Die kosmische Hintergrundstrahlung

 Die kosmische Hintergrundstrahlung wird auch „Echo des Urknalls“ genannt. Sie besteht aus Photonen, die kurz nach Entstehung des Weltalls ausgesandt wurden. Die Erforschung der kosmischen Hintergrundstrahlung bietet Informationen über die Eigenschaften des gerade geborenen Kosmos. Auf die Existenz kosmischer Hintergrundsstrahlung wies in den 1940er Jahren bereits George Gamow hin. Gamow hatte erkannt, dass die Energie des heißen Urknalls nach Milliarden von Jahren infolge der Ausdehnung des Weltalls verdünnt und abgekühlt sein muss. Seine Theorie geriet allerdings in Vergessenheit. Erst 1965 wurde die kosmische Hintergrundstrahlung zufällig von den amerikanischen Radiotechnikern Arno Penzias und Robert Wilson entdeckt, die versuchten, den Ursprung eines geheimnisvollen Störsignals in ihrer Radioantenne zu ergründen. Die kosmische Hintergrundstrahlung ist ein sehr schwaches Radiorauschen mit Spitzenhelligkeit auf einer Wellenlänge von etwa 1mm. Dieses Rauschen gelangt aus allen Richtungen des Weltalls zu uns und zeigt immer und überall dieselbe Strahlungstemperatur und –intensität. 


Die kosmische Hintergrundstrahlung ist das älteste Signal im Weltall. Kurz nach dem Urknall, als das Weltall noch eine sehr hohe Temperatur und Dichte aufwies, war die glühend heiße „Ursuppe“ undurchsichtig. Die Materie bestand in den ersten 100.000 Jahren aus einzelnen elektrisch geladenen Teilchen (positiven Atomkernen und negativen Elektronen). Strahlung kann sich in einem so dichten Plasma nicht ausdehnen: Jedes ausgesandte Photon wird innerhalb kürzester Zeit durch ein Elektron absorbiert oder zerstreut.

Etwa 380.000 Jahre nach dem Urknall hatte sich die Materie ausreichend abgekühlt, um neutrale Atome bilden zu können. Elektronen banden sich an Atomkerne, und die enge Verbindung zwischen Materie und Energie war zu Ende. Ab diesem Zeitpunkt konnten sich Photonen ungehindert durch das Weltall bewegen. Dies sind die ersten „freien“ Photonen mit einer kurzen Wellenlänge und hoher Energie, die man nun mit empfindlichen Detektoren als kosmische Hintergrundstrahlung mit niedriger Energie und langen Wellen wahrnehmen kann.

Diese Entdeckung bestätigte die Urknalltheorie, der zufolge das Universum anfangs ein heißes, dichtes Plasma aus geladenen Teilchen und Photonen war. Seit jener Zeit hat sich die Hintergrundstrahlung durch die Expansion des Kosmos abgekühlt und ist heute extrem "kalt": Sie entspricht der Strahlung, die ein Körper bei einer Temperatur von nur 2,7 Kelvin (Grad Celsius über dem absoluten Nullpunkt) abgibt. Doch als die Strahlung entstand, war sie fast 3000 Kelvin "heiß".
Wird ein Fernsehgerät nicht auf einen Sendekanal abgestimmt, so stammt das Flimmern und Rauschen auf dem Schirm zu rund einem Prozent von dieser Hintergrundstrahlung.
Der amerikanische COBE-Satellit (COsmic Background Explorer) zeichnete 1991 erstmals minimale Temperaturschwankungen in der kosmischen Hintergrundstrahlung auf. Die Hintergrundstrahlung besitzt eine Durchschnittstemperatur von 2,7 Kelvin (2,7 Grad über dem absoluten Nullpunkt), doch COBE entdeckte lokale Unterschiede von etwa 1/100 %. Die Himmelskarte, auf der die Temperaturschwankungen sichtbar sind, wird auch als Geburtsfoto des Weltalls bezeichnet, da die kosmische Hintergrundstrahlung Informationen über die früheste Jugend des Universums liefert.

Inzwischen sind die Temperaturschwankungen sehr viel genauer durch die Wilkinson Microwave Anisotropy (WMAP) ergründet worden.

Bei den Temperaturschwankungen handelt es sich um Spuren minimaler Dichtefluktuationen im heißen Urknallgas, aus dem später Galaxien und Galaxienhaufen entstanden. 

Durch den Vergleich statistischer Eigenschaften dieser Fluktuationen mit denen der heutigen Verteilung der Galaxien und Haufen im Weltall gewinnen die Kosmologen Einblick in die Bedingungen, Konstellationen und die Evolution des Kosmos. Neben den Temperaturschwankungen in der kosmischen Hintergrundstrahlung wird mit äußert empfindlichen Radioteleskopen auch die Polarisierung der Hintergrundstrahlung erforscht. Hieraus gewinnt man Kenntnis über die Bewegungen im Urknallgas.
Durch das 2009 gestartete Weltraumteleskop Planck (auch Planck Surveyor genannt) hoffen Kosmologen sogar äußerst schwache Polarisationssignale aufzuspüren, die bei Quantenprozessen im Inflationszeitalter entstanden sein müssen, im ersten minimalen Bruchteil einer Sekunde nach der Entstehung des Weltalls.