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Grundwissen

Kosmische Hintergrundstrahlung

Ein expandierendes Universum vergrößert die Wellenlänge des sich in ihm bewegenden Lichts. Dieses Phänomen, das oft mit dem Dopplereffekt einer sich entfernenden Lichtquelle verwechselt wird, lässt sich nur mit Hilfe der Allgemeinen Relativitätstheorie und der sich ändernden Geometrie exakt erklären. Je länger das Licht im Universum zu uns unterwegs ist, um so weiter ist es ins Rote verschoben. Daraus folgt: Je weiter eine Galaxie von uns entfernt ist, umso stärker ist ihr Licht in Richtung des roten Endes des Spektrums verschoben sein.

Gerade dieses Phänomen ist das stärkste Argument für das derzeit als richtig anerkannte Standardmodell, das von einem endlichen Anfang des Universums ausgeht. Es sind dies einerseits die bestätigte Rotverschiebung von sehr weit entfernten Galaxien oder Quasaren und andererseits die Wellenlänge der sogenannten kosmischen Hintergrundstrahlung.

Diese kosmische Hintergrundstrahlung ist eine Strahlung im Mikrowellenbereich und wurde von George Gamov u.a. als eine Folge des endlichen Anfangs unseres Universums vorausgesagt. Sie entstand nach der Theorie des Standardmodells, als das Universum etwa 380 000 Jahre nach seiner Entstehung durchsichtig (lichtdurchlässig) wurde, als Wärmestrahlung des damals vorhandenen 3000 Kelvin heißen "Urgases". In den inzwischen verstrichenen 13,7 Milliarden Jahren hat sich die Wellenlänge dieser Strahlung während ihres Weges durch das sich ausdehnende Universum soweit vergrößert, als würde sie von einem Temperaturstrahler von 2,7 Kelvin ausgehen. Es ist dabei zu beachten, dass zu uns nur Strahlung aus einem Bereich des Universums kommen kann, der weniger als 13,7 Milliarden Lichtjahre entfernt ist. Dies besagt nicht, dass das Universum räumlich begrenzt ist, es besagt nur, dass wir nur einen räumlich begrenzten Teil sehen können. Licht aus weiter entfernten Teilen des Universums konnte uns seit Entstehung des Universums nicht erreichen. Wenn man die Störeffekte unserer Galaxie, der Milchstraße und der Eigenbewegung unseres Sonnensystems innerhalb der Geometrie des Kosmos abzieht, so kommt die Strahlung aus allen Richtungen des Weltalls mit nahezu gleicher Wellenlängenverteilung und Intensität an.

Dennoch sind durch mehrere Satellitenexperimente (COBE, WMAP, Planck) kleine Variationen um die mittlere Temperatur von weniger als einem Millikelvin nachgewiesen worden.Diese Temperaturfluktuationen gelten als Hinweis auf eine leicht inhomogene Verteilung der Materie im frühen Universum. Diese dienten als gravitative Senken, in denen sich nach und nach Gas anhäufte und zu den ersten Sternen und Galaxien kondensierte. Nach heutiger Anschauung war in dem frühen, heißen Universum nur die Dunkle Materie in der Lage, solche Ansammlungen zu formen.

Die Häufigkeitsverteilung der Fluktuationen nach ihrer Winkelgröße lässt Rückschlüsse auf die Zusammensetzung des Universums zu. Demnach besteht der Kosmos zu 4,9% aus gewöhnlicher Materie, zu 26,8% aus Dunkler Materie und zu 68,3% aus Dunkler Energie.

Ergänzendes Material zum Thema bei Welt der Physik