Planck und die Mikrowellenhintergrundstrahlung

Nur 380 000 Jahre nach dem Urknall wurde die kosmische Mikrowellenhindergrundstrahlung freigesetzt – heute trifft sie aus allen Richtungen auf die Erde. Mit dem Weltraumteleskop Planck haben Forscher diese Strahlung über vier Jahre lang genauestens vermessen. Torsten Enßlin vom Max-Planck-Institut für Astrophysik in Garching erklärt, wie die kosmische Hintergrundstrahlung entstand und was Kosmologen anhand der Planck-Daten schon über das Universum herausgefunden haben.

Für Kosmologen spielt die kosmische Mikrowellenhintergrundstrahlung eine wichtige Rolle: Es ist die älteste Strahlung im Universum. Ihre Entdeckung im Jahr 1964 war allerdings purer Zufall. Eigentlich wollten Arno Penzias und Robert Wilson von den Bell Laboratories Kommunikationsexperimente mit Erdsatelliten durchführen.

„Die haben versucht, mit Mikrowellen zu kommunizieren. Sie bauten einen Radioempfänger, der bei relativ hohen Frequenzen misst, und entdeckten damit, dass aus allen Richtungen ein gleichmäßiges Rauschen kam. Zunächst verdächtigten sie die Tauben, die in ihrem Teleskop genistet und vielleicht irgendwie ihr Instrument beeinflusst hatten. Aber selbst als sie es gereinigt hatten, verschwand das Rauschen nicht.”

Schon vor der Entdeckung hatten Wissenschaftler über ein solches Rauschen im Mikrowellenbereich spekuliert – als Relikt aus der Frühzeit des Universums. Unmittelbar nach dem Urknall vor 13,8 Milliarden Jahren fand vermutlich eine extrem schnelle Expansion statt, die sogenannte kosmologische Inflation.

Torsten Enßlin

„Die Inflation ist die Idee, dass das Universum ganz am Anfang der Zeit eine Phase hatte, wo der Raum praktisch explodierte – sich explosionsartig ausdehnte. Am Ende dieser Phase ist der Schwung verloren gegangen und die Energieform, die das antrieb, hat ihre Restenergie in Strahlung sowie in Teilchen und Materie verwandelt. So die gängige Lehrmeinung.”

Das Universum war zu diesem Zeitpunk immer noch weniger als eine Sekunde alt und enthielt nun eine Art heiße Ursuppe, in der sich die Elementarteilchen in exotischen Materiezuständen befanden. Nach der Inflationsphase dehnte sich das All deutlich langsamer aus und kühlte dabei allmählich ab: Wenige Minuten nach dem Urknall bildeten sich die ersten Atomkerne, überwiegend Wasserstoff- und Heliumkerne. Doch selbst nach vielen Zehntausend Jahren war das Universum noch immer extrem dicht und heiß, sodass sich Lichtteilchen darin nicht ungehindert ausbreiten konnten.

„Die geladenen Teilchen, insbesondere die Elektronen, haben das Licht ständig gestreut, wie in einem Nebel – wir sprechen von einem Elektronennebel. Das Licht konnte sich deshalb nicht wie heute geradlinig ausbreiten. Das änderte sich erst als das Universum so kalt wurde, dass sich neutraler Wasserstoff bilden konnte und die Elektronen von den Protonen eingefangen wurden.”

Dieser Elektroneneinfang fand etwa 380 000 Jahre nach dem Urknall statt. In der Folge konnten sich die Photonen erstmals frei durch den Weltraum bewegen und sich in alle Richtungen ausbreiten. Genau diese Lichtteilchen messen Astronomen heute als kosmische Hintergrundstrahlung.

„Seitdem hat sich das Universum noch weiter ausgedehnt, etwa um einen Faktor 1100 in jegliche Richtung. Die Lichtwellen wurden dadurch gestreckt, und zwar genau um diesen Faktor 1100. Und durch diese Lichtstreckung hat sich die Wellenlänge verändert und damit auch die Farbe. Für menschliche Augen sind sie heute nicht mehr sichtbar. Damals wären sie aber sichtbar gewesen, wenn es dort Menschen gegeben hätte.”

Ursprünglich war die Hintergrundstrahlung die Wärmestrahlung des gerade durchsichtig gewordenen Universums: Die Strahlungsintensität des kosmischen Mikrowellenhintergrunds zeigt bei verschiedenen Wellenlängen einen typischen Verlauf, der etwa glockenförmig ist. Ebenso wie etwa der Sonne oder einer Glühbirne lässt sich der Hintergrundstrahlung daher – gemäß dem Planckschen Strahlungsgesetz – eine Temperatur zuordnen.

Kosmische Mikrowellenhintergrundstrahlung

„Man kann sie mit einer Temperatur von 2,7 Kelvin, das entspricht minus 270 Grad Celsius, beschreiben. Dabei kommt die Strahlung nahezu gleichmäßig aus allen Richtungen zu uns.”

Tatsächlich weist die Hintergrundstrahlung allerdings winzige Schwankungen in der zugeordneten Temperatur auf – in manchen Gebieten am Himmel fällt sie etwas höher oder niedriger aus. Zwar betragen diese Abweichungen nur etwa ein hunderttausendstel Grad. Kosmologen aber liefern sie wertvolle Hinweise auf die Zeit kurz nach dem Urknall. Laut Theorie traten während der Inflation winzige Quantenfluktuationen auf: Im Vakuum können damals wie heute spontan Paare aus Teilchen und Antiteilchen entstehen, die sich umgehend wieder gegenseitig vernichten. Während der Inflation dehnte sich das Universum jedoch so schnell aus, dass diese Fluktuationen nicht wieder verschwanden – und damit zur Entstehung kleiner Schwankungen in der Materiedichte beitrugen.

„Und wir glauben, dass diese eingefrorenen Quantenfluktuationen dann später zu Dichtefluktuationen und Temperaturfluktuationen in der heißen Ursuppe nach dem Urknall geworden sind, aus denen sich dann die uns heute geläufigen Strukturen entwickelt haben.”

Denn die Materie ist nicht gleichmäßig im Weltall verteilt: Sie sammelt sich in Galaxien und Galaxienhaufen entlang von Filamenten, zwischen denen riesige, fast leere Zwischenräume liegen. Auch aufgrund des gemeinsamen Ursprungs mit diesen großräumigen Strukturen wollen Kosmologen die Temperaturschwankungen so genau wie möglich vermessen. Sie ermöglichen es ihnen, ihre Theorien zum Urknall und zur anschließenden Inflation zu überprüfen. Zu diesem Zweck startete die europäische Weltraumagentur ESA 2009 das Weltraumteleskop Planck und zeichnete über vier Jahre die komische Mikrowellenhintergrundstrahlung des gesamten Nachthimmels auf. Ursprünglich waren über fünfhundert Forscher an der Mission beteiligt. Inzwischen arbeiten noch etwa zweihundert Forscher an der Aufbereitung und Auswertung der Daten. Aus dem Vergleich von Strukturen im Mikrowellenhintergrund mit den heutigen großräumigen Strukturen lassen sich verschiedene Eigenschaften des Universums ableiten – etwa sein Alter oder der Gehalt von gewöhnlicher und Dunkler Materie sowie an Dunkler Energie. Für Torsten Enßlin ist der größte Erfolg der Planck-Mission aber die Bestätigung von Vorhersagen der Inflationstheorie, die sich in den winzigen Schwankungen im Mikrowellenhintergrund widerspiegeln.

Mit BICEP2 und Planck beobachteter Himmelsausschnitt

„Sie macht sogar detaillierte Aussagen, wie das statistische Verhältnis von großen zu kleinen Strukturen sein sollte. Und der Planck-Satellit bestätigte, dass es tatsächlich eine leichte Bevorzugung von großen Strukturen im Vergleich zu kleinen Strukturen gibt, wie durch die Inflationstheorie vorhergesagt.”

Zusätzlich zu den Temperaturschwankungen im Mikrowellenhintergrund hat Planck auch die Polarisation – also die Richtung, in welche die Hintergrundstrahlung relativ zu ihrer Fortbewegungsrichtung schwingt – bei neun verschiedenen Frequenzen gemessen. Während beispielsweise das Licht der Sonne in alle Richtungen schwingt, weist die kosmische Hintergrundstrahlung eine bestimmte Polarisation auf. Anhand dieser Eigenschaft wollen Forscher eine weitere Konsequenz der kosmischen Inflation überprüfen: Winzige Schwingungen in der Raumzeit.

„Insbesondere sagt die Theorie voraus, dass es Gravitationswellen aus dem frühen Universum geben sollte, die man über die Polarisation der kosmischen Hintergrundstrahlung eventuell detektieren kann.”

Anfang 2014 hatten Wissenschaftler verkündet, mithilfe des BICEP2-Teleskops in der Antarktis erstmals Signale dieser primordialen Gravitationswellen aufgespürt zu haben – und machten damit Schlagzeilen. Allerdings erfasste BICEP2 nur etwa zwei Prozent des Himmels bei einer einzelnen Frequenz, sodass schnell Zweifel an den Ergebnissen aufkamen. Neue Daten von Planck brachten jetzt Gewissheit: Eine gemeinsame Analyse des Planck- und BICEP2-Teams zeigt, dass es sich bei den angeblichen Spuren von Gravitationswellen tatsächlich um Signale von Staub aus unserer eigenen Galaxis handelt. Der Staub hatte die Strahlung im Mikrowellenbereich polarisiert und so das erhoffte Signal vorgetäuscht. Dieser Beleg der Inflationstheorie steht also auch weiterhin noch aus.