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Hintergrundstrahlung
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Aus jedem Bereich des Himmels kann elektromagnetische Strahlung nachgewiesen werden. Die Strahlung im Mikrowellenbereich wird kosmische Hintergrundstrahlung – auch Drei-Kelvin-Strahlung, engl. cosmic microwave background (CMB) − genannt. Hintergrundstrahlung wurde bisher im Mikrowellenbereich des elektromagnetischen Spektrums, im Röntgenbereich und im fernen Infrarot beobachtet. Je nach dem beobachteten Energiebereich kann man verschiedene Quellen der Hintergrundstrahlung ausmachen.
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Kosmischer Mikrowellenhintergrund
Die bekannteste Hintergrundstrahlung ist die kosmische Mikrowellenstrahlung oder Cosmic Microwave Background Radiation (CMBR). Nach heutiger Vorstellung gilt sie als Beleg für die Urknalltheorie und stammt aus der Zeit etwa 380.000 Jahre [1] nach dem Urknall, als die Materie so weit abgekühlt war, dass sie vom ionisierten in den neutralen Zustand überging. Zu diesem Zeitpunkt bildeten Protonen und Elektronen elektrisch neutralen Wasserstoff, was in der Physik als Rekombination bezeichnet wird. Dadurch hatten die Photonen keinen Streupartner mehr und konnten entweichen. (Das Fehlen freier Elektronen und Protonen führte dazu, dass Thomson-Streuung nicht mehr möglich war. Das ist der Grund für die Entkopplung der Photonen.) Vor diesem Zeitpunkt standen Strahlung und Materie im Temperaturgleichgewicht bei zuletzt etwa 3000 Kelvin. Danach kühlte sich die Hintergrundstrahlung unabhängig von der Materie mit der Expansion des Universums weiter ab. Sie ist eine echte 'Hintergrundstrahlung', die aus jeder Richtung des Himmels kommt und nicht durch Überlagerung einzelner Quellen wie Galaxien entsteht. Daher kann der Mikrowellenhintergrund als Abbild des frühen Universums aufgefasst werden. Die Strahlung hat das fast perfekte Intensitätsprofil eines schwarzen Körpers mit einer Temperatur von heute (2,725 ± 0,002) Kelvin. Das Maximum liegt im Millimeterwellenbereich. Die Rotverschiebung der Hintergrundstrahlung beträgt z = 1089 ± 0,1%. Jeder Kubikzentimeter des Vakuums des Weltraums enthält durchschnittlich 400 Photonen der Hintergrundstrahlung.
Die Mikrowellenhintergrundstrahlung wurde in den 1940ern von George Gamow, Ralph Alpher und Robert Herman als Folge eines Urknalls vorhergesagt. Die Entdeckung erfolgte aber zufällig 1964 durch Arno Penzias und Robert Woodrow Wilson beim Test einer neuen empfindlichen Antenne, die für Experimente mit künstlichen Erdsatelliten gebaut worden war. Penzias und Wilson erhielten für diese Entdeckung den Physiknobelpreis 1978.
Anisotropien im Mikrowellenhintergrund
Der Mikrowellenhintergrund ist sehr gleichförmig (Grund dafür ist die sogenannte Silk-Dämpfung, die die Strahlung während des Urknalls homogenisiert hat). Die stärkste Abhängigkeit von der Beobachtungsrichtung ist nur etwa 0,1% und entsteht durch die Bewegung unserer Milchstraße (und damit der Erde) relativ zum Mikrowellenhintergrund, in Richtung auf den großen Attraktor. Die Entdeckung sehr viel schwächerer Temperaturschwankungen (ca. 0,001%) in kleineren Bereichen durch den Satelliten COBE war ein Durchbruch in der Beobachtung des frühen Universums. Weitere Untersuchungen durch bodengebundene Experimente, Ballonteleskope und besonders die Raumsonde WMAP haben die Stärke dieser Temperaturschwankungen in Abhängigkeit von ihrer Winkelausdehnung am Himmel noch wesentlich besser charakterisiert. Ab 2008 soll die europäische Raumsonde Planck die Strahlung mit noch dreifach höherer Auflösung vermessen - bei besserer Ausblendung von Störstrahlung. Die Temperaturschwankungen gehören zu den zur Zeit wichtigsten Messgrößen der Kosmologie und der Bildung von Strukturen im frühen Universum.
Röntgenhintergrund
Sehr früh in der Geschichte der Röntgenastronomie wurde 1962 durch Riccardo Giacconi und Mitarbeiter ein kosmischer Röntgenhintergrund entdeckt. Nach heutiger Vorstellung ist er kein echter Hintergrund, sondern entsteht durch die Überlagerung der Emission sehr vieler aktiver galaktischer Kerne, deren genaue Eigenschaften aber noch untersucht werden. Im Energiebereich von 1-10 keV ist durch ROSAT, XMM-Newton und Chandra der größte Teil des Röntgenhintergrunds in solche Einzelquellen aufgelöst worden, bei höheren Energien steht dies noch aus.
Infrarothintergrund
Mit den Daten des DIRBE-Experiments auf COBE wurde 1996 ein extragalaktischer Hintergrund im fernen Infrarot entdeckt. Er entsteht vermutlich durch die Überlagerung der Emission vieler ferner Infrarotgalaxien. Tatsächlich konnten mit dem Infrared Space Observatory etwa 10% dieses Hintergrunds in einzelne Galaxien aufgelöst werden. Mit dem Herschel Space Observatory soll das für über die Hälfte des Hintergrunds gelingen.
Ungelöste Probleme
Analysiert man die kosmische Hintergrundstrahlung, indem man sie ähnlich wie Schallwellen in harmonische Komponenten, so genannte Schwingungsmoden, zerlegt (siehe hierzu als Analogon die Fourier-Analyse), so fällt auf, dass einige Komponenten im Vergleich zu den Vorhersagen des Standardmodells (siehe hierzu Kosmologie oder Urknall) zu stark, andere zu schwach vertreten sind. Die kosmische Hintergrundstrahlung ist also gewissermaßen "verstimmt".
Bei der dreidimensionalen Zerlegung der aus allen Raumrichtungen kommenden Hintergrundstrahlung in Kugelfunktionen stimmen die Messdaten deutlich erkennbar nicht mit der Theorie überein. So ist die Hintergrundstrahlung für große Winkel (ab 60°) offenbar doch nicht richtungsunabhängig, obwohl das eine Grundlage des Standardmodells ist. Weiterhin ist die Intensität auch nicht statistisch verteilt (als gaußsche Glockenkurve), sondern weicht bei niedrigen Schwingungsmoden stark davon ab.
Es bleibt zu untersuchen, ob diese Unstimmigkeiten messtechnischer Art sind (Messungenauigkeit oder bei der Messung unbeachtete oder unbekannte Effekte wie eine bislang unbekannte Vordergrundstrahlung) oder ob der Fehler am Modell liegt. Vergleichsmessungen verschiedener Forschungsteams weisen aber auf die überraschende Einsicht hin, dass die Probleme nicht in den Messwerten, sondern durchaus in der Theorie, also dem Standardmodell, begründet sein könnten.
Theorie und Beobachtung könnten aber vielleicht doch problemlos zusammenpassen, nämlich unter der Annahme, das Universum hätte eine geschlossene Form. Dann würde die Hintergrundstrahlung vielleicht stehende Wellen bilden können, wodurch die obigen Unzulänglichkeiten erklärt werden könnten. Mittels der kosmischen Hintergrundstrahlung kann also noch so manches Geheimnis des Universums enthüllt werden.
Quellen
Literatur
- Gerhard Börner, Matthias Bartelmann: Astronomen entziffern das Buch der Schöpfung. Physik in unserer Zeit 33(3), S. 114 - 120 (2002), ISSN 0031-9252
- G.D. Starkman, D.J. Schwarz: Missklänge im Universum. In: Spektrum der Wissenschaft 12/05, S. 30ff
- siehe auch: Physik Journal 4 (2005), Nr.2 S.22
Video
- RealVideo: Was ist Hintergrundstrahlung? (aus der Fernsehsendung Alpha Centauri)
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Siehe auch
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