Urknalltheorie und kosmische Hintergrundstrahlung

Das Wichtigste in Kürze

Edwin Hubbles Entdeckung der Fluchtbewegung ferner Galaxien, lässt den Rückschluss folgern, dass vor langer Zeit alle Materie am selben Ort war. Verschiedenste Kosmologen folgerten also, dass unser Universum in einem grossen Knall ("Big Bang") seinen Ursprung gefunden hat. Da das Universum vorher nicht existiert hat, und somit auch keine Zeit existierte, ergibt es keinen Sinn zu versuchen, die Umstände vor dem Urknall zu beschreiben. In den letzten 50 Jahren liess sich erstaunlich viel über die ersten Sekunden und Millisekunden des Universums herausfinden. Eine sehr wichtige experimentelle Messung hierfür ist die kosmische Hintergrundstrahlung.

Die kosmische Hintergrundstrahlung

Physik; Kosmologie; 1. Gymi; Urknalltheorie und kosmische Hintergrundstrahlung

380 000 Jahre nach dem Urknall (Rotverschiebung $z \approx 1 \ 000$ ) war das Universum so stark abgekühlt, dass sich, von diesem Zeitpunkt an, elektromagnetische Strahlung frei durch den Raum bewegen konnte. Zuvor interagierte das Licht noch mit den freien Elektronen, allerdings bildeten sich dann die ersten Wasserstoffatome und fingen somit den Grossteil der freien Elektronen ein. Dieses Licht sind die ersten möglichen elektromagnetischen Wellen, die wir messen können. Sie breiteten sich gleichmässig durch den Raum aus, bis sie schlussendlich, ca. 13 Mrd. Jahre später, von uns gemessen werden können.

Das Universum damals hatte ungefähr eine Temperatur von 3 000 Kelvin, durch die Rotverschiebung wird nun aber Licht im Mikrowellenbereich gemessen, was einer Schwarzkörpertemperatur von etwa 2,7 Kelvin entspräche. Das obige Bild zeigt Fluktuationen dieser Intensität im Mikrokelvin Bereich, die gemessene Temperatur ist also ausgesprochen isotrop. Aus der statistischen Verteilung dieser kälteren und wärmeren Orte in der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung lässt sich extrem viel über die Ursprünge und die Entwicklung unseres Universums sagen. Die genauesten Messungen der $\Lambda$ CDM Parameter stammen aus Observationen des Planck Satelliten aus den Jahren 2015 und 2018.

Interessanterweise stimmt der vom Planck-Satelliten gemessene Wert für $H_0$ statistisch signifikant nicht mit dem standardmässig über Supernovae gemessene Wert von $H_0$ überein. Man spricht hier auch von der "Krise der Kosmologie".

Eine Chronologie des Urknalls

Die am weit verbreitetste Beschreibung der Prozesse direkt nach dem Urknall lautet für ein gewisses Alter des Universums $t$ wie folgt:

$t < 10^{-35} \, s$ : Materie und Antimaterie existieren gleichberechtigt nebeneinander. Es existiert ein unerklärter kleiner Überschuss an Materie.
$t < 10^{-32} \, s$ : Das Universum dehnt sich in der inflationären Phase mit einer exponentiellen Geschwindigkeit aus. Es wächst von der Grösse eines Elektrons, zur Grösse eines Fussballs heran.
$t < 1 \, s$ : Erste Quarks, Elektronen, Protonen und Neutronen entstehen.
$t < 100 \, s$ : Erste leichte Elemente entstehen, die Umgebungstemperatur ist aber noch zu heiss und die Materie befindet sich in einem Equilibrium aus Entstehungs- und Annihilationsprozessen.
$t \approx 380 \, 000 \, yr$ : Stabiler Wasserstoff bildet sich, das Universum ist durch die Expansion auf ein paar tausend Kelvin abgekühlt. Licht kann sich frei durch den Raum bewegen.
$t \approx 200 \ Mio. \, yr$ : Erste Sterne entstehen und die "dunkle Epoche" des Universums ist vorbei.