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Montag, 01.05.2017
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Licht aus dem Ur-Plasma

Wie die Hintergrundstrahlung entstand

Heute – mehr als 50 Jahre nach ihrer Entdeckung – ist klar: Die kosmische Hintergrundstrahlung ist tatsächlich ein physikalisches Fossil – eine Art Kinderportrait des Universums. Denn diese Strahlung entstand nur rund 380.000 Jahre nach dem Urknall.

Durch das Ur-Plasma – vor der Entstehung der ersten Atome – war das Universum hell, aber trüb. Hier eine Simulation eines 10 Grad großen AUsschnitts aus diesem Plasma.

Zu dieser Zeit kühlte sich das heiße Plasmagemisch der ersten Zeit allmählich bis auf rund 3.000 Grad Celsius ab und erlebte einen entscheidenden Wandel: Die zuvor frei umherfliegenden Atomkerne fingen freie Elektronen ein und bildeten erstmals Atome.

Aus trüb wird transparent


Die Geburt der Atome hatte auch für die Strahlung im Ur-Universum Konsequenzen: Bis dahin wurden die Photonen ständig an den frei umherrasenden Elektronen gestreut. Dadurch erschien der gesamte Kosmos trüb. Nach dem Einfangen der Elektronen jedoch konnte sich die elektromagnetische Strahlung nahezu ungehindert im Raum bewegen.

Die Folge: Das Universum wurde erstmals transparent – und setzte das erste Licht frei. Noch ging dieses Licht nicht von Sternen oder anderen punktuellen Quellen aus – diese entstanden erst Millionen Jahre später. Dafür aber haben sich die Überreste dieser Ur-Strahlung bis heute erhalten – in der kosmischen Hintergrundstrahlung. Diese Strahlung hat allerdings nicht mehr die gleiche kurze Wellenlänge wie einst, sondern ist in den Mikrowellenbereich verschoben.

Dies ist bisher genaueste Karte der kosmischen Hintergrundstrahlung, erstellt auf Basis von Daten des Planck-Satelliten.

Dies ist bisher genaueste Karte der kosmischen Hintergrundstrahlung, erstellt auf Basis von Daten des Planck-Satelliten.

400 Photonen pro Kubikzentimeter


Immerhin noch rund 400 Photonen der kosmischen Ur-Strahlung gibt es noch heute in jedem Kubikzentimeter des Weltraums. Vor dem Beginn des digitalen Fernsehzeitalters konnte jeder sogar ein kleines Bisschen dieser kosmischen Urstrahlung ganz bequem vom Sofa aus sehen: auf dem Fernseher. Denn das typische Bildrauschen nach Sendeschluss oder auf unbelegten Kanälen bestand zu immerhin rund einem Prozent aus den Signalen der kosmischen Hintergrundstrahlung.

Die kosmische Hintergrundstrahlung ist wie eine Art kosmische Tapete nahezu gleichmäßig im Universum verteilt und lässt sich überall und in allen Richtungen nachweisen. Allerdings: Ganz exakt ist diese Gleichförmigkeit nicht, wie bereits Anfang der 1990er Jahre der COBE-Satellit der NASA nachwies. Betrachtet man einzelne Ausschnitte der Mikrowellen-"Tapete" genauer, dann zeigen sich winzige Unterschiede, sogenannte Anisotropien: Einige Bereiche sind wenige hunderttausendstel Grad kühler, andere wärmer.

Diese Karte der kosmischen Hintergrundstrahlung zeigt einige der rätselhaften Anomalien

"Tapete" mit bunten Flecken


Doch auch das bunte Fleckenmuster ist nicht ganz gleichmäßig und symmetrisch, wie Messungen des Planck-Satelliten der ESA im Jahr 2013 enthüllten: In der südlichen Himmelshemisphäre scheint der Mikrowellen-Hintergrund im Mittel etwas wärmer zu sein als in Norden.

Außerdem gibt es dort einen rätselhaften kalten Fleck in der Hintergrundstrahlung – eine riesige Zone ungewöhnlich kühler Temperaturen. "Die Erklärungen dafür reichen von einem statistischen Fehler bis hin zu bisher unentdeckter Physik", erklärt Istvan Szapudi von der University of Hawaii in Manoa.
Nadja Podbregar
Stand: 21.04.2017
 
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