Kosmische Hintergrundstrahlung

Kosmische Hintergrundstrahlung

Auszüge aus Alan Guths Die Geburt des Kosmos aus dem Nichts.
(München: Droemersche Verlagsanstalt Th. Knaur Nachf. Lizenzausgabe für die Wissenschaftliche Buchgesellschaft, 1999):

Alan H. Guth über James E. Peebles:

Auszüge aus: Die Geburt des Kosmos aus dem Nichts. München: Droemersche Verlagsanstalt Th. Knaur Nachf. Lizenzausgabe für die Wissenschaftliche Buchgesellschaft. (Alan H. Guth, 1999.). Übersetzt von Gerhard Ingold und Martina Sonntag.

In den frühen sechziger Jahren leitete Robert H. Dicke eine sehr aktive Forschungsgruppe, die sich an der Princeton-Universität mit der Gravitationsphysik beschäftigte. Die Gruppe traf sich einmal in der Woche zu einem Abendseminar oder zu einer informellen Diskussionsrunde, und im Anschluß ging man in der Regel in ein nahegelegenes Restaurant und bestellte Bier und Pizza. Ab und zu fanden diese Treffen, trotz mancher Ehegattenproteste, auch Freitag abends statt. Ein Mitglied dieser Gruppe, Jim Peebles, erzählt die Geschichte [1] einer sehr heißen Sommernacht im Jahre 1964, als die Gruppe sich in der „unerträglich heißen“ Dachstube des Palmer-Laboratoriums versammelte, wobei weniger Leute als gewöhnlich anwesend waren.
Dicke stellte der Gruppe einige Überlegungen vor, die er zur Geschichte des Universums angestellt hatte. Er hatte sich schon geraume Zeit vorher dazu durchgerungen, die Vorstellung, die gesamte Materie es Urknalls entstanden, zu verwerfen. Statt dessen favorisierte er eine alternative Idee, die in jener Zeit häufig diskutiert wurde: Möglicherweise oszilliere das Universum mit den sich abwechselnden Phasen der Expansion und der Kontraktion. Dicke kannte allerdings die astronomischen Daten, die darauf hinwiesen, daß die ältesten Sterne nur aus der Abkühlung von Wasserstoff- und Heliumgas entstanden sein konnten. Die Elemente, die schwerer als Helium sind, werden im Inneren von Sternen erzeugt. Zu dem Zeitpunkt, als die ersten Sterne entstanden, existierten diese Elemente noch nicht, jedenfalls nicht in nennenswerten Mengen. Was ist dann aber mit den schweren Elementen geschehen, die in einem früheren Zyklus der kosmischen Evolution entstanden waren? Dicke konnte sich nur eine Antwort vorstellen: Beim Rückprall, in dem Augenblick, als die Kontraktion zu einem Halt gekommen war und die Expansionsphase eingesetzt hatte, muß das Universum so heiß geworden sein, daß die Atomkerne der schweren Elemente in ihre Bestandteile, die Protonen und Neutronen, zertrümmert wurden. Auf diese Art und Weise wurden die Überreste der schweren Elemente aus einer früheren Zyklenphase aufgebraucht und ein neuer Zyklus konnte beginnen. Wenn dies alles wahr wäre, dann müßte es einen Strahlungshintergrund geben – eine Nachglut dieser gewaltigen Hitze – die bis auf den heutigen Tag das Universum durchdringt.
Obwohl Dickes Ideen von einem oszillierenden Universum nicht mehr ernsthaft diskutiert werden, ist die Vorhersage eines Strahlungshintergrundes nach wie vor von Bedeutung. Ein oszillierendes Universum läßt sich als eine Folge von Urknallereignissen interpretieren. Wenn jede Explosion gemäß der Theorie vom oszillierenden Universum einen Strahlungshintergrund erzeugt, dann müßte die Urexplosion nach der Urknalltheorie genau den gleichen Effekt haben.
Dicke war der Auffassung, daß es interessant wäre, nach der Hintergrundstrahlung zu suchen und überredete zwei junge Kollegen, Peter G. Roll und David T. Wilkinson, ein geeignetes Experiment aufzubauen. Dann wandte er sich an Peebles und sagte: „Warum gehen Sie nicht los und studieren die Konsequenzen, die sich von der theoretischen Seite her ergeben?“ Wenig später waren Roll und Wilkinson eifrig mit der Installation einer Antenne auf dem Dach des Geologiegebäudes beschäftigt. Für das Experiment wurde ein Dicke-Radiometer eingesetzt, das auf Mikrowellen mit einer Wellenlänge von 3,2 Zentimetern abgestimmt war. Wie beim Experiment in Crawford Hill sah man auch bei diesem Versuch einen kalten Lastwiderstand vor, die Hornantenne selbst jedoch war sehr viel kleiner: Ihr Durchmesser betrug nur dreißig Zentimeter.
Wie Dicke es vorgeschlagen hatte, untersuchte Peebles mit großem Eifer die Konsequenzen, die sich aus der Existenz einer heißen Phase im Frühstadium des Universums ergeben würden. Zu Beginn des Jahres 1965 hatte er einen Artikel über kosmische Strahlung verfaßt. Als Ergebnis fand er, wie Dicke es erwartet hatte, daß das heutige Universum gleichförmig mit einem Untergrund aus elektromagnetischer Strahlung durchflutet sein müßte, der aus einem Urknall zurückgeblieben war. Er war zudem in der Lage, das Spektrum der Strahlung vorherzusagen, die Art und Weise nämlich, wie sich die Energiedichte mit der Frequenz oder Wellenlänge ändert. Das Resultat war, wie es in der physikalischen Fachsprache heißt, ein thermisches Spektrum, oder auch Spektrum der Hohlraumstrahlung, bei einer Temperatur von zehn Grad über dem absoluten Nullpunkt. (S. 109–112).

Nun kommen wir auf die Aktivitäten von Jim Peebles zurück, der seine Arbeit über die Theorie der kosmischen Hintergrundstrahlung im März 1965 bei der Zeitschrift Physical Review zur Veröffentlichung eingereicht hatte. Die Publikation wurde von der Zeitschrift abgelehnt und ebenso die revidierte Fassung der Arbeit, die Peebles als Reaktion auf das Gutachten über die erste eingereichte Version geschrieben hatte. In beiden Fällen hing die Ablehnung offenbar mit der ungenügenden Würdigung früherer Arbeiten zusammen, insbesondere der Arbeiten von Gamow und seinen Mitarbeitern. [2] Trotz eines intensiven Briefwechsels konnte man sich nicht einigen, und die Arbeit wurde nie publiziert.
Peebles jedoch war von dem Projekt sehr überzeugt. Noch bevor er seine Arbeit erstmals zur Veröffentlichung einreichte, hatte er eine Einladung der Johns-Hopkins-Universität in Baltimore, Maryland, angenommen, einen Seminarvortrag über seine Arbeit zu halten. Am 19. Februar 1965 gab er das Kolloquium (er besitzt noch immer seine Manuskriptaufzeichnungen!), und die nachfolgenden Ereignisse sind ein grandioses Beispiel für das informelle Kommunikationsnetzwerk, das unter Wissenschaftlern besteht. Bei dem Vortrag von Peebles befand sich unter den Zuhörern Kenneth Turner, ein junger Radioastronom von der Carnegie-Stiftung in Washington, D. C. Turner war ein guter Freund von Peebles aus alten Doktorandenzeiten in Princeton, und während ihres Besuches hatten auch Peebles’ Frau und seine beiden kleinen Töchter im Hause Turner gewohnt. Turner, fasziniert von der Vorhersage eines mit einem Strahlungshintergrund vollständig ausgefüllten Universums, erwähnte den Vortrag in einer Unterhaltung mit einem seiner Kollegen, Bernard Burke, der ebenfalls als Radioastronom an der Carnegie-Stiftung arbeitete (und der sich heute am MIT befindet). Wie der Zufall es wollte, war Arno Penzias mit Burke befreundet, und am Ende eines Telefongesprächs, in dem es um andere Dinge ging, erkundigte sich Burke bei Penzias, wie denn die Messungen mit der Hornantenne in Crawford Hill vorangingen. Penzias erwähnte Burke gegenüber die unverstandenen Signale, die sie empfingen, und Burke verwies Penzias daraufhin an die Gruppe in Princeton, von der er möglicherweise interessante Dinge in Erfahrung bringen konnte.
Dicke erhielt von Penzias einen Anruf, und bald darauf war die Princeton-Gruppe auf dem Weg nach Crawford Hill. Als Dicke und seine Mitarbeiter die Ergebnisse, die Penzias und Wilson gewonnen hatten, zu Gesicht bekamen, waren sie sehr schnell davon überzeugt, daß dem Team der Bell-Laboratorien eine grundlegende Entdeckung gelungen war – das Echo des großen Urknalls war gefunden worden.
Die beiden Gruppen beschlossen, zwei getrennte Arbeiten bei der Zeitschrift Astrophysical Journal zur Veröffentlichung einzureichen, die hintereinander abgedruckt erscheinen sollten. Das Papier der Bell Labs würde die Messungen, das Princeton-Papier die theoretische Interpretation beschreiben. (S. 115–116)

Penzias und Wilson hatten ihr geheimnisvolles Signal bei nur einer einzigen Wellenlänge aufgenommen, so daß sie keine Möglichkeit hatten nachzuprüfen, ob das Spektrum in irgendeiner Weise dem eines Hohlraumstrahlers glich. Wenn sie jedoch annahmen, daß es sich um Hohlraumstrahlung handelte, dann genügte die Intensität, die bei einer Wellenlänge gemessen wurde, um die Temperatur festzulegen. Sie fanden eine Temperatur von 3,5 Grad Kelvin. Genauer gesagt, Penzias und Wilson zogen aus ihren Daten den Schluß, daß die Temperatur größer als 2,5 Grad Kelvin und kleiner als 4,5 Grad Kelvin sein mußte.* (Nachdem sie ihre Apparatur kurz darauf noch einmal neu kalibriert hatten, reduzierten sie ihren Schätzwert auf 3,1 Grad Kelvin, erneut mit einer Unsicherheit von 1 Grad in beiden Richtungen.)
Obwohl die Berechnungen von Peebles eine Hintergrundtemperatur von zehn Grad Kelvin erwarten ließen, waren die Princeton-Physiker wegen dieser Diskrepanz nicht beunruhigt. Die Rechnungen hingen von einer Reihe von Schätzwerten ab. Demzufolge war es durchaus möglich, daß ein Fehler vorlag. Eine der vagen, für die Berechnung benötigten Zahlen betraf die Massendichte im Universum. Peebles hatte einen Wert von 7*10-31 Gramm pro Kubikzentimeter verwendet, einen Wert, der 1958 von Jan H. Oort für die Massendichte von gewöhnlichen Galaxien abgeschätzt worden war. Dieser Wert liegt irgendwo zwischen vier und 15 Prozent der kritischen Dichte, die notwendig wäre, um ein geschlossenes Universum zu erhalten (wie es in Kapitel 3 diskutiert worden ist). Um die Vorhersage von zehn Grad auf drei Grad Kelvin zu senken, hätte man eine Massendichte annehmen müssen, die etwa zwanzigmal kleiner als dieser Wert ist.** Die Gruppe aus Princeton kam jedoch zu dem Schluß, daß die Abschätzung von Oort wahrscheinlich nicht verläßlich genug ist, um ein Universum mit einer derart niederen Dichte ausschließen zu können.
Zwar mag eine Diskrepanz von einem Faktor drei für die Temperatur oder von einem Faktor zwanzig für die Massendichte sehr groß erscheinen, man muß jedoch andererseits bedenken, daß sich grundlegende kosmologische Größen wie beispielsweise die Hubble-Konstante oder die Massendichte nur sehr schwer messen lassen. Der Artikel in der New York Times befaßte sich mit der vorhergesagten Temperatur von zehn Grad Kelvin und fügte ohne weiteren Kommentar hinzu, daß die Messung von 3,5 Grad Kelvin „in guter Übereinstimmung mit der Vorhersage angesehen wurde“. Als ich Jim Peebles die Frage stellte, ob die Diskrepanz bei den Temperaturen oder Massendichten zu jener Zeit insgeheim Anlaß zur Sorge gegeben habe, antwortete er:
“Ich kann mich daran erinnern, wie ich nach der Lektüre eines sehr guten Übersichtsartikels von Oort (auf einer Solvay Konferenz), zu dem Schluß kam, daß der gemessene Wert für die mittlere Massendichte einen beträchtlichen Fehler aufwies. Kurzum, ich kann mich nicht daran erinnern, daß ich mir ernsthafte Sorgen um die Massendichte machte. Ich wünschte mir allerdings, ich hätte ein Tagebuch geführt.”
David Wilkinson machte noch deutlicher, daß man keine ernsthaften Schwierigkeiten sah:
“Ich war in keinster Weise beunruhigt, daß Jims Vorhersage einer Temperatur von 10 Grad Kelvin zu hoch lag. Die ganze theoretische Seite der Geschichte schien zu jener Zeit ohnehin etwas wackelig und die primordiale Kernsynthese habe ich auch nicht sehr ernst genommen.* Für mich war es ein zweitrangiges Problem im Vergleich zum Nachweis der tatsächlichen Existenz der kosmischen Mikrowellenstrahlung. Hinzu kommt, daß ich das Ganze vermutlich gar nicht verstanden hatte.“
Im darauffolgenden Jahr überarbeitete Peebles seine Berechnungen und reichte einen ausführlichen Artikel zur Publikation bei der Fachzeitschrift Astrophysical Journal ein, dieser Artikel wurde tatsächlich veröffentlicht. In der Arbeit wurden die Standardmethoden entwickelt, die seither in allen Publikationen angewendet wurden, die sich mit der Entstehung der kosmischen Hintergrundstrahlung beschäftigten. Das wichtigste Ergebnis war, daß die verbesserten Rechnungen die Diskrepanz zwischen der vorhergesagten und der tatsächlich gemessenen Temperatur beseitigten. Der gemessene Wert zwischen drei und 3,5 Grad Kelvin befand sich nun in Übereinstimmung mit dem von Oort angegeben Wert für die Massendichte im Universum! Peebles kam zu dem Ergebnis, daß sogar eine kritische Massendichte, die nach seinen Abschätzungen einen Faktor 25 größer war als der Wert von Oort, gerade noch mit dem gemessenen Wert für die Temperatur veträglich war. Die Zusammenhänge, die in einer solchen Untersuchung zu berücksichtigen sind, werden im folgenden Kapitel behandelt. (S. 119–122)

Obwohl Peebles nicht der erste war, der sich mit der Urknall-Nukleosynthese beschäftigt hatte, so war er doch der erste, der die Berechnungen für die Heliumerzeugung mit derselben Detailgenauigkeit zu Ende führte, wie sie von Alpher, Follin und Herman begonnen worden war. Im Unterschied zu seinen Vorgängern war er von Anfang an davon überzeugt, daß die schweren Elemente im Innern von Sternen erzeugt werden können. Deshalb war er auch nicht entmutigt, als er sah, daß die Elementbildung beim Helium zum Stillstand kam. Peebles begann seine Berechnungen mit der Verschiebung des Neutron-Proton-Gleichgewichts, in enger Analogie zu den Arbeiten von Alpher, Follin und Herman, und erweiterte die Berechnungen, indem er bei der Nukleosynthese auch die Kernreaktionen in Abbildung 5.4 berücksichtigte.
Peebles war allem Anschein nach auch die erste Person, die die Entwicklung der kosmischen Hintergrundstrahlung bis in die Gegenwart zurückverfolgt hat. (Die Gruppe um Gamow hatte die Rotverschiebung der Strahlung berechnet, aber sie hatte nicht untersucht, wie die Strahlung mit der Materie im Universum in Wechselwirkung tritt.) Peebles kam zu dem Ergebnis, daß das Wasserstoffgas, solange die Strahlungstemperatur nicht unter 3000 Grad gefallen war, zu heiß gewesen ist, als daß stabile Atome sich hätten bilden können. Das Gas verharrte in seinem ionisierten Zustand, was bedeutet, daß die Elektronen und Protonen sich unabhängig voneinander durch den Raum bewegten. Da Photonen sehr stark mit geladenen Teilchen wechselwirken, insbesondere mit geladenen Teilchen, die eine kleine Masse besitzen, wurden sie kontinuierlich bei Zusammenstößen mit den Elektronen gestreut. Diese häufigen Kollisionen stellten sicher, daß sowohl die Materie als auch die Strahlung die gleiche Temperatur beibehielten und sich im gleichen Zeitraum abkühlten, während das Universum sich ausdehnte.
Nach ungefähr 300 000 Jahren hatte sich das Universum stark genug abgekühlt, so daß das ionisierte Gas in ein Gas aus neutralen Atomen übergehen konnte. Peebles nannte diesen Vorgang „Rekombination“, eine Bezeichnung, die auch heute noch in der Standardliteratur der Kosmologie verwendet wird. Die Vorsilbe „Re-„ war jedoch schon immer sehr unzutreffend, da der Urknalltheorie zufolge die Elektronen und Protonen zum erstenmal überhaupt eine Bindung eingingen. Ich fragte Peebles, ob diese Bezeichnung ein Hinweis auf Dickes Vorstellung von einem oszillierenden Universum sei, doch er verneinte dies. Die Formulierung „Rekombination“ wird von denjenigen Physikern benutzt, die sich unter Laborbedingungen mit ionisierten Gasen (diese werden auch Plasmen genannt) befassen. Deshalb war es nur natürlich, diese Bezeichnung in die Sprache der Kosmologie zu übernehmen.
Ein Gas aus elektrisch neutralen Atomen läßt Photonen sehr gut passieren, so daß ein typisches Photon der kosmischen Hintergrundstrahlung seit der Zeit von 300 000 Jahren nach der Urknallexplosion bis in die Gegenwart sich stets geradlinig fortpflanzen konnte. Trotz einer Rotverschiebung der Strahlung bleibt die Spektralverteilung für einen Hohlraumstrahler erhalten, wobei die Temperatur mit dem sich ausdehnenden Universum abnimmt. Das Licht der Sterne kann mit der Hohlraumstrahlung nicht in Wechselwirkung treten, nur bei sehr viel höheren Frequenzen gibt es zusätzliche Photonen. Auf das Spektrum im Mikrowellenbereich jedoch hat das fast keine Auswirkung. Die kosmische Hintergrundstrahlung liefert uns demzufolge einen treffenden Schnappschuß vom Universum, wie es gerade 300 000 Jahre nach der Urknallexplosion ausgesehen hat.
Um sich eine Vorstellung davon machen zu können, was ein Zeitpunkt von 300 000 Jahren nach der Urknallexplosion tatsächlich bedeutet, wählen wir eine Analogie, wie sie bereits von Peebles und Wilkinson in einem Artikel für die Zeitschrift Scientific American aus dem Jahr 1967 benutzt worden ist [17]. Wir vergleichen unsere Beobachtungen vom Universum, das in der Entstehung begriffen ist, mit dem Blick von der Besucherplattform des Empire State Building in die Tiefe. Das Straßenniveau entspricht dem Augenblick der Urknallexplosion. Interpretieren wir die tatsächlichen Größenverhältnisse im analogen Kontext, dann entsprechen die am weitesten entfernten Galaxien, die bis heute entdeckt worden sind, einer Sichtweite hinunter bis zum zehnten Stockwerk, und die am weitesten entfernten Quasare etwa dem siebten. Die kosmische Hintergrundstrahlung wäre dann eine flüchtige Ahnung von dem, was sich nur einen Zentimeter über der Straßenoberfläche abspielt!*
Im Jahre 1967 erreichten die Berechnungen der Urknall-Nukleosynthese einen neuen Entwicklungsstand, als Robert V. Wagoner, Fowler und Hoyle [18] ein ausgeklügeltes Computerprogramm erstellten, das 144 verschiedene Kernreaktionen mit sämtlichen Atomkernen bis zur Massenzahl 23, einschließlich der Isotope Natrium-23 und Magnesium-23, berücksichtigte. Für die Erzeugung von Helium-4 und Deuterium erhielten sie das gleiche Ergebnis wie zuvor bereits Peebles, und für Helium-3 und Lithium-7 waren sie die ersten, die eine Erzeugungsrate vorhersagen konnten.
Bis auf den heutigen Tag ist die Nukleosynthese ein wichtiges Teilgebiet der Kosmologie geblieben. Ihre Vorhersagen haben sich über die Jahre aufgrund von genaueren Messungen der Reaktionsraten stetig verbessert. Ein großer Teil der neueren Arbeiten über die Nukleosynthese wurde von David N. Schramm von der Universität Chicago, Michael S. Turner vom Fermi National Accelerator Laboratory und von der Universität Chicago und Gary Stigmann von der Ohio State University sowie von vielen anderen durchgeführt. (S. 167–169)

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