Hintergrundstrahlung

Grundidee und Entstehung

Die kosmische Mikrowellenhintergrundstrahlung (CMB beziehungsweise CMBR), auch Drei-Kelvin-Strahlung genannt, erfüllt das gesamte Universum nahezu isotrop, also in allen Richtungen fast gleichförmig. Sie entstand kurz nach dem Urknall und ist ein wichtiger Beleg für die Urknalltheorie. Sie ist nicht mit der kosmischen Strahlung zu verwechseln.

Nach dem Urknall befanden sich Strahlung und Materie zunächst im thermischen Gleichgewicht. Durch die Expansion des Universums sanken Temperatur und Dichte. Nach etwa 380.000 Jahren und bei ungefähr 3000 Kelvin bildeten Protonen und Elektronen elektrisch neutralen Wasserstoff. Dieser Vorgang heißt Rekombination. Weil danach kaum noch freie Elektronen und Protonen vorhanden waren, konnten Photonen nicht mehr wesentlich durch Thomson-Streuung mit der Materie wechselwirken. Das Universum wurde durchsichtig; die damals freigesetzte Strahlung beobachten wir heute als Hintergrundstrahlung.

Bei ihrer Entstehung lag die Strahlung im sichtbaren Spektrum. Die weitere Expansion dehnte die Raumzeit und damit die Wellenlängen der Photonen. Durch diese Rotverschiebung erscheint die Strahlung heute im Mikrowellenbereich. Sie stammt nicht aus der Überlagerung einzelner Quellen wie Galaxien, sondern ist im gesamten Himmel vorhanden.

Wegen des früheren thermischen Gleichgewichts besitzt sie nahezu das perfekte Intensitätsspektrum eines Schwarzen Körpers, also einer Wärmestrahlung mit charakteristischem Spektrum. Ihre heutige Temperatur beträgt 2,725 (± 0,002) Kelvin. Die Rotverschiebung wird mit z = 1089 ± 1 angegeben. Im heutigen Weltraum befinden sich durchschnittlich etwa 400 Photonen der Hintergrundstrahlung pro Kubikzentimeter.

Vorhersage und Entdeckung

Eine Strahlung aus dem intergalaktischen Raum mit 2,8 K wurde bereits 1933 von Erich Regener vorhergesagt. In den 1940er-Jahren postulierten George Gamow, Ralph Alpher und Robert Herman die Strahlung als Folge des Urknalls, zunächst mit höheren Temperaturwerten.

Die eigentliche Entdeckung erfolgte 1964 zufällig durch Arno Penzias und Robert Woodrow Wilson. Beim Testen einer empfindlichen Antenne der Bell Labs in Holmdel, New Jersey, empfingen sie ein gleichmäßiges Störsignal, das sich als kosmische Mikrowellenstrahlung herausstellte. In derselben Ausgabe des Astrophysical Journal deuteten Robert Henry Dicke und weitere Wissenschaftler das Ergebnis als kosmische Schwarzkörperstrahlung. Penzias und Wilson erhielten dafür 1978 den Physiknobelpreis.

Bereits 1940/1941 hatte Andrew McKellar am Mount-Wilson-Observatorium Hinweise auf die Hintergrundstrahlung gefunden, indem er die Temperatur des Rotationsspektrums von CN-Molekülen im interstellaren Medium bestimmte. Die Bedeutung dieser Beobachtung wurde damals jedoch nicht erkannt. 1964 schlugen außerdem Doroschkewitsch und Nowikow in der UdSSR eine Beobachtung der Reliktstrahlung vor.

Messung und Spektrum

Da Penzias und Wilson zunächst nur bei einer Frequenz gemessen hatten, folgten Messungen bei vielen weiteren Frequenzen. Sie bestätigten, dass die Hintergrundstrahlung ein Schwarzkörperspektrum besitzt. Dieses hat einen charakteristischen glockenförmigen Verlauf. Das Intensitätsmaximum liegt bei einer Wellenzahl von ungefähr 5 cm⁻¹, entsprechend einer Wellenlänge von 2 mm und einer Frequenz von 150 GHz.

Erdgebundene Beobachtungen sind im Mikrowellenbereich wegen der atmosphärischen Absorption eingeschränkt. Deshalb wurde die Satellitenmission COBE durchgeführt. Hochempfindliche Empfänger erfassten die Rauschspannung bei möglichst vielen Frequenzen und aus möglichst vielen Richtungen. Wegen des breiten Frequenzbereichs mussten unterschiedliche Antennen und Empfänger verwendet werden; ihre Messwerte wurden normiert und in absolute Empfangsleistungen umgerechnet.

Außerdem mussten bekannte Vordergrundquellen wie der Krebsnebel und andere Supernovaüberreste für die verschiedenen Frequenzen modelliert und aus den Messungen herausgerechnet werden. Die verbleibenden Daten zeigen zunächst ein Dipolmuster: In der Bewegungsrichtung des Sonnensystems ist die Strahlung durch den Dopplereffekt blauverschoben und erscheint wärmer, in der Gegenrichtung rotverschoben und kühler. Daraus folgt eine Bewegung des Sonnensystems mit etwa 369 km/s gegenüber einem Bezugssystem, in dem die Hintergrundstrahlung isotrop ist. Nach Abzug dieses Dipols werden die Daten mit Modellkurven verglichen, die aus dem Planckschen Strahlungsgesetz berechnet werden. Die Kurve für 2,725 K passt am besten zu den Messpunkten.

Isotropie und Anisotropien

Die Hintergrundstrahlung ist über den gesamten Himmel sehr gleichförmig. Die stärkste Richtungsabhängigkeit beträgt etwa 0,1 % und entsteht hauptsächlich durch die Bewegung der Milchstraße beziehungsweise der Erde relativ zum Mikrowellenhintergrund. Diese Dipolanisotropie erlaubt es, die Eigenbewegung im Raum gegenüber der Hintergrundstrahlung zu bestimmen.

Schwächere Temperaturschwankungen auf kleineren Winkelskalen betragen ungefähr 0,001 %. Primäre Anisotropien entstehen bei der Freisetzung der Strahlung. Dazu gehören der Sachs-Wolfe-Effekt, bei dem Photonen aus überdichten Regionen eine Gravitationsrotverschiebung erfahren, die teilweise durch eine gravitationsbedingte Zeitdilatation ausgeglichen wird. Außerdem führen Dichteschwankungen zu Pekuliargeschwindigkeiten, also zusätzlichen Geschwindigkeiten der Materie neben der Expansion des Raumes. Erhöhte Baryonendichte kann durch baryonische akustische Oszillationen eine adiabatische Kompression und Erwärmung verursachen; wegen des thermischen Gleichgewichts werden dadurch auch Photonen energiereicher.

Sekundäre Anisotropien entstehen erst auf dem Weg der Photonen durch das spätere Universum. Freie Elektronen können Photonen durch Thomson-Streuung ablenken und dadurch Informationen über ursprüngliche Fluktuationen teilweise auslöschen. Beim Durchqueren von Potentialtöpfen, etwa in Galaxien und Galaxienhaufen, erfahren Photonen gravitative Blau- und Rotverschiebungen. Weil sich die Gesamtpotentiale verändern, bleibt ein Rest, der Integrierter Sachs-Wolfe-Effekt genannt wird. Gravitationsablenkung verschmiert außerdem die Anisotropien auf kleinen Winkelskalen. Beim Sunjajew-Seldowitsch-Effekt streuen Photonen an Elektronen im heißen Gas von Galaxienhaufen; ihre Energie und Frequenz steigen im Mittel, sodass hochfrequente Photonen gegenüber dem Planckspektrum zunehmen und niederfrequente abnehmen.

Die statistischen Eigenschaften der Anisotropien lassen sich mit wenigen kosmologischen Parametern modellieren. Das Winkelleistungsspektrum beschreibt dabei die Temperaturverteilung in Abhängigkeit von der Winkelausdehnung. Der Vergleich von Vorhersage und Messung erlaubt die Bestimmung kosmologischer Parameter und favorisiert das Lambda-CDM-Modell. COBE entdeckte die kleinen Schwankungen 1993. Spätere bodengebundene Experimente, Ballonteleskope sowie WMAP und Planck bestimmten sie genauer. Planck vermaß die Strahlung von August 2009 bis Februar 2012 mit dreifach höherer Auflösung und besserer Unterdrückung von Störstrahlung.

Offene Fragen und neue Messungen

Trotz der sehr guten Übereinstimmung mit den theoretischen Vorhersagen sind einige Beobachtungen nicht vollständig verstanden. Einige der niedrigsten Momente der Winkelverteilung sind niedriger als erwartet. Die Extremwerte verlaufen fast senkrecht zur Ekliptik des Sonnensystems, wobei die Abweichung von der Senkrechten innerhalb der Messungenauigkeiten liegt. Außerdem gibt es eine deutliche Nord-Süd-Asymmetrie mit einem Maximum im Norden. Das ist überraschend, weil das kosmologische Standardmodell keine global ausgezeichnete Raumrichtung vorsieht.

Der CMB Cold Spot ist eine Region von etwa 5° Durchmesser, deren Temperatur deutlich unter dem Durchschnitt liegt. Häufig wird sie als Abbild eines besonders großen, besonders leeren Raumbereichs, einer Void, gedeutet. Untersuchungen zur Galaxienverteilung kamen jedoch zu widersprüchlichen Ergebnissen: Eine Studie von 2016 bestätigte eine Void in der betreffenden Himmelsregion, während eine Studie von 2017 dort keine mit dem Cold Spot verträgliche räumliche Struktur fand. Die bereits in WMAP-Daten erkennbaren Abweichungen wurden durch Planck-Messungen mit höherer Auflösung und Genauigkeit bestätigt.

Kollaborationen suchen außerdem nach Hinweisen auf Inflation und Gravitationswellen aus der Frühzeit des Universums. Eine 2014 auf BICEP2-Messungen beruhende Meldung wurde 2015 von denselben Autoren revidiert: Die Abweichungen ließen sich durch Staub der Milchstraße erklären.

2022 wurde erstmals die Temperatur der Hintergrundstrahlung im frühen Universum bestimmt. Für die Zeit vor 13 Milliarden Jahren, etwa 800 Millionen Jahre nach dem Urknall, ergaben Beobachtungen der Starburst-Galaxie HFLS3 mit dem Northern Extended Millimeter Array (Noema) einen Wert von 16 bis 30 Kelvin. Die Temperaturgrenzen wurden aus Absorptionsspektren von Wasserdampfwolken abgeleitet und stimmten mit dem kosmischen Standardmodell überein.

Weitere kosmische Hintergründe

Neben dem kosmischen Mikrowellenhintergrund gibt es einen analogen kosmischen Neutrinohintergrund. Seine Temperatur ist mit ungefähr 1,95 K etwas niedriger.

Zusätzlich wird ein Gravitationswellenhintergrund vermutet. Diese Annahme wurde durch den Nachweis von Gravitationswellen angeregt; erste Hinweise darauf wurden Anfang 2022 veröffentlicht.