Sie erfüllt das gesamte Universum, ist aber für unsere Augen unsichtbar: die kosmische Hintergrundstrahlung. Dieses allererste Licht des Kosmos entstand lange vor den Sternen, Galaxien oder Planeten. Deshalb ist diese Strahlung ein einzigartiger Zeuge der kosmischen Frühzeit – und gibt noch immer einiges an Rätseln auf.

Für Astronomen ist die kosmische Hintergrundstrahlung ein Fenster in die Zeit kurz nach dem Urknall. Denn sie wurde frei, als sich gerade erst die ersten Atome gebildet hatten. Dadurch speichert sie wertvolle Information darüber, welche Prozesse damals im kosmischen Ur-Plasma abliefen und wie sich aus ihm unser Universum entwickelte. Allerdings: Die Signale der Hintergrundstrahlung sind alles andere als leicht zu entschlüsseln – und sorgen immer wieder für überraschende Diskrepanzen.

Nadja Podbregar
Stand: 21.04.2017

Es ist das Jahr 1964. Der Ort des Geschehens: Holmdel in New Jersey, eine ganz normale amerikanische Kleinstadt. Hier, im Speckgürtel der Metropole New York, hat die Technologiefirma Bell Labs eine neuartige Radioantenne entwickelt und aufgebaut. Das 15 Meter lange Konstrukt aus Stahlträgern mit einer Aluminiumhülle ähnelt einem eckigen, auf der Seite liegenden Trichter. An dessen schmalem Ende steht das Herzstück der Anlage: der mit flüssigem Helium gekühlte 7,35-Zentimeter-Empfänger.

Ein „Ohr“ für die Milchstraße

Ursprünglich diente diese Radioantenne dazu, von Aluminium-Ballons zurückgeworfenen Radiosignale einzufangen. Doch nun wollen der Astronom Arno Penzias und sein Kollege Robert Wilson das neuartige System für die astronomische Forschung nutzen. Ihr Ziel: Die Radioemissionen der Milchstraße und im Speziellen ihren galaktischen Halo zu analysieren.

„Die Antenne war klein, aber genau deshalb war sie sehr gut dazu geeignet, ausgedehnte Objekte am Himmel abzutasten“, erinnert sich Penzias. Die trichterförmige Hornantenne schirmt seitliche Störsignale gut ab und ist zudem sehr leicht zu kalibrieren. Und noch einen Vorteil hat sie: Sie registriert Radiowellen in einem sehr breiten Wellenlängenbereich und erlaubt es, deren Intensität zu messen. Damit ist sie optimal dafür geeignet, schwache, weit verteilte Radiosignale zu detektieren.

Rauschen aus allen Richtungen

Für ihre Messungen richten die Astronomen die Antenne zunächst auf möglichste leere Regionen am Himmel, um einen Referenzwert zu bekommen. Denn dort, wo keine bekannten Radioquellen sind, müsste der Kosmos still sein – so jedenfalls ihre Annahme. Doch die Radioantenne belehrt sie eines Besseren: Egal wohin der Radiodetektor zeigt – immer ertönt ein seltsames Summen, eine Art Grundrauschen. „Es lag etwa bei einem Plus von 0,4 Dezibel, das entspricht einem Temperatur-Überschuss von 7,5 Kelvin“, erinnert sich Wilson.

Doch woher kommt diese überschüssige Radiostrahlung? Gut ein Jahr lang lassen Penzias und Wilson nichts unversucht, um die Quelle des vermeintlichen Störrauschens zu finden und es zu beseitigen. Aus ihren Messungen ist ihnen bereits klar, dass es keine Strahlung aus der Milchstraße oder von einer anderen extraterrestrischen Radioquelle sein kann. Denn diese müsste sich je nach Ausrichtung der Antenne ändern. Das aber ist nicht der Fall.

Weder Störfunk noch Taubendreck

Die Astronomen vermuten als nächstes eine irdische Quelle, beispielsweise militärische Aktivitäten oder die nahe Metropole New York. „Doch als wir unsere Antenne auf New York richteten oder in irgendeine andere Richtung nahe dem Horizont, zeigten die Werte nie mehr als die normale thermische Ausstrahlung der Erdoberfläche“, berichtet Wilson.

Und auch ein weiterer Kandidat erweist sich als unschuldig: Taubenkot. Denn der geschützte Trichter der Antenne ist bei den Tauben der Umgebung als Brutplatz beliebt. Entsprechend häufig finden sich ihre Hinterlassenschaften auf der Metallhaut der Antenne. Aber selbst das beharrliche Säubern der Antenne hilft nichts: „Die Tauben verließen uns, aber das Geräusch blieb und kam weiterhin aus jeder Richtung“, so Penzias. „Die große Frage war dann: Was sollten wir damit tun?“

Nadja Podbregar
Stand: 21.04.2017

Das hartnäckige Rauschen stellt die beiden Radioastronomen Penzias und Wilson vor ein Rätsel. Trotz allen Grübelns fällt ihnen keine Erklärung für die seltsamen, aus allen Richtungen kommenden Radiosignale ein. Es ist ja nicht einmal klar, ob es sich um ein bloßes Artefakt der Messung handelt oder um ein neues kosmisches Phänomen.

Gedehnte Urzeit-Strahlung?

Dann jedoch macht ein Kollege die Astronomen auf eine neue Theorie zweier Physiker von der Princeton University aufmerksam. Robert Dicke und James Peebles arbeiten zu dieser Zeit an einem kosmologischen Modell, dass von einem oszillierenden Universum ausgeht. Nach diesem durchläuft der Kosmos widerholte Zyklen von Urknall, Ausdehnung und darauffolgenden Kollaps.

Das Spannende daran: Dem Modell der Physiker nach müsste nach dem Urknall harte Strahlung freiwerden, deren Reste noch heute im Universum zu finden sein könnten. Weil mit der Expansion des Kosmos auch die Strahlung stark gedehnt wird, wäre diese Strahlung heute weit in den langwelligen Bereich verschoben. Sie müsste einem Grundrauschen im Mikrowellenbereich von maximal zehn Kelvin entsprechen, wahrscheinlich deutlich weniger, wie die Forscher ausgerechneten.

Verblüffende Übereinstimmung

Damit lag die von den Physikern postulierte Reststrahlung genau in der Größenordnung, die Penzias und Wilson mit ihrer Radioantenne detektiert hatten. War dies bloßer Zufall? Oder könnte das vermeintliche Störrauschen tatsächlich eine Art „Echo“ des Urknalls sein? „Damals waren so viele astrophysikalische Theorien im Umlauf – und viele davon, die sich später als falsch herausstellten“, sagt Penzias. „Wir haben daher nicht erwartet, dass die erste Erklärung, die wir fanden, sich später als die richtige herausstellen würde“, erklärt Penzias.

Dennoch trauen sich die beiden Radioastronomen daraufhin, ihre Ergebnisse in einem Fachartikel zu veröffentlichen. „Wir waren aber sehr vorsichtig und vermieden darin jede Diskussion zu kosmologischen Theorien und dem Ursprung der Hintergrundstrahlung“, erzählt Wilson. Parallel dazu veröffentlichen auch Dicke und Peebles einen Artikel, in der sie den theoretischen Hintergrund zu der von ihnen postulierten Hintergrundstrahlung liefern.

Auf Basis dieser Veröffentlichung fahnden nun auch andere Astronomen nach dem seltsamen Rauschen – und werden fündig: Im Universum gibt es offenbar tatsächlich eine schwache, aber überall präsente kosmische Hintergrundstrahlung. Ihre Wellenlänge liegt zwischen 21 Zentimetern und 2,6 Millimetern und ihr Energiegehalt entspricht einer Temperatur von knapp drei Kelvin – ziemlich genau dem, was Penzias und Wilson mit ihrer einfachen Radioantenne in Holmdel gemessen haben. Damit ist klar: Die beiden Radioastronomen sind keinem Störeffekt zum Opfer gefallen, sondern sie haben ein echtes kosmisches Phänomen entdeckt: ein strahlendes Relikt des Urknalls.

Nadja Podbregar
Stand: 21.04.2017

Heute – mehr als 50 Jahre nach ihrer Entdeckung – ist klar: Die kosmische Hintergrundstrahlung ist tatsächlich ein physikalisches Fossil – eine Art Kinderportrait des Universums. Denn diese Strahlung entstand nur rund 380.000 Jahre nach dem Urknall.

Zu dieser Zeit kühlte sich das heiße Plasmagemisch der ersten Zeit allmählich bis auf rund 3.000 Grad Celsius ab und erlebte einen entscheidenden Wandel: Die zuvor frei umherfliegenden Atomkerne fingen freie Elektronen ein und bildeten erstmals Atome.

Aus trüb wird transparent

Die Geburt der Atome hatte auch für die Strahlung im Ur-Universum Konsequenzen: Bis dahin wurden die Photonen ständig an den frei umherrasenden Elektronen gestreut. Dadurch erschien der gesamte Kosmos trüb. Nach dem Einfangen der Elektronen jedoch konnte sich die elektromagnetische Strahlung nahezu ungehindert im Raum bewegen.

Die Folge: Das Universum wurde erstmals transparent – und setzte das erste Licht frei. Noch ging dieses Licht nicht von Sternen oder anderen punktuellen Quellen aus – diese entstanden erst Millionen Jahre später. Dafür aber haben sich die Überreste dieser Ur-Strahlung bis heute erhalten – in der kosmischen Hintergrundstrahlung. Diese Strahlung hat allerdings nicht mehr die gleiche kurze Wellenlänge wie einst, sondern ist in den Mikrowellenbereich verschoben.

400 Photonen pro Kubikzentimeter

Immerhin noch rund 400 Photonen der kosmischen Ur-Strahlung gibt es noch heute in jedem Kubikzentimeter des Weltraums. Vor dem Beginn des digitalen Fernsehzeitalters konnte jeder sogar ein kleines Bisschen dieser kosmischen Urstrahlung ganz bequem vom Sofa aus sehen: auf dem Fernseher. Denn das typische Bildrauschen nach Sendeschluss oder auf unbelegten Kanälen bestand zu immerhin rund einem Prozent aus den Signalen der kosmischen Hintergrundstrahlung.

Die kosmische Hintergrundstrahlung ist wie eine Art kosmische Tapete nahezu gleichmäßig im Universum verteilt und lässt sich überall und in allen Richtungen nachweisen. Allerdings: Ganz exakt ist diese Gleichförmigkeit nicht, wie bereits Anfang der 1990er Jahre der COBE-Satellit der NASA nachwies. Betrachtet man einzelne Ausschnitte der Mikrowellen-„Tapete“ genauer, dann zeigen sich winzige Unterschiede, sogenannte Anisotropien: Einige Bereiche sind wenige hunderttausendstel Grad kühler, andere wärmer.

„Tapete“ mit bunten Flecken

Doch auch das bunte Fleckenmuster ist nicht ganz gleichmäßig und symmetrisch, wie Messungen des Planck-Satelliten der ESA im Jahr 2013 enthüllten: In der südlichen Himmelshemisphäre scheint der Mikrowellen-Hintergrund im Mittel etwas wärmer zu sein als in Norden.

Außerdem gibt es dort einen rätselhaften kalten Fleck in der Hintergrundstrahlung – eine riesige Zone ungewöhnlich kühler Temperaturen. „Die Erklärungen dafür reichen von einem statistischen Fehler bis hin zu bisher unentdeckter Physik“, erklärt Istvan Szapudi von der University of Hawaii in Manoa.

Nadja Podbregar
Stand: 21.04.2017

Die Hintergrundstrahlung ist mehr als nur ein buntes Muster uralter Strahlung. Ihre Feinstruktur gibt uns wertvolle Hinweise darauf, welche Prozesse kurz nach dem Urknall im Universum abliefen und wie Strahlung und Materie in der kosmischen Ursuppe verteilt waren. Und das wiederum liefert die Antwort auf eine ganz fundamentale Frage: Wie wurde der Kosmos zu dem, was er heute ist?

Atomnebel statt Sternenhimmel

Die Materie im All konzentriert sich heute in Sternen, Galaxien und dem riesigen Netzwerk kosmischer Gasfilamente. Sie bilden die großräumige Grundstruktur unseres Kosmos. Aber wie kam diese ziemlich „klumpige“ Verteilung der Materie zustande?

Theoretisch müsste sich der Kosmos nach dem Urknall gleichmäßig in alle Richtungen ausgedehnt haben – und mit ihm auch das Ur-Plasma und damit auch das Baumaterial für die erste Materie. Wäre dies geschehen, dann sähe das Weltall heute völlig anders aus: Statt unzähliger Galaxien, Sterne und Planeten gäbe es nur einen einförmigen Nebel aus Atomen und vielleicht noch Molekülen.

Eingefrorene Dichtewellen

Doch ganz offensichtlich war dies nicht der Fall – und dies spiegelt sich schon in der kosmischen Hintergrundstrahlung wider. Auf kleinster Eben erscheint sie gleichmäßig gekörnt, heißere und kühlere Stellen sind annähernd gleich verteilt. Aber zoomt man weiter heraus, werden zusätzlich unregelmäßige Ballungen wärmerer und kälterer Gebiete sichtbar.

Das Spannende daran: Diese Muster verraten, dass das Ur-Plasma im Kosmos nicht einfach ruhig vor sich reifte, sondern schon damals Unregelmäßigkeiten aufwies. Turbulenzen und Kompressionswellen erschütterten die frühe Mischung aus Strahlung und Teilchen, unter anderem verursacht durch Phasen stärkerer Ausdehnung. Als sich dann die ersten Atome bildeten, brachen diese Schwingungen zusammen – und die Dichtewellen im Ur-Plasma blieben wie eingefroren erhalten.

Abbild früher Unterschiede

Diese Zonen dichterer und dünnerer Urmaterie schufen damit erst die Voraussetzung, dass sich Sterne und Galaxien bilden konnten. Aus der Hintergrundstrahlung konnten Forscher sogar kürzlich ermitteln, dass die ersten Galaxiencluster vor mehr als zehn Milliarden Jahren sehr plötzlich in einer wahren Explosion der Sternbildung entstanden.

Die winzigen Temperatur-Abweichungen der Hintergrundstrahlung spiegeln diese frühen Verteilungs-Unterschiede wider. Überall dort, wo das Plasma ein klein wenig dichter und heißer war, wurden energiereichere Photonen frei. An diesen Stellen bildeten sich später Sterne und Galaxien. Kühlere, leerere Stellen emittierten dagegen etwas energieärmere Photonen. Sie wurden zu den eher leeren insterstellaren Räumen.

Verräterische Obertöne…

Die Struktur der Hintergrundstrahlung verrät aber noch etwas. Denn sie enthält neben den Dichtewellen auch die feinen Signale ihrer „Obertöne“. Wie bei den Schallwellen der Musik entstehen sie, weil höherfrequente Schwingungen die „Grundfrequenz“ überlagern. Einige Physiker sehen in der Hintergrundstrahlung deshalb eine Art „kosmischer Symphonie“.

Und diese Symphonie gibt Auskunft über den Anteil und die Entwicklung der Dunklen Materie und Dunklen Energie im frühen Kosmos. Nach gängiger Theorie verstärkte die Gravitationswirkung der Dunklen Materie die Amplitude der Dichtewellen im Plasma: Sie konzentrierte die Materie an den ohnehin komprimierten Stellen noch stärker.

…und die Dunkle Materie

Bei den Obertonschwingungen jedoch wirkten Dunkle Materie und die Dichtewellen teilweise gegeneinander. Dadurch flachten diese Wellen etwas ab. Diese Muster höherer Ordnung sind deshalb bis heute in der Hintergrundstrahlung schwächer ausgeprägt, als es ohne die Existenz Dunkler Materie der Fall wäre. Ähnliches gilt für die Dunkle Energie, auch sie beeinflusste die Intensität der „Obertöne“.

Die Analyse dieser Feinstrukturen der Hintergrundstrahlung erlaubt es Astronomen deshalb, den Anteil der Dunklen Materie und Dunklen Energie im Kosmos ziemlich genau zu rekonstruieren. Nach den Messdaten des Planck-Satelliten besteht unser Universum demnach aus rund 68,3 Prozent aus Dunkler Energie, zu 26,8 Prozent aus Dunkler Materie und nur zu 4,9 Prozent aus gewöhnlicher Materie – also dem Stoff, aus dem Galaxien, Sterne, Planeten und auch wir beschaffen sind.

Nadja Podbregar
Stand: 21.04.2017

Im März 2014 sorgte a href=“https://www.scinexx.de/wissen-aktuell-17339-2014-03-18.html“>eine Meldung weltweit für Aufsehen: Es hieß, Astronomen hätten in der kosmischen Hintergrundstrahlung erstmals den Beweis für die kosmische Inflation entdeckt – die explosive Ausdehnung, die Sekundenbruchteile nach dem Urknall das Universum exponentiell ausdehnte. Theoretisch postuliert wird diese explosive Ausdehnung schon länger, ob es sie aber wirklich gegeben hat, ist strittig.

Spuren uralter Gravitationswellen…

Den lange gesuchten Beweis für die kosmische Inflation wollten die Astronomen vom BICEP2-Array, einem am Südpol stehenden Mikrowellen-Teleskop, nun jedoch endlich gefunden haben. Für ihre Studie hatten sie in der kosmischen Hintergrundstrahlung nach einem ganz bestimmten Muster gefahndet: den B-Modi, einer Art Kurvenmuster in der Polarisation der Urzeit-Strahlung.

Der Grund dafür: Wenn es die kosmische Inflation gegeben hat, dann hätte diese explosive Ausdehnung starke Gravitationswellen im frühen Kosmos ausgelöst. Diese Wellen wiederum müssten im Ur-Plasma Spuren und daher auch bei Freisetzung der Hintergrundstrahlung Spuren hinterlassen haben. Die dafür typischen Muster schienen die Astronomen des BICEP2-Projekts zunächst auch gefunden zu haben.

…erweisen sich als Staub

Knapp ein Jahr später jedoch entpuppte sich die Freude als verfrüht. Denn neue Daten des Planck-Satelliten und der BICEP2- und Keck-Teleskope ergaben, dass die Astronomen einem Störeffekt aufgesessen waren: Der größte Teil der vermeintlichen Gravitationswellen-Signale stammte stattdessen von Verzerrungen der Strahlung durch interstellarer Staub in der Milchstraße.

Denn: Unsere Instrumente empfangen die Hintergrundstrahlung nicht in ihrer ursprünglichen, puren Form. Stattdessen durchströmt die Strahlung auf ihrem Weg zu uns enorme Bereiche des Kosmos – und wird auf diesem Weg durch verschiedenste Störeffekte verzerrt und verändert. Passiert die Strahlung beispielsweise massereiche Galaxien und Galaxiencluster oder Ansammlungen Dunkler Materie, wird sie durch deren Schwerkraft abgelenkt. Kosmischer Staub wiederum kann zur Streuung der Strahlung führen – und dadurch ebenfalls das subtile Muster des Mikrowellen-Hintergrunds verändern.

Was die Störeffekte verraten

Nur wenn Astronomen die einzelnen Störeffekte und ihre Wirkung genau kennen, können sie diese bei ihren Auswertungen der Hintergrundstrahlung berücksichtigen – und das war bei den BICEP2-Daten offenbar nicht der Fall. Ob es die kosmische Inflation tatsächlich gegeben hat und ob sich ihr Signal in der kosmischen Hintergrundstrahlung finden lässt, bleibt daher vorerst unklar.

Ungeachtet dieser Probleme haben die verzerrenden Vordergrund-Effekte jedoch durchaus Vorteile: Aus ihnen können die Astronomen ebenfalls wertvolle Informationen gewinnen. Als der Planck-Satellit die von der Milchstraße ausgehenden „Störsignale“ kartierte, enthüllte er beispielsweise eine zuvor unbekannte, riesige Ringstruktur. Dieser aus polarisierter Synchrotronstrahlung gebildete Ring nimmt ein Drittel des gesamten Himmels ein.

Eine weitere Kartierung ermöglichte es Astronomen, die bisher genaueste Karte des Magnetfelds in unserer Milchstraße zu erstellen. Sie gibt Einblicke in die Verteilung von interstellarem Staub, erlaubt aber auch Rückschlüsse auf die Geschichte unserer Heimatgalaxie.

Nadja Podbregar
Stand: 21.04.2017

Die kosmische Hintergrundstrahlung ist mit unserem Universum gewachsen: Als sich dieses ausdehnte, dehnte sich auch diese Urzeit-Strahlung mit. Das macht sie zu einem wertvollen Zeugen der kosmischen Expansion. An ihrer Energie und Struktur können Astronomen die Hubble-Konstante ablesen – und damit, wie schnell sich das Universum ausdehnt.

Schneller oder langsamer?

Allerdings: Die Daten des Planck-Satelliten ergaben einen überraschend niedrigen Wert für die Hubble-Konstante: Er lag bei nur 67,15 Kilometer pro Sekunde pro Megaparsec (km/s/Mpc), frühere Messungen anhand von Supernovae kamen jedoch 70 bis 75 km/s/Mpc. Stimmen die aus der Hintergrundstrahlung abgeleiteten Planck-Werte, dann würde das bedeuten, dass sich das Weltall etwas langsamer ausdehnt als bisher angenommen.

Das Problem dabei: Seither haben weitere Astronomengruppen versucht, die Hubble-Konstante zu bestimmen und die seltsame Diskrepanz aufzulösen – ohne Erfolg. Sowohl die neuen Messungen auf Basis von veränderlichen Sternen und Supernovae, als auch mit Hilfe von Quasaren bestätigten und verstärkten die Kluft zwischen den Werten. Denn sie kamen auf eine Hubble-Konstante zwischen 71,9 und 73,2 km/s/Mpc – und damit auf eine um fünf bis neun Prozent schnellere Ausdehnung des Universums.

Hinweis auf „neue Physik“?

Welcher Wert stimmt nun? Zwar scheint die Abweichung auf den ersten Blick gering. Die Hubble-Konstante bildet aber eine wichtige Basis für unser kosmologisches und auch physikalisches Standardmodell. Sie genau zu kennen ist daher entscheidend. „Die Hubble-Konstante kann bestätigen oder aber widerlegen, ob unser Bild des Universums korrekt ist oder ob wir etwas Fundamentales übersehen“, erklärt Sherry Suyu vom Max-Planck-Institut für Astrophysik.

Astronomen suchen daher nun fieberhaft nach möglichen Erklärungen für die Diskrepanzen. Eine Unsicherheit ergibt sich aus der Tatsache, dass die Hintergrundstrahlung die Eigenschaften des frühen Universums wiederspiegelt, während die anderen Messungen das heutige Weltall untersuchen. Theoretisch wäre es daher möglich, dass beispielsweise die mysteriöse Dunkle Energie im frühen Kosmos anders wirkte als heute oder die Anteile von Dunkler Materie und Energie falsch berechnet sind.

Aber auch unbekannte Teilchen oder ein unvollständiges Verständnis der Gravitation könnten zu den Abweichungen führen. Astronomen schließen jedenfalls nicht aus, dass sich hinter den Diskrepanzen ein Hinweis auf neue physikalische Gegebenheiten verbirgt. „Unser Diskrepanzen sprechen dafür, dass in unserem jetzigen physikalischen Verständnis des Universums etwas fehlt“, sagt Alex Filippenko von der University of California in Berkeley.

Hoffnung setzen die Astronomen nun auf neue, im den nächsten Jahren startende Weltraumteleskope, wie das James Webb-Teleskop der NASA, die noch weiter ins All hinausblicken und so neue kosmische Messlatten erspähen können.

Nadja Podbregar
Stand: 21.04.2017