Was verrät uns die Hintergrundstrahlung?

Der Anfang von Allem

Das anfänglich punktförmige Universum dehnte sich rasch aus und kühlte sich dadurch ab. Nach etwa drei Minuten betrug die Temperatur noch etwa 1 Milliarde Kelvin und das Universum bestand aus einem Plasma von Wasserstoffkernen, Heliumkernen und freien Elektronen. Ein heisses Plasma emittiert Strahlung, aber da die Elektronen noch nicht an die Atomkerne gebunden waren, konnte sich diese Strahlung nicht ausbreiten.

Die Entwicklung des Universums

Bild: National Science Foundation (original File:HistoryOfUniverse-BICEP2-20140317.png)
Yinweichen (vectorisation File:History of the Universe.svg)
Whidou & Simon Villeneuve (translation & cropping)

380’000 Jahr nach dem Urknall war die Temperatur auf etwa 3’000 Kelvin gesunken, die Elektronen wurden an die Atome gebunden und die Strahlung konnte sich im deshalb nun durchsichtigen Universum ausbreiten. Diese sogenannte Hintergrundstrahlung (2.75 Kelvinstrahlung) lässt sich heute noch nachweisen.

Vom Zeitpunkt der Freisetzung der Hintergrundstrahlung bis heute haben sich aufgrund der Expansion des Universums alle Abstände um den Faktor 1089 vergrössert.

Auch die Temperatur des Universums sank in dieser Zeit um den Faktor 1‘089.
(3‘000 Kelvin / 1‘089 = 2.75 Kelvin)

Mit Hilfe der Raumsonde Planck wurde die Hintergrundstrahlung sehr genau vermessen.

Bild: ESA

Aus den gemessenen Temperaturschwankungen kann direkt auf den Dichteunterschied in der Materie im damaligen Universum (Wasserstoff-Helium-Gemisch) geschlossen werden.

Das Bild oben zeigt deshalb nicht nur die Temperaturverteilung an, sondern auch die Verteilung der Materie im «Urgas» des Universums, 380‘000 Jahre nach dem Urknall.

Die anfänglich leicht dichteren Regionen hatten die Tendenz zur weiteren Komprimierung, wodurch sie sich etwas aufheizten und damit Strahlung von ebenfalls geringfügig höherer Temperatur freisetzten.
Somit sind die Bereiche höherer Temperatur auch die Bereiche höherer Dichte. An diesen Stellen bildeten sich später Sterne, Galaxien, Galaxienhaufen, Galaxiensuperhaufen.

Aus den kühleren, weniger dichten Stellen wurden durch die nahe gelegenen dichteren Regionen zusätzlich noch Materie herausgezogen. Sie wurden dadurch mit der Zeit immer leerer. Auf diese Weise sind die riesigen Leerräume (Voids) im Kosmos entstanden.

Aus den Dichtefluktuationen der Materie im Universum vor 13.79962 Milliarden Jahren bildeten sich die heutigen grossräumigen Strukturen des Universums.

Supergalaxienhaufen und Voids

Bild: Wikipedia

Aus der kosmischen Hintergrundstrahlung und deren minimalen Ungleichförmigkeit lassen sich weitere Informationen ableiten.

  • Die Anteile der normalen Materie, der dunklen Materie und der dunklen Energie im Universum.
  • Die Geometrie des Universums. Ist unser Universum flach oder gekrümmt?
  • Dehnt sich unser Universum immer weiter aus? Verlangsamt sich die Expansion oder stoppt die Expansion und kollabiert anschliessend das Universum?

Astronomie und Kosmologie mit Andi Stöckli:

Beitrag 1: Spektrum der elektromagnetischen Wellen  | Beitrag 2: Sind die Farben der Hubble-Teleskop-Bilder «echt»? | Beitrag 3: Was verrät uns die Hintergrundstrahlung?

All diese Fragestellungen werden im Lehrgang Astronomie, Astrophysik und Kosmologie an der Volkhochschule Zürich ausführlich besprochen.

 

Andi Stöckli bei VHS

Andi Stöckli

Nach dem Diplom als Elektroingenieur am Technikum Winterthur studierte Andi Stöckli Physik an der ETH Zürich und schloss das Studium 1979 ab. Im Folgejahr erwarb er den Befähigungsausweis für das höhere Lehramt an der ETH. 1992 wurde Andi Stöckli zum Hauptlehrer für Physik an der Kantonalen Maturitätsschule für Erwachsene gewählt. Der passionierte Physiker veranschaulicht komplexe Sachverhalte sehr verständlich und begeistert das Publikum mit seiner Leidenschaft für Physik und insbesondere für Astrophysik, Astronomie und Kosmologie.

Anmeldung: Lehrgang «Astronomie, Astrophysik und Kosmologie»
Webseite: www.kosmologien.ch