Was ist der kosmische Mikrowellenhintergrund?
Seit Tausenden von Jahren betrachtet der Mensch das Universum und versucht, sein wahres Ausmaß zu bestimmen. Und während alte Philosophen glaubten, dass die Welt aus einer Scheibe, einem Zickzack oder einem Würfel bestand, der von himmlischen Ozeanen oder einer Art Äther umgeben war, öffnete die Entwicklung der modernen Astronomie ihre Augen für neue Grenzen. Jahrhundert begannen Wissenschaftler zu verstehen, wie groß (und vielleicht sogar endlos) das Universum wirklich ist.,
Und während wir weiter in den Weltraum und tiefer in die Zeit zurückblicken, haben Kosmologen einige wirklich erstaunliche Dinge entdeckt. In den 1960er Jahren wurden Astronomen beispielsweise auf Mikrowellenhintergrundstrahlung aufmerksam, die in alle Richtungen nachweisbar war. Die Existenz dieser Strahlung, die als kosmischer Mikrowellenhintergrund (CMB) bekannt ist, hat dazu beigetragen, unser Verständnis darüber zu vermitteln, wie das Universum begann.
Beschreibung:
Die CMB ist im Wesentlichen elektromagnetische Strahlung, die von der frühesten kosmologischen Epoche übrig bleibt, die das gesamte Universum durchdringt., Es wird angenommen, dass es sich etwa 380.000 Jahre nach dem Urknall gebildet hat und subtile Hinweise darauf enthält, wie sich die ersten Sterne und Galaxien gebildet haben. Während diese Strahlung mit optischen Teleskopen unsichtbar ist, können Radioteleskope das schwache Signal (oder Leuchten) erkennen, das im Mikrowellenbereich des Funkspektrums am stärksten ist.
Der CMB ist in einer Entfernung von 13, 8 Milliarden Lichtjahren in alle Richtungen von der Erde aus sichtbar, was Wissenschaftler dazu veranlasst, festzustellen, dass dies das wahre Alter des Universums ist. Es ist jedoch kein Hinweis auf das wahre Ausmaß des Universums., Angesichts der Tatsache, dass sich der Raum seit dem frühen Universum in einem Expansionszustand befindet (und sich schneller ausdehnt als die Lichtgeschwindigkeit), ist der CMB nur der am weitesten entfernte Zeitpunkt, den wir sehen können.
Beziehung zum Urknall:
Die CMB ist zentral für die Urknalltheorie und moderne kosmologische Modelle (wie das Lambda-CDM-Modell). Wie die Theorie sagt, als das Universum vor 13, 8 Milliarden Jahren geboren wurde, wurde die gesamte Materie auf einen einzigen Punkt unendlicher Dichte und extremer Hitze kondensiert. Aufgrund der extremen Hitze und Dichte der Materie war der Zustand des Universums sehr instabil., Plötzlich begann sich dieser Punkt zu erweitern, und das Universum, wie wir es kennen, begann.
Zu dieser Zeit war der Raum mit einem gleichmäßigen Leuchten weißglühender Plasmateilchen gefüllt-die aus Protonen, Neutronen, Elektronen und Photonen (Licht) bestanden. Zwischen 380.000 und 150 Millionen Jahre nach dem Urknall interagierten die Photonen ständig mit freien Elektronen und konnten keine großen Entfernungen zurücklegen. Daher wird diese Epoche umgangssprachlich als „Dunkles Zeitalter“bezeichnet.,
Als sich das Universum weiter ausdehnte, kühlte es bis zu dem Punkt ab, an dem Elektronen sich mit Protonen zu Wasserstoffatomen kombinieren konnten (aka. die Rekombinationszeit). In Abwesenheit von freien Elektronen konnten sich die Photonen ungehindert durch das Universum bewegen und es erschien wie heute (d. H. Transparent und von Licht durchdrungen). In den dazwischen liegenden Milliarden von Jahren dehnte sich das Universum weiter aus und kühlte sich stark ab.,
Durch die Ausdehnung des Raumes wuchsen die Wellenlängen der Photonen auf etwa 1 Millimeter und ihre effektive Temperatur sank auf knapp über den absoluten Nullpunkt-2,7 Kelvin (-270 °C; -454 °F). Diese Photonen füllen heute das Universum und erscheinen als Hintergrundglühen, das im fernen Infrarot und in Radiowellenlängen detektiert werden kann.
Studiengeschichte:
Die Existenz des CMB wurde erstmals 1948 vom ukrainisch-amerikanischen Physiker George Gamow zusammen mit seinen Studenten Ralph Alpher und Robert Herman theoretisiert., Diese Theorie basierte auf ihren Studien über die Folgen der Nukleosynthese von Lichtelementen (Wasserstoff, Helium und Lithium) während des sehr frühen Universums. Im Wesentlichen erkannten sie, dass das frühe Universum extrem heiß sein musste, um die Kerne dieser Elemente zu synthetisieren.
Sie theoretisierten weiter, dass die übrig gebliebene Strahlung aus dieser extrem heißen Periode das Universum durchdringen würde und nachweisbar wäre. Aufgrund der Ausdehnung des Universums schätzten sie, dass diese Hintergrundstrahlung eine niedrige Temperatur von 5 K (-268 °C; -450 °F) haben würde – nur fünf Grad über dem absoluten Nullpunkt – was Mikrowellenwellenlängen entspricht. Erst 1964 wurden die ersten Beweise für die CMB entdeckt.,
Dies war das Ergebnis der amerikanischen Astronomen Arno Penzias und Robert Wilson mit dem Dicke Radiometer, das sie für Radioastronomie und Satellitenkommunikationsexperimente verwenden sollten. Bei der ersten Messung stellten sie jedoch einen Überschuss von 4,2 K Antennentemperatur fest, den sie nicht berücksichtigen konnten und der nur durch das Vorhandensein von Hintergrundstrahlung erklärt werden konnte. Für ihre Entdeckung erhielten Penzias und Wilson 1978 den Nobelpreis für Physik.,
Anfangs war der Nachweis des CMB eine Quelle von Auseinandersetzungen zwischen Befürwortern verschiedener kosmologischer Theorien. Während Befürworter der Urknalltheorie behaupteten, dies sei die „Reliktstrahlung“, die vom Urknall übrig geblieben sei, argumentierten Befürworter der Stationären Theorie, dass dies das Ergebnis von gestreutem Sternenlicht aus fernen Galaxien sei. In den 1970er Jahren war jedoch ein wissenschaftlicher Konsens entstanden, der die Urknallinterpretation begünstigte.
In den 1980er Jahren legten bodengestützte Instrumente den Temperaturunterschieden des CMB immer strengere Grenzen. Dazu gehörten die sowjetische RELIKT-1-Mission an Bord des Satelliten Prognoz 9 (der im Juli von 1983 gestartet wurde) und die Mission NASA Cosmic Background Explorer (COBE) (die Ergebnisse der WHO wurden 1992 veröffentlicht). Für ihre Arbeit erhielt das COBE-Team 2006 den Nobelpreis für Physik.,
COBE detektierte auch den ersten akustischen Peak des CMB, akustische Schwingungen im Plasma, die großen Dichteschwankungen im frühen Universum entsprechen, die durch Gravitationsinstabilitäten erzeugt werden. Im Laufe des nächsten Jahrzehnts folgten viele Experimente, die aus Boden-und Ballonexperimenten bestanden, deren Zweck es war, genauere Messungen des ersten akustischen Peaks durchzuführen.
Der zweite akustische Peak wurde in mehreren Experimenten vorläufig nachgewiesen, jedoch erst endgültig nachgewiesen, als die Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) 2001 eingesetzt wurde., Zwischen 2001 und 2010, als die Mission abgeschlossen wurde, entdeckte WMAP auch einen dritten Höhepunkt. Seit 2010 überwachen mehrere Missionen die CMB, um verbesserte Messungen der Polarisation und kleine Dichteschwankungen zu ermöglichen.
Dazu gehören Bodenteleskope wie QUEST at DASI (QUaD) und das South Pole Telescope an der Amudsen-Scott South Pole Station sowie das Atacama Cosmology Telescope und das Q / U Imaging ExperimenT (QUIET) Teleskop in Chile. In der Zwischenzeit misst das Planck-Raumschiff der Europäischen Weltraumorganisation die CMB weiterhin aus dem Weltraum.,
Zukunft des CMB:
Nach verschiedenen kosmologischen Theorien kann das Universum irgendwann aufhören zu expandieren und sich umzukehren, was zu einem Zusammenbruch führt, gefolgt von einem weiteren Urknall – aka. die große Crunch-Theorie. In einem anderen Szenario, das als Big Rip bekannt ist, wird die Expansion des Universums schließlich dazu führen, dass alle Materie und die Raumzeit selbst auseinandergerissen werden.
Wenn keines dieser Szenarien korrekt ist und sich das Universum mit einer beschleunigten Geschwindigkeit weiter ausdehnt, wird der CMB bis zu dem Punkt weiter rot, an dem er nicht mehr nachweisbar ist., An diesem Punkt wird es vom ersten im Universum geschaffenen Sternenlicht überholt, und dann von Hintergrundstrahlungsfeldern, die durch angenommene Prozesse erzeugt werden, werden in der Zukunft des Universums stattfinden.
Wir haben hier bei Universe Today viele interessante Artikel über den kosmischen Mikrowellenhintergrund geschrieben. Hier ist, was ist die kosmische Mikrowellen-Hintergrundstrahlung?, Urknalltheorie: Evolution unseres Universums, Was war kosmische Inflation?, Die Suche nach dem frühesten Universum zu verstehen, bahnbrechende Entdeckung: Neue Ergebnisse liefern direkte Beweise für kosmische Inflation, und wie schnell ist das Universum expandiert? Hubble und Gaia arbeiten zusammen, um die bisher genauesten Messungen durchzuführen.
Weitere Informationen finden Sie auf der WMAP-Missionsseite der NASA und auf der Planck-Missionsseite der ESA.
Astronomie Cast hat auch Informationen zum Thema. Hören Sie hier: Episode 5-Der Urknall und kosmische Mikrowellen Hintergrund