D4 Urknall: Mikrowellenradiometrie des frühen Universums

Thema

Das zentrale Element dieses Modells ist das Spektrum der kosmischen Mikrowellenhintergrundstrahlung selbst, das durch aufeinanderfolgende Weltraummissionen mit immer größerer Präzision gemessen wurde.

Ein Pioniersatellit trug drei verschiedene Instrumente: Eines maß mit beispielloser Genauigkeit das vollständige Spektrum dieser kosmischen Hintergrundstrahlung mithilfe eines kryogenen Interferometers und bestätigte, dass es sich um ein nahezu perfektes Schwarzkörperspektrum mit extrem geringen Abweichungen handelt – ein Ergebnis, das später mit dem Nobelpreis ausgezeichnet wurde. Ein weiteres Instrument entdeckte zudem großräumige Winkel-Temperaturanisotropien.

Eine nachfolgende Mission verbesserte die Winkelauflösung, mit der dasselbe Spektrum gemessen wird, erheblich und maß sein Leistungsspektrum bis in viel feinere Skalen, wodurch das Alter des Universums mit einer Genauigkeit von einem Prozent bestimmt werden konnte.

Die zugrunde liegende Physik ist einfach: Ein heißer Urknall erzeugt notwendigerweise ein reines Schwarzkörperspektrum. Jede Abweichung von diesem Spektrum würde daher auf das Vorhandensein neuer Energieprozesse im frühen Universum hinweisen.

Das bemerkenswerteste Merkmal des ersten Instruments ist seine einzigartige Konstruktion: Es vergleicht die Strahlung des Himmels direkt mit einem internen Referenz-Schwarzkörper, dessen Temperatur auf das Millionstel Grad genau geregelt ist. Dadurch wird das Eigensignal des Instruments vollständig eliminiert, bis nur noch der reine Abdruck der kosmischen Mikrowellenhintergrundstrahlung sichtbar ist. Die Detektion von Temperaturvariationen im größtmöglichen Winkelbereich zeigte zudem, dass die Keimzellen großräumiger Strukturen bereits in dieser frühen Phase angelegt waren. Vom Spektrum der kosmischen Mikrowellenhintergrundstrahlung, mit dem diese Arbeit beginnt, bis hin zu den bereits angelegten Strukturkeimen, mit denen sie endet, ermöglicht die Urknallradiometrie – dank des kryogenen Interferometers und der verbesserten Winkelauflösung der nachfolgenden Mission – die Erkenntnis, dass ein einziges, mit immer größerer Präzision gemessenes Spektrum letztendlich sowohl die rein thermische Natur des frühen Universums als auch den Ursprung aller nachfolgenden Strukturen offenbart.

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