Gesundheit : Blick in die Kinderstube des Weltalls

John Mather und George Smoot haben die Hintergrundstrahlung des Kosmos gemessen

Paul Janositz

Existiert das Universum seit ewigen Zeiten oder hat es einen Anfang und ein Ende? Die Theorie des Urknalls, wonach das Weltall vor etwa 14 Milliarden Jahren explosionsartig entstanden ist und seitdem expandiert, hat sich durchgesetzt. Doch lässt sie sich auch beweisen?

Um einen solchen Nachweis haben sich die beiden amerikanischen Physiker John C. Mather und George F. Smoot verdient gemacht. Für ihre Forschungen zur kosmischen Hintergrundstrahlung bekommen sie den Nobelpreis für Physik 2006. „Ihre Arbeit ermöglicht einen Blick in die Kindheit des Universums und erleichtert es zu verstehen, wie Galaxien und Sterne entstanden sind“, teilte die Schwedische Akademie in Stockholm am gestrigen Dienstag mit. Diese Forschung hätte die Kosmologie als exakte Wissenschaft begründet.

Die kosmischen Babyfotos gelangen mit dem Satelliten „Cobe“ (Cosmic Background Explorer), den die amerikanische Weltraumbehörde Nasa 1989 ins All geschossen hatte. Mit Präzisionsinstrumenten wurde die Mikrowellenstrahlung registriert, die als Echo des Urknalls gilt.

Nach dem Urknall war zunächst ein dichtes, viele Millionen Grad heißes Plasma aus freien Elektronen und Atomkernen entstanden. Etwa 380 000 Jahre später war die expandierende Materie auf etwa 3000 Grad abgekühlt.

Aus Protonen und Elektronen bildeten sich Wasserstoffatome. Der vorher trübe Kosmos wurde durchsichtig, Strahlung konnte entweichen. Diese Mikrowellenstrahlung, die gleichförmig aus allen Himmelsrichtungen kommt, bildet somit den Zustand des Universums knapp 400 000 Jahre nach dem Urknall ab. Mit weiterer Expansion des Universums kühlte sich die Strahlung auf etwa 2,7 Grad über dem absoluten Nullpunkt von minus 273,16 Grad Celsius ab. Damit ist der Nachhall des „Big Bang“ so schwach geworden, dass er nur mit viel Aufwand nachgewiesen werden kann.

Die theoretischen Überlegungen stammen aus den 1940er Jahren. Entdeckt wurde die Hintergrundstrahlung 1964 von den amerikanischen Physikern Arno Penzias und Robert Wilson. Das geschah zufällig beim Test einer besonders empfindlichen Antenne, die für Experimente mit Satelliten dienen sollte. Die 1978 mit dem Physiknobelpreis belohnten Forscher der US-Telefongesellschaft Bell hielten das Geräusch zuerst für eine Empfangsstörung. Tatsächlich zeigt sich die kosmische Strahlung etwa im Knistern eines Fernsehers, wenn die Übertragung unterbrochen ist.

Mit der „Cobe“-Sonde haben Mather, Smoot und ihr vor vier Jahren gestorbener Kollege David Wilkinson die Feinarbeit geleistet. Der heute 60-jährige Mather war seit 1974 die treibende Kraft hinter dem Projekt. Sein ein Jahr älterer Kollege Smoot war verantwortlich für Geräte, mit denen sich Variationen der kosmischen Hintergrundstrahlung so genau wie noch nie messen ließen. So konnte auch gezeigt werden, dass das Spektrum der Strahlung einem perfekten schwarzen Körpers entspricht und diese somit aus der Zeit des Urknalls stammen muss.

„Mit ungenauen Messgeräten erscheint die Temperatur des Weltalls überall gleich“, erklärt Jakob Staude vom Max-Planck-Institut (MPI) für Astrophysik in Heidelberg. Wer aber mit einer Genauigkeit von einem zehntausendstel oder hunderttausendstel Grad nachsehe, stoße auf feinste Schwankungen.

So entdeckte die Cobe-Sonde Temperaturschwankungen von nur 30 Millionstel Grad in der ansonsten gleichmäßigen Hintergrundstrahlung. „Diese winzigen Temperaturdifferenzen geben entscheidende Hinweise auf die Strukturen in der Anfangszeit des Universums“, sagt Gerhard Börner, der Kosmologe am MPI für Astrophysik in Garching bei München. So entpuppten sich heißere Regionen als Gebiete, in denen die brodelnde Urmaterie dichter wurde. Aus diesen Keimen sind später Galaxien entstanden.

Inzwischen ist eine noch präziser messende Sonde im All unterwegs. Sie wurde dem verstorbenen Wilkinson zu Ehren „Wmap“ (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) getauft. Die 2003 vorgestellte „Wmap“-Himmelskarte zeigte, dass das All zu vier Prozent aus gewöhnlicher Materie besteht, die Sterne und Planeten bildet. Den Rest nimmt die rätselhafte, unsichtbare dunkle Materie ein. Ab 2007 soll die europäische Sonde Planck die Strahlung mit noch dreifach höherer Auflösung messen.

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