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Kosmische Mikrowellen-Hintergrundstrahlung: Wie beweist sie die Urknalltheorie?
Der kosmische Mikrowellenhintergrund (CMB), auch Reststrahlung genannt, ist Mikrowellenstrahlung, die jeden Winkel des beobachtbaren Universums ausfüllt. Wenn wir mit herkömmlichen optischen Teleskopen in die Lücken zwischen Sternen und Galaxien blicken, ist fast kein Licht sichtbar. Bei Verwendung empfindlicher Radioteleskope entsteht jedoch ein schwaches Hintergrundglühen, das nahezu gleichmäßig ist und keinem Stern oder keiner Galaxie zugeordnet ist. Dieses Leuchten ist im Mikrowellenbereich am stärksten.
Die Entdeckung der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung markiert eine neue Stufe in unserem Verständnis des Ursprungs des Universums und stützt die Kernanschauung der Urknalltheorie.
1965 entdeckten die amerikanischen Radioastronomen Arno Penzias und Robert Wilson zufällig die kosmische Mikrowellen-Hintergrundstrahlung, die auch eine Reihe wissenschaftlicher Forschungen seit den 1940er Jahren zusammenfasste. Nach dem Urknallmodell des Universums war das Universum in seinen frühesten Tagen mit einem dichten, heißen Plasmanebel aus subatomaren Teilchen gefüllt. Als sich das Universum ausdehnte, kühlte sich dieses Plasma so weit ab, dass sich die Atome zu neutralem Wasserstoff verbanden.
Sobald diese Atome gebildet sind, wird das Universum keine Wärmestrahlung mehr durch Thomson-Streuung streuen und transparent werden. Dieser Vorgang wird Rekombinationsperiode genannt und die freigesetzten Photonen dringen dann vollständig in jeden Winkel des Universums ein.
Aufgrund der anhaltenden Expansion des Universums erfahren diese Photonen jedoch eine kosmische Rotverschiebung und werden weniger energiereich.
Die Existenz und relative Gleichmäßigkeit der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung sind zu wichtigen Beweisen für das Urknallmodell geworden.
Von der Entdeckung bis zur Etablierung eines theoretischen Modells
Die ursprüngliche Entdeckung des CMB löste eine heftige Debatte aus, wobei viele Wissenschaftler andere mögliche Erklärungen vorschlugen, etwa Energie aus dem Sonnensystem, Strahlung von Galaxien und Strahlung von mehreren Radioquellen im Universum. Wissenschaftler müssen nachweisen, dass der Zusammenhang zwischen der Intensität und Frequenz dieser Mikrowellenstrahlung mit den Eigenschaften einer Wärmequelle oder eines schwarzen Körpers übereinstimmt. Dieser Wunsch wurde 1968 verwirklicht.
Außerdem ist die Gleichmäßigkeit der Lichtstrahlung in alle Richtungen einer der zentralen Forschungspunkte. 1970 wurde schließlich nachgewiesen, dass diese Strahlung tatsächlich einen kosmischen Ursprung hat.
Eigenschaften der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung
Die kosmische Mikrowellen-Hintergrundstrahlung weist ein Schwarzkörperspektrum von etwa 2,725 K auf, dessen Gleichmäßigkeit in scharfem Kontrast zur fast punktförmigen Struktur von Sternen oder Galaxien steht. Es wurde gemessen, dass der CMB eine Gleichmäßigkeit von etwa 1/25.000 in alle Richtungen aufweist, mit einer quadratischen Mittelwertschwankung von 100 Mikrokelvin. Während die winzigen Unterschiede im CMB schwer fassbar sind, können viele Details mit hoher Präzision gemessen werden, was für kosmologische Theorien von entscheidender Bedeutung ist.
Beobachtungsdaten des CMB liefern uns wichtige Informationen über die physikalischen Eigenschaften des frühen Universums.
Mit weiteren Experimenten haben Wissenschaftler diese Temperaturungleichmäßigkeiten mithilfe zahlreicher bodengestützter und weltraumgestützter Experimente wie COBE, WMAP und Planck gemessen. Diese Messungen offenbaren charakteristische Strukturen im CMB, die mit den verschiedenen Wechselwirkungen von Materie und Photonen vor der Rekombination zusammenhängen und zu spezifischen Blockmustern führen, die mit dem Winkel variieren. Der Teil des Spektrums dieser Ungleichmäßigkeitsverteilungen stellt das Leistungsspektrum dar und zeigt eine Reihe von Spitzen und Tälern.
Fazit: Aufklärung durch CMB
Die Existenz der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung ist nicht nur zu einem wichtigen Beweis für die Urknalltheorie geworden, sondern ermöglicht uns auch ein klareres Verständnis des Ursprungs und der Entwicklung des Universums. Sie ermöglicht uns auch zu verstehen, wie sich das Universum entwickelt hat Von einem weißglühenden Zustand zur heutigen Form. Können wir durch kontinuierliche eingehende Forschung in zukünftigen Beobachtungen mehr Geheimnisse des Universums enthüllen und so unsere Position und Rolle besser verstehen?
