Kosmischer Mikrowellenhintergrund: Das thermische Echo des Urknalls

Die fossile Strahlung des Urknalls

DERkosmischer Mikrowellenhintergrund(CMB) ist die verbleibende elektromagnetische Strahlung, die etwa 380.000 Jahre nach dem Jahr emittiert wirdUrknall. Zu diesem Zeitpunkt kühlte sich das Universum ausreichend ab, um die Bildung der ersten Wasserstoffatome zu ermöglichen, wodurch der Kosmos für Licht transparent wurde. Diese Strahlung, die damals den gesamten Weltraum umspülte, wurde durch die Ausdehnung des Universums auf Zentimeterwellenlängen ausgedehnt, was heute einer Durchschnittstemperatur von \(2{,}725\ \text{K}\ entspricht).

Ein nahezu perfekter schwarzer Körper

SatellitenmessungenCOBE(1989) alsoWMAP(2001-2010) undPlanck(2009-2013) zeigten, dass das CMB-Spektrum dem Gesetz von folgtSchwarzkörperstrahlung.

Diese spektrale Verteilung weist darauf hin, dass der kosmische Mikrowellenhintergrund eine Gleichgewichtswärmestrahlung ist, die von einem Plasma aus Photonen, Elektronen und Protonen emittiert wird, die einmal in ständiger Wechselwirkung stehen.

Hinweis: :
Aschwarzer Körperist ein perfektes physikalisches System, das die gesamte einfallende Energie vollständig absorbiert und nur in Abhängigkeit von seiner Temperatur Strahlung wieder abgibt. Sein Spektrum wird durch beschriebenPlancksches Gesetz, die die spektrale Energiedichte mit der Frequenz \(\nu\) und der Temperatur \(T\) in Beziehung setzt, gemäß: \(\displaystyle B(\nu, T) = \frac{2h\nu^3}{c^2}\frac{1}{e^{h\nu/kT} - 1}\). DERkosmischer Mikrowellenhintergrundist das bekannteste natürliche Beispiel für Schwarzkörperstrahlung mit einer Abweichung von weniger als \(10^{-5}\) von der Theorie.

Anisotropien: Abdrücke der ersten Schwankungen

Trotz seiner bemerkenswerten Homogenität präsentiert sich der CMB niedrigAnisotropien(Temperaturschwankungen in der Größenordnung von \(10^{-5}\)). Diese Inhomogenitäten sind Abdrücke ursprünglicher Quantenfluktuationen, die durch die kosmische Expansion verstärkt werden. Sie dienten als Samen für die spätere Bildung vongroßräumige Bauwerkedes Universums.

Die MissionenWMAPUndPlanckhaben es möglich gemacht, diese Anisotropien mit beispielloser Präzision abzubilden und wesentliche Einschränkungen für kosmologische Parameter wie die Hubble-Konstante \(H_0\), die Materiedichte \(\Omega_m\) und die Dichte der dunklen Energie \(\Omega_\Lambda\) bereitzustellen.

Polarisation und Erinnerung an das Uruniversum

Die Polarisation des kosmischen Mikrowellenhintergrunds liefert zusätzliche Informationen über die physikalischen Prozesse, die vor der Rekombination abliefen. Insbesondere der Nachweis eines Polarisationsmodus vom Typ B könnte das Vorhandensein ursprünglicher Gravitationswellen aufdecken, wie in der Theorie von vorhergesagtkosmische Inflationformuliert vonAlan Guth(geboren 1947).

Diese Gravitationswellen hätten eine subtile Signatur in der Textur der fossilen Strahlung hinterlassen und einen indirekten Test für die ersten \(10^{-35}\ \text{s}\) in der kosmischen Geschichte bereitgestellt.

Ein Fenster in die Grundlagenphysik

Der kosmische Mikrowellenhintergrund ist nicht nur ein Überbleibsel der Vergangenheit; Es ist auch ein Fenster zur Grundlagenphysik. Die geringsten gemessenen Abweichungen in seinem Spektrum und seiner Polarisation testen die Modelle vonFLRW-Universumund die Vorhersagen derAllgemeine RelativitätstheorievonAlbert Einstein (1879-1955).

Die CMB-Analyse bestätigte, dass unser Universum zu mehr als 0,4 % räumlich flach ist und dass sichtbare Materie nur etwa 5 % des gesamten Energiegehalts ausmacht, während der Rest auf dunkle Materie und dunkle Energie verteilt ist.

Hinweis: :
Der kosmische Mikrowellenhintergrund ist im sichtbaren Bereich nicht beobachtbar, da seine Strahlung, ursprünglich im Infrarotbereich, um den Expansionsfaktor \((1 + z) \ca. 1100\ gestreckt wurde, sodass sein spektrales Maximum heute bei ungefähr \(160\ \text{GHz}\) liegt.

Quelle :WMAP-Wissenschaftsteam, ESA-Planck-Legacy-Archiv.