolle wie die Spannung der Gitarrensaite. Diese Schwingungen prägten sich der Dichte des Plasmas und damit auch der Strahlungsenergie auf. Sie sind daher noch heute als Temperatur- bzw. Wellenlänge-Schwankungen der Hintergrundstrahlung sichtbar. So wie bei der Gitarrensaite die Stärke der einzelnen Obertöne von Länge, Spannung und Material der Saite bestimmt werden, ergeben sich die Schwingungsformen des Urplasmas aus der ►Metrik des Universums, also aus seiner Krümmung und Ausdehnungsgeschwindigkeit. Die über tausend 'Obertöne', die die WMAP-Sonde in der Hintergrundstrahlung gemessen hat, entsprechen fast exakt der Urknall-Theorie mit einem nicht gekrümmten, d.h. euklidischen Universum.
Allerdings nur fast. Denn zwei Obertöne, nämlich der zweite und dritte, produzieren einen Missklang im kosmischen Orchester. Die gemessenen Werte für die Stärke dieser Obertöne sind etwas geringer, als sie sein sollte**. Zurzeit kann man dieses Ergebnis noch nicht befriedigend erklären. Zwar könnte man sich eine bestimmte Metrik des Universums ausdenken, die mit den Messungen übereinstimmt, doch ein solches gewaltsames Zurechtbiegen der Theorie überzeugt die Wissenschaftler nicht. Eine andere Möglichkeit wäre ein Messfehler oder eine noch unbekannte Strahlungsquelle im All, die die Werte verfälscht. Auch dies gilt jedoch als unwahrscheinlich. Vielleicht wird die europäische Raumsonde Planck, die im Mai 2009 gestartet wurde und die Strahlung noch einmal mit dreimal höherer Auflösung vermessen soll, zur Lösung des Rätsels beitragen.
* Ein Plasma ist ein Gas mit einer hohen Temperatur, in dem Elektronen nicht mehr an die Atomkerne gebunden sind.
** Starkman, Schwarz, Missklänge im Universum, Spektrum 12/2005