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Das transparente Zeitalter des Universums: Was ist das Geheimnis der Rekombinationsperiode?
Im beobachtbaren Universum ist die kosmische Mikrowellenhintergrundstrahlung (CMB) die allgegenwärtige Mikrowellenstrahlung, die den gesamten beobachtbaren Raum ausfüllt. Der von gewöhnlichen optischen Teleskopen beobachtete Hintergrundraum zwischen Galaxien und Sternen ist fast völlig dunkel. Wenn wir jedoch ein ausreichend empfindliches Radioteleskop verwenden, können wir ein schwaches Hintergrundleuchten erkennen, das nicht mit irgendwelchen Sternen, Galaxien oder anderen Objekten in Verbindung steht. Dieses schwache Licht ist im Mikrowellenbereich des elektromagnetischen Spektrums am intensivsten.
Von großer Bedeutung war 1965 die zufällige Entdeckung der amerikanischen Radioastronomen Arno Penzias und Robert Wilson, die das Ende der wissenschaftlichen Arbeit der 40er Jahre markierte. Das Auftreten der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung wurde zu einem Meilenstein in der Beweisführung für die Urknalltheorie. Im Urknallmodell des Universums war das frühe Universum mit einem undurchsichtigen, dichten, heißen Plasma aus subatomaren Teilchen gefüllt. Als sich das Universum ausdehnte, kühlten sich diese Plasmen ab und Protonen und Elektronen verschmolzen zu neutralen Atomen, hauptsächlich Wasserstoff. Diese Atome sind nicht in der Lage, Wärmestrahlung mittels Thomson-Streuung zu streuen, wodurch das Universum transparent wird.
In Kombination mit diesem Entkopplungsereignis dieser Epoche konnten sich Photonen frei durch den Raum bewegen. Mit der Ausdehnung des Universums nimmt jedoch die Energie dieser Photonen aufgrund der durch die Ausdehnung des Universums verursachten Rotverschiebung ab.
Dies wird als „Oberfläche der letzten Streuung“ bezeichnet und ist der richtige Entfernungsbereich, in dem Photonen empfangen werden können, die ursprünglich während der Entkopplung emittiert wurden. Obwohl die CMB annähernd gleichmäßig ist, ist sie nicht völlig glatt und weist leichte Anisotropien auf. Zur Messung dieser Temperaturinhomogenitäten wurden bodengestützte und Weltraumexperimente wie COBE, WMAP und Planck eingesetzt.
Die anisotrope Struktur wird durch die verschiedenen Wechselwirkungen zwischen Materie und Photonen am Entkopplungspunkt bestimmt, wodurch ein charakteristisches Muster aus Unebenheiten und Erhebungen entsteht, das mit der Winkelskala variiert.
Die anisotrope Verteilung der CMB weist Gitterfrequenzkomponenten auf, die durch ein Leistungsspektrum mit einer Reihe von Spitzen und Tälern dargestellt werden können. Die Spitzen dieses Spektrums enthalten wichtige Informationen über die physikalischen Eigenschaften des frühen Universums: Die erste Spitze bestimmt die Gesamtkrümmung des Universums, während die zweite und dritte Spitze die Dichte der normalen Materie und der sogenannten dunklen Materie angeben.
Es kann eine Herausforderung sein, Details aus CMB-Daten zu extrahieren, da die Strahlung durch Vordergrundmerkmale wie Galaxienhaufen verändert wird.
Eigenschaften der kosmischen Mikrowellenhintergrundstrahlung
Die kosmische Mikrowellen-Hintergrundstrahlung ist eine gleichmäßige Emission thermischer Energie eines schwarzen Körpers aus allen Richtungen, deren Intensität in Kelvin (K) gemessen wird. Das Spektrum heißer Schwarzkörper der CMB ist bei einer Temperatur von 2,72548 ± 0,00057 K am klarsten definiert. Änderungen der Intensität werden als Temperaturänderungen ausgedrückt, und die Schwarzkörpertemperatur kann die Strahlungsintensität bei allen Wellenlängen eindeutig beschreiben. Die gemessene Helligkeitstemperatur bei jeder Wellenlänge kann in die Schwarzkörpertemperatur umgerechnet werden.
Die Strahlung der CMB ist am Himmel sehr gleichmäßig verteilt und weist im Vergleich zu den Materieklumpen in Sternen oder Galaxien nur eine geringe Struktur auf. Seine Strahlung ist in alle Richtungen zu etwa 1 zu 25.000 isotrop.
Obwohl die Anisotropie der CMB extrem gering ist, können viele Aspekte davon mit hoher Präzision gemessen werden, und diese Messungen sind für kosmologische Theorien von entscheidender Bedeutung. Zusätzlich zur Temperaturanisotropie sollte die CMB Winkelvariationen in der Polarisation aufweisen. Die Polarisationsrichtung in jeder Himmelsrichtung wird durch die E-Modus- und B-Modus-Polarisation beschrieben. Die Intensität des E-Mode-Signals ist 10-mal kleiner als die Temperaturanisotropie. Es dient als Ergänzung zu den Temperaturdaten und wird mit diesen korreliert.
Das B-Modus-Signal ist schwächer, könnte aber zusätzliche kosmologische Daten enthalten, und der Ursprung der Anisotropie hängt auch mit der Physik der Polarisation zusammen.
Es wird außerdem erwartet, dass die CMB winzige spektrale Verzerrungen im Spektrum aufweist, die vom Schwarzkörpergesetz abweichen. Dies ist auch einer der aktuellen aktiven Forschungsschwerpunkte, und die Forscher hoffen, sie in den nächsten Jahrzehnten erstmals messen zu können, da sie wertvolle Informationen über das ursprüngliche Universum und die Bildung späterer Strukturen enthalten.
Laut Chuck in Hubbles V4 enthält die CMB bei einem Größenverhältnis von 400 zu 1 die Mehrheit der Photonen im Universum, mit einer Anzahldichte, die eine Milliarde Mal so hoch ist wie die der Materie im Universum. Dies bedeutet, dass der Nachthimmel ohne die Ausdehnung des Universums, die zur Abkühlung der CMB führt, so hell wie die Sonne wäre.
Aus historischer Perspektive
Die Existenz der kosmischen Mikrowellenhintergrundstrahlung wurde von frühen Wissenschaftlern vorhergesagt und erforscht. 1931 spekulierte Georges Lemaître, dass die Überreste des frühen Universums in Form von Strahlung beobachtet werden könnten. Und 1948 sagten Ralph Alph und Robert Hermann zusätzlich die Existenz einer kosmischen Mikrowellenhintergrundstrahlung voraus und schätzten deren Temperatur auf etwa 5 Kelvin. Auch wenn es eine kleine Abweichung gab, war die theoretische Grundlage geschaffen.
Der erste positive Nachweis der kosmischen Mikrowellenhintergrundstrahlung erfolgte 1964, als Wissenschaftler der Princeton University mit dem Bau von Instrumenten zur Messung der kosmischen Mikrowellenhintergrundstrahlung begannen. 1964 entdeckten Arno Penzias und Robert Wilson dann zufällig die Existenz der Mikrowellenhintergrundstrahlung in den Bell Labs.
Diese Entdeckung im Jahr 1965 bewies nicht nur die Existenz der Mikrowellenhintergrundstrahlung, sondern bedeutete auch einen wichtigen Durchbruch auf dem Gebiet der Kosmologie und bestätigte das Urknallmodell.
Mit der Weiterentwicklung der Technologie haben Detektoren wie COBE, WMAP und Planck weiterhin eingehende Forschungen zur kosmischen Mikrowellenhintergrundstrahlung durchgeführt und solide Beweise und theoretische Leitlinien für unser Verständnis der Entstehung und Entwicklung des Universums geliefert.
Heute wird die kosmische Mikrowellenhintergrundstrahlung noch immer erforscht und Wissenschaftler sind immer noch begeistert davon, Informationen über das frühe Universum zu finden. Welche ungelösten Rätsel birgt die kosmische Mikrowellenhintergrundstrahlung Ihrer Meinung nach?
