NASA-Video veranschaulicht die Reise eines Photons durch Raum und Zeit

Im Jahr 1964 entdeckten die beiden Physiker Arno Penzias und Robert Woodrow Wilson beim Testen einer neuen Antennenanlage per Zufall eine Strahlung aus dem Weltraum, die offenbar gleichförmig aus allen Richtungen auf der Erde einzutreffen schien. Heute ist diese Strahlung besser bekannt als der kosmische Mikrowellenhintergrund und man nimmt an, dass sie ein Relikt des Urknalls ist.

Der Urknall-Theorie zufolge entstand das Universum vor etwa 13,8 Milliarden Jahren in einer Explosion unvorstellbaren Ausmaßes und breitet sich seitdem kontinuierlich aus. In seiner Anfangszeit war das Universum mit einem extrem heißen Plasma gefüllt, bestehend aus Protonen, Elektronen und Photonen. Die hohe Dichte des Plasmas führte dazu, dass sich die Photonen nicht frei bewegen konnten, sondern ständig mit anderen Teilchen kollidierten und in andere Richtungen gestreut wurden.

Erst ungefähr 370.000 Jahre später hatte sich das Universum ausreichend abgekühlt, um die Bildung stabiler Atomkerne aus Protonen und Elektronen zu erlauben. Damit war es den Photonen auch möglich, sehr viel größere Wegstrecken zurückzulegen, ohne von freien Elektronen absorbiert und gestreut zu werden – das Universum wurde gewissermaßen „durchsichtig“. In dieser Ära lag die Anzahl der Photonen weit über der Anzahl der Protonen, weshalb die maximale Strahlungsintensität im optischen Bereich auftrat. Genau diese Strahlung hatten Penzias und Wilson entdeckt.

Aufgrund der kosmologischen Rotverschiebung kann sie jedoch nicht mehr in optischen Wellenlängen beobachtet werden, sondern ist in den langwelligeren Mikrowellenbereich des elektromagnetischen Spektrums verschoben. Moderne Instrumente haben auch gezeigt, dass der kosmische Mikrowellenhintergrund nicht so gleichförmig ist, wie es bei seiner Entdeckung zunächst den Anschein hatte: Es gibt sehr feine Unterschiede, die darauf zurückgeführt werden, dass in dem heißen Plasma Dichteanomalien auftraten und das Universum in einigen Regionen etwas weniger durchsichtig war als in anderen.

Die US-Weltraumbehörde NASA (National Aeronautics and Space Administration) hat kürzlich ein Video veröffentlicht, das die Reise eines Photons des kosmischen Mikrowellenhintergrunds durch Raum und Zeit veranschaulicht – vom Urknall bis zum Auftreffen auf die sehr empfindlichen Detektoren des Planck-Satelliten.

Die Reise eines Photons des kosmischen Mikrowellenhintergrundes durch Raum und Zeit. (NASA / JPL-Caltech)

Das Video beginnt mit der Entstehung des Photons einige Momente nach dem Urknall. Nach unzähligen Kollisionen mit anderen Teilchen kann das Photon schließlich seine Reise antreten, als sich das Universum ausreichend abgekühlt hatte. Als erste Etappe auf seiner Reise durchquert das Photon das sogenannte Dunkle Zeitalter des Universums. In diesem Zeitraum gab es weder Galaxien noch Sterne. Erst auf der zweiten Etappe wird es Zeuge der Geburt der ersten Sterne und Galaxien. Im weiteren Verlauf seiner Milliarden Jahre dauernden Reise durchfliegt es massereiche Galaxienhaufen, deren Gravitationskräfte den Kurs des Photons verändern, bis es letztendlich auf die Detektoren des Planck-Satelliten trifft und als Teil des kosmischen Mikrowellenhintergrundes identifiziert wird. Auf seiner langen Reise hat sich die Energie des Photons verringert, hier dargestellt durch den langsamen Farbübergang von Blau (was für energiereichere Wellenlängen steht) nach Rot.

Die Beobachtung des kosmischen Mikrowellenhintergrundes durch Planck und andere leistungsfähige Instrumente lässt Rückschlüsse auf die Prozesse zu, die nach der Entstehung des Universums an dessen weiteren Entwicklung beteiligt waren. Aus den geringfügigen Unterschieden in der Intensität des Mikrowellenhintergrundes versuchen Astronomen, mehr über die Strukturen zu erfahren, die sich im frühen Universum bildeten und es zu dem machten, was wir heute sehen.

(THK)