Astronomen messen Temperatur der kosmischen Hintergrundstrahlung vor 13 Milliarden Jahren
Die Temperatur der kosmischen Hintergrundstrahlung lag vor 13 Milliarden Jahren zwischen 16 bis 30 Kelvin, also 16 bis 30 Grad über dem absoluten Nullpunkt. Das zeigen Beobachtungen eines Forscherteams aus Deutschland, Frankreich und Italien mit einem speziellen Radioteleskop in den französischen Alpen. Heute beträgt die Temperatur der Hintergrundstrahlung nur noch 2,7 Kelvin. Es ist das erste Mal, dass es Astronomen gelang, diese Temperatur in der Frühzeit des Kosmos zu bestimmen. Der Wert sei in guter Übereinstimmung mit den Vorhersagen des kosmologischen Standardmodells, so die Wissenschaftler im Fachblatt „Nature“.
Etwa 380.000 Jahre nach dem Urknall hatte sich der Kosmos auf eine Temperatur von 3000 Kelvin abgekühlt – „kühl“ genug, um die Entstehung von Wasserstoff- und Helium-Atomen aus dem vorherigen Plasma subatomarer Teilchen zu erlauben. Damit wurde das Universum zugleich durchsichtig für elektromagnetische Strahlung. Die damals freigesetzte Strahlung erfüllt den Kosmos noch heute als „kosmische Hintergrundstrahlung“. Die Expansion des Weltraums hat die Strahlung inzwischen auf eine Temperatur von 2,7 Kelvin knapp über dem absoluten Nullpunkt abgekühlt.
Der genaue Verlauf der Temperatur der Hintergrundstrahlung hängt davon ab, woraus das Universum genau besteht. Nach heutigen Erkenntnissen macht die „baryonische Materie“ – also der Stoff, aus dem Sterne, Planeten und auch wir bestehen – nur etwa fünf Prozent des Kosmos aus. Weitere 26 Prozent trägt die rätselhafte Dunkle Materie bei – die mit ihrer Anziehungskraft Galaxien und Galaxienhaufen zusammenhält. Noch rätselhafter ist der Löwenanteil von 69 Prozent: Eine als „Dunkle Energie“ bezeichnete Komponente, die zu einer Beschleunigung der kosmischen Expansion führt.
Unklar ist bislang nicht nur, woraus Dunkle Materie und Dunkle Energie physikalisch bestehen, sondern auch, ob diese Komponenten sich im Verlauf der kosmischen Geschichte verändert haben. Im kosmologischen Standardmodell nehmen die Astrophysiker an, diese Bestandteile des Universums seien konstant. Auf dieser Basis können sie vorhersagen, wie das Universum früher ausgesehen haben muss. Abweichungen von diesen Vorhersagen – etwa bei der Temperatur der Hintergrundstrahlung – wären daher ein Hinweis auf „neue Physik“ jenseits des Standardmodells.
Bislang lagen nur wenig Daten über den Verlauf der Temperatur der Hintergrundstrahlung vor, da sich diese nur indirekt bestimmen lässt. Dominik Riechers von der Universität zu Köln und seine Kollegen sind bei Beobachtungen mit dem Northern Extended Millimeter Array – kurz NOEMA – in den französischen Alpen jetzt auf eine ausgedehnte Wolke aus Wasserdampf in der Starburst-Galaxie HFLS3 gestoßen. So nennen Astronomen Galaxien, in denen explosionsartig neue Sterne entstehen. Die Strahlung von HFLS3 benötigt 13 Milliarden Jahre bis zur Erde – die Forscher sehen das System also so, wie es 800 Millionen Jahre nach dem Urknall vor 13,8 Milliarden Jahren ausgesehen hat.
Die Kombination der Strahlung der vielen heißen, jungen Sterne in HFLS3 mit der Hintergrundstrahlung führt dazu, dass die Wasser-Moleküle in der Wolke Strahlung bei bestimmten Wellenlängen absorbiert – und aus der Stärke dieser Absorption konnten die Forscher dann auf die dort herrschende Temperatur der Hintergrundstrahlung schließen. Zwar ist diese Messung noch nicht übermäßig genau, aber es ist die erste Messung dieser Art für die Frühzeit des Kosmos. Und bereits damit lassen sich einige besonders exotische Modelle für die Dunkle Energie ausschließen, so Riechers. Jetzt wollen die Forscher nach weiteren Galaxien suchen, bei denen sie diesen Effekt messen können – und so genauere Werte für die Temperatur der Hintergrundstrahlung im jungen Kosmos erhalten.
Bildquelle: IRAM
