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Jun 27, 2023

Das erste Licht im Universum kann dabei helfen, die kosmische Geschichte zu entschlüsseln

Der kosmische Mikrowellenhintergrund trägt eine Aufzeichnung von Ereignissen in der 13,8 Milliarden Jahre alten Geschichte des Universums mit sich. So wie Charles Darwin einst den Fossilienbestand nutzte, um die Geschichte zu erzählen

Der kosmische Mikrowellenhintergrund trägt eine Aufzeichnung von Ereignissen in der 13,8 Milliarden Jahre alten Geschichte des Universums mit sich.

So wie Charles Darwin einst den Fossilienbestand nutzte, um die Geschichte der Entwicklung des Lebens auf der Erde zu erzählen, nutzen Astronomen das erste Licht, das jemals durch das Universum scheint, um Ereignisse zu verstehen, die den Kosmos geformt haben.

Dieses erste Licht wird „Kosmischer Mikrowellenhintergrund“ (CMB) genannt, eine übrig gebliebene Strahlung, die sich fast gleichmäßig im Universum verteilt. Das CMB trägt die Signaturen der physikalischen Prozesse des frühen Universums in sich und verfügt über einzigartige Merkmale, die zur Bestimmung der Zusammensetzung des Universums verwendet werden können.

Genauso wie sich die Erforschung der biologischen Evolution seit der Zeit Darwins weiterentwickelt hat, hat sich auch die Art und Weise verändert, wie Kosmologen dieses kosmische Fossil verwenden, und künftige Missionen werden den Fokus verstärkt auf das CMB und seine Erkenntnisse über die Funktionsweise des Universums legen weiterentwickelt.

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Am Montag, den 2. Juli, bot die Astrophysikerin Erminia Calabrese beim National Astronomy Meeting 2023 (NAM 2023) an der Universität Cardiff im Vereinigten Königreich einen Überblick darüber, wo die CMB-Wissenschaft derzeit steht und wohin sie sich in naher Zukunft entwickeln wird.

„Der Grund, warum dieses Licht wirklich die treibende Kraft der modernen Kosmologie war, liegt darin, dass es während der gesamten kosmischen Geschichte dort war“, sagte Calabrese. „Es war von Anfang an da, es hat alles durchgemacht, was das Universum erlebt hat. Es reiste durch die Entstehung der ersten Sterne, die sich bildende und sich entwickelnde großräumige Struktur des Universums.“

„Auf dieser Reise zu uns hat es im Grunde genommen Abdrücke all dieser Physik eingefangen und trägt sie mit sich, wenn es heute ist.“

Wenn man etwa 380.000 Jahre in der kosmischen Geschichte zurückreisen könnte, bis zu dem Punkt, an dem das Universum mit einer dichten, heißen Suppe aus Elektronen und Protonen gefüllt war, würde man als Erstes bemerken, wie dunkel der Kosmos ist.

Der Grund dafür, dass diese frühe Epoche in der 13,8 Milliarden Jahre alten Geschichte des Universums im wahrsten Sinne des Wortes ein kosmisches dunkles Zeitalter ist, liegt darin, dass die Fülle an freien Elektronen dazu führte, dass Photonen, Lichtteilchen, endlos gestreut wurden und so an der Ausbreitung gehindert wurden. Zu diesem Zeitpunkt war das Universum im Wesentlichen lichtundurchlässig.

„Was wir also sehen, ist das allererste Licht, das jemals im Universum emittiert wurde und aus Photonen besteht, die während des Urknalls emittiert wurden“, erklärte Calabrese. „Die Photonen waren in Wechselwirkungen mit allem anderen gefangen, was bedeutet, dass jedes Teilchenphänomen, das in dieser sehr heißen und dichten Phase des Universums auftrat, mit diesen Photonen interagierte.“

Das bedeutet, dass die Photonen, während sie gefangen waren, eine Aufzeichnung der Physik im frühen Universum erstellten, aber sie konnten nicht für immer gefangen und im Gleichgewicht mit der Materie bleiben.

Schließlich dehnte sich das Universum aufgrund der raschen kosmischen Inflation infolge des Urknalls aus und kühlte so weit ab, dass sich Elektronen mit Protonen verbinden und die ersten neutralen Atome bilden konnten. Dies wird als Rekombinationsperiode bezeichnet, auch wenn Elektronen und Protonen zuvor nicht verbunden waren.

Anfangs war das Licht, aus dem das CMB besteht, unglaublich heiß und energiereich, aber als sich das Universum weiter ausdehnte, kühlte es ab und verlor Energie, wodurch die Frequenz dieser Strahlung auf den Mikrowellenbereich des elektromagnetischen Spektrums reduziert wurde.

Calabrese erklärt, dass das CMB derzeit die Form eines Strahlungsfeldes mit einer Temperatur von 2,7 Kelvin (-455 Grad Fahrenheit oder -270,4 Grad Celsius) annimmt.

Da die Rekombination im gesamten Universum gleichzeitig stattfand, strömt CMB-Strahlung aus allen Richtungen gleichmäßig auf uns zu. Das bedeutet, dass dieses kosmische Fossil in allen Bereichen des Himmels gleich aussieht – was Wissenschaftler als isotrop bezeichnen.

Diese Gleichheit, selbst auf gegenüberliegenden Seiten des Universums in Bereichen, die derzeit nicht miteinander in Kontakt stehen, ist einer der wichtigsten Beweise dafür, dass das Universum einst in einem heißen und dichten Zustand existierte und dann eine Periode schneller Inflation durchlief, die wir heute nennen Urknall. Aber gerade in den Bereichen, in denen winzige Unterschiede auftreten, finden Wissenschaftler einen nützlichen kosmischen Fossilienbestand.

Innerhalb des CMB gibt es kleine Abweichungen von dieser Einheitlichkeit, die als Anisotropien bezeichnet werden. Durch diese Anisotropien enthält das CMB Informationen über die Entwicklung des Universums.

Kleinräumige Anisotropien im CMB stellen winzige Dichteschwankungen im frühen Universum dar, die schließlich zur Entstehung von Galaxien und Galaxienhaufen führten. Obwohl sie winzig sein mögen, hätte die großräumige Struktur, die wir heute im Universum sehen, ohne diese Variationen nicht Gestalt annehmen können.

Es sind größere Anisotropien, die den Inhalt des Universums und die Häufigkeit dieser Elemente im Laufe der kosmischen Geschichte offenbaren. Dazu gehört nicht nur sichtbare „alltägliche“ Materie, die aus Atomen besteht und Sterne, Planeten, kosmische Gaswolken und uns bildet, sondern auch unsichtbare dunkle Materie und dunkle Energie, die Kräfte, die die derzeit beschleunigte Expansion des Universums vorantreiben.

„Insbesondere gibt es drei Methoden, mit denen wir arbeiten, um die CMB zu untersuchen: Wir können in den Weltraum fliegen, und wir hatten drei verschiedene Generationen von Satelliten, die sich der Messung der CMB-Anisotropien widmeten“, erklärte Calabrese. „Man kann auf der Erde bleiben, aber versuchen, mit Stratosphärenballons höher in die Atmosphäre zu gelangen, oder man bleibt einfach am Boden und beschäftigt sich dann mit der Atmosphäre. Alle diese Methoden haben Vor- und Nachteile; kein einzelnes Experiment kann einem Zugang zu allem verschaffen.“ ."

In Calabreses NAM 2023-Vortrag betonte der Forscher die Notwendigkeit zukünftiger CMB-Studienmissionen, die grundlegende Fragen beantworten könnten, wie zum Beispiel, woraus dunkle Materie besteht und wie die Massenverteilung im Universum großräumig ist.

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Eine dieser von Calabrese erwähnten Missionen ist die als Space Lite (Light)-Satellit bekannte Mission der japanischen Luft- und Raumfahrtbehörde (JAXA) zur Untersuchung der B-Mode-Polarisation und Inflation aus der kosmischen Hintergrundstrahlungserkennung (LiteBIRD).

LiteBIRD wird drei Jahre lang den gesamten Himmel von der Umlaufbahn aus beobachten und laut JAXA eine beispiellose Empfindlichkeit erreichen, die es ihm ermöglicht, präzise zwischen CMB- und Vordergrundstrahlungssignalen von Quellen wie kosmischem Staub zu unterscheiden. Das bedeutet, dass LiteBIRD, dessen Start für 2028 geplant ist, dazu beitragen könnte, die Lücken in der kosmischen Evolution zu schließen, die aktuelle Urknallmodelle nicht erklären können.

„Wir haben wirklich keine Antworten auf die großen grundlegenden Fragen, die wir mit der CMB-Temperatur beantworten wollten, und jetzt müssen wir den nächsten Schritt machen und weiterhin alles erforschen und nutzen, was im CMB enthalten ist, um sie beantworten zu können.“ „, sagte Calabrese.

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Robert Lea ist ein Wissenschaftsjournalist im Vereinigten Königreich, dessen Artikel in Physics World, New Scientist, Astronomy Magazine, All About Space, Newsweek und ZME Science veröffentlicht wurden. Er schreibt außerdem über Wissenschaftskommunikation für Elsevier und das European Journal of Physics. Rob hat einen Bachelor of Science in Physik und Astronomie von der britischen Open University. Folgen Sie ihm auf Twitter @sciencef1rst.

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