Vor der Erfindung des Kabelfernsehens konnte jeder nach Sendeschluß etwas vom Echo des Urknalls erhaschen: Zwar stammte der Großteil des Rauschens auf der Mattscheibe von irdischen Störquellen, doch ein Prozent wurde von der Kosmischen Hintergrundstrahlung erzeugt, die im Mikrowellenbereich den gesamten Weltraum erfüllt. Astronomen ist es nun gelungen, winzige Muster aus diesem geheimnisvollen Wispern von den Anfängen der Zeit herauszuhören – geflüsterte Botschaften von wahrhaft kosmischem Ausmaß. Denn die schwachen Temperaturschwankungen der fast homogenen Strahlung enthalten eine Art Steckbrief des Universums – sie verraten seine Struktur, Zusammensetzung und Entwicklung.
Den neuen Präzisionsmessungen zufolge ist unser Universum unendlich groß, dehnt sich in alle Ewigkeit aus, wird von einer mysteriösen Vakuumenergie dominiert und gehorcht den einfachen Gesetzen der euklidischen Geometrie – das heißt, es ist flach, ohne großräumige Krümmung. Wenn sich diese Erkenntnisse erhärten lassen, wären endlich grundlegende Fragen beantwortet, die Albert Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie 1917 und Edwin Hubbles Entdeckung der kosmischen Expansion des Weltraums 1929 aufgeworfen haben. Das ist ein geradezu gigantischer Erfolg, wenn man bedenkt, aus was für einem winzigen Blickwinkel heraus der Mensch die Milliarden von Jahren und Lichtjahren des Kosmos zu erfassen versucht. „Die Kosmische Hintergrundstrahlung ist das älteste Leuchten im Kosmos”, sagt Wayne Hu von der University of Chicago in Illinois. „Mit ihr betrachten wir das Universum, wie es einst gewesen ist” – nämlich dichter und heißer als das Zentrum der Sonne, und zwar überall. Die Elektronen bewegten sich einst frei zwischen den Atomkernen, und das Licht wurde ständig an der Materie gestreut oder von ihr verschluckt und wieder ausgespien. Auf Grund der Ausdehnung des Raumes hat die Temperatur des Kosmos aber ständig abgenommen. Bei ungefähr 3000 Grad Celsius konnten die Atomkerne Elektronen einfangen – die ersten Atome bildeten sich, größtenteils Wasserstoffatome. Dadurch hatte das Licht plötzlich freie Bahn – das Universum wurde durchsichtig. Das geschah etwa 300000 Jahre nach dem Urknall, lange bevor die Sterne und Galaxien entstanden.
Inzwischen, 13 oder 14 Milliarden Jahre später, hat die kosmische Expansion den Weltraum auf 2,73 Grad über dem absoluten Nullpunkt abgekühlt – also auf minus 270 Grad Celsius – und die Wellenlänge des ersten Lichts in den für unsere Augen unsichtbaren Millimeter- und Zentimeterbereich verschoben. Aber noch immer durchfluten über 400 Photonen vom Feuerballstadium des frühen Kosmos jeden Kubikzentimeter des Weltraums. Diese Botschafter erreichen uns erst heute, weil die Himmelsregionen, in denen sie entstanden sind, durch die Ausdehnung des Weltalls seit dem Urknall 13 oder 14 Milliarden Lichtjahre von uns entfernt sind. Die Temperatur der Kosmischen Hintergrundstrahlung ist extrem gleichförmig. Erst 1992 hat der Satellit COBE (Cosmic Background Explorer) winzige Temperaturschwankungen von etwa einem hunderttausendstel Grad entdeckt. Sie sind eine Art Abdruck von geringfügigen Inhomogenitäten im Urgas, das sich unter der Schwerkraftwirkung später zu den Galaxien, Galaxienhaufen und -superhaufen verdichtet hatte. Allerdings war COBEs Auflösungsvermögen – circa 7 Grad oder 14 Vollmond-Durchmesser – nicht hoch genug, um feine Details sichtbar zu machen. Um so größer der Ansporn, genauere Daten zu erhalten. Denn die größenabhängige Verteilung der Temperaturschwankungen – Astrophysiker sprechen vom Winkelleistungsspektrum – birgt zahlreiche wertvolle Informationen über das Universum, die nur aus schärferen Himmelsaufnahmen herauszulesen sind: die durchschnittliche Materiedichte; der Anteil gewöhnlicher Materie sowie der Anteil der ominösen Dunklen Materie, die aus exotischen, bislang unbekannten Elementarteilchen zu bestehen scheint; die Energiedichte des Vakuums (Kosmologische Konstante); die Ausdehnungsrate des Universums (Hubble-Konstante); die Natur, Verteilung und Größe der Dichteschwankungen im Urgas, woraus sich Informationen über die erste Sekunde des Universums erschließen lassen (zum Beispiel der Expansionsverlauf und die Bedeutung der Gravitationswellen); die großräumige Geometrie oder Krümmung des Weltraums, der nach Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie sphärisch, flach oder hyperbolisch sein kann: Im sphärischen Fall laufen parallele Lichtstrahlen aufeinander zu wie die Längengrade auf dem Globus, und das Universum hat ein endliches Volumen, aber – wie eine Kugeloberfläche – keine Grenze. Im flachen Fall bleiben parallele Lichtstrahlen wie in der auf Euklid zurückgehenden Schulgeometrie parallel, im hyperbolischen Fall laufen sie auseinander wie auf der Oberfläche eines Sattels – in beiden Fällen ist das Universum unendlich groß.
„Die Kosmische Hintergrundstrahlung ist für die Kosmologie, was die Erbsubstanz DNA für die Biologie ist”, sagt Max Tegmark, ein Kosmologe an der University of Pennsylvania. „Ihre Temperaturschwankungen sind eine Art kosmische DNA, weil sie die Bauanleitung für die Evolution des Universums codieren. Sie zeigen die Keime, aus denen die Sterne und Galaxien heranwuchsen.” Tegmark bezeichnet die aktuellen Versuche, diesen Code zu entziffern, als „kosmisches Genom-Projekt”. Seit COBE haben Teleskope auf der Erde und in Ballons über 30 Messungen kleinerer Himmelsausschnitte in höherer Auflösung gemacht. Aber irdische Störquellen und Effekte der Erdatmosphäre setzen Grenzen. Der entscheidende Durchbruch ist nun mit zwei Helium-Höhenballonen gelungen, die rund 40 Kilometer aufstiegen und einen weitgehend ungetrübten Blick auf den kosmischen Mikrowellenhintergrund erhaschten: BOOMERANG und MAXIMA (siehe Kasten Seite 56). Die Daten dieser Weltraumspäher übertreffen COBEs Auflösung um mehr als das Dreißigfache. „Das sind die ersten scharfen Bilder vom embryonischen Universum”, schwärmte BOOMERANG-Chef Lange, als nach monatelangen Datenauswertungen mit Supercomputern die ersten Ergebnisse veröffentlicht wurden. „Es ist die erste hochaufgelöste Karte der Hintergrundstrahlung über einen großen Himmelsbereich”, freute sich auch Wayne Hu.
Die winzigen Temperaturschwankungen lassen sich ohne Übertreibung als Botschaften aus dem frühen Universum deuten. „ Was wir auf diesen kleinen Skalen sehen, ist im Grunde Schall”, sagt Hu. „Die Photonen verhielten sich damals so wie heute Gas in der Luft. Gewöhnliche Schallwellen sind periodische Kompressionen und Verdünnungen in der Luft, die wir als Geräusche hören, wenn sie unser Trommelfell in Schwingungen versetzen. Die Photonen transportieren ebenfalls akustische Wellen. Die Schwerkraft versuchte, das Gemisch aus Photonen und Urgas lokal zu verdichten und dadurch zu erhitzen, aber sein Druck widersetzte sich dem. Diese Schallwellen können wir zwar nicht mehr hören – aber wir sehen sie als wärmere und kältere Flecken in der Hintergrundstrahlung.”
Die Stärke und Größe dieser Flecken haben die Kosmologen in ein Koordinatensystem eingezeichnet (Grafik Seite 56). Dieses Spektrum spiegelt gewissermaßen die Lautschrift des frühen Universums wider. Das erste und größte Maximum der Kurve entspricht dem Grundton. Die weiteren Maxima bei kleineren Winkeln – und somit geringeren Abständen im Urgas – entsprechen Obertönen. „Es gibt Obertöne im gleichen Sinn wie eine angeschlagene Gitarrenseite, die ein und zwei Oktaven über ihrer Grundfrequenz schwingen kann. Und wie die Kombination der Obertöne und damit der Klang in der Musik von der Art der Instrumente abhängt – einer Flöte, Violine oder Trompete –, so hängt die Verteilung der Maxima von den Kenngrößen des Universums ab, beispielsweise seinem Materiegehalt”, sagt Max Tegmark.
Die Lage des ersten Maximums im Spektrum, so besagen die kosmologischen Theorien auf der Grundlage von Einsteins Relativitätstheorie, hängt wesentlich von der mittleren Dichte der Materie und Energie im Universum ab. BOOMERANG und MAXIMA haben diesen Gipfel im Kurvenverlauf deutlich charakterisiert. Er liegt bei etwa 0,9 Grad – einem Bereich, der COBE unzugänglich war, und den auch andere Messungen bislang nicht mit hinreichender Empfindlichkeit erfassen konnten. 0,9 Grad bedeutet, so besagt die Theorie der Kosmologen, daß die Dichte des Universums sehr genau am euklidischen Grenzfall liegt. Mit anderen Worten: Die Welt ist flach! Dies bedeutet selbstverständlich keinen Rückfall in die Vorstellung von einer scheibenförmigen Erde, sondern heißt, daß das Universum auf großräumigen Skalen keine Krümmung besitzt. Die Winkelsumme eines Dreiecks mit Milliarden Lichtjahre langen Seiten wäre also, wie die Schulgeometrie es lehrt, exakt 180 Grad. Aus der Flachheit des Weltalls folgt eine weitere Eigenschaft: Wenn wir die Verhältnisse in der unseren Beobachtungen zugänglichen Region verallgemeinern dürfen, muß das Universum unendlich groß sein. Und dann wird seine gegenwärtige Ausdehnung in alle Ewigkeit weitergehen, bis die Sterne erlöschen, die Schwarzen Löcher verdampfen und die Materie zerstrahlt (bild der wissenschaft 6/1999, „Die sechs Epochen der Ewigkeit”).
Strenggenommen beweisen die Messungen freilich nicht, daß die mittlere Dichte des Universums exakt der kritischen Dichte für den euklidischen Grenzfall entspricht, dazu sind die Meßunsicherheiten noch zu groß. Theoretisch könnte der Weltraum auch ganz leicht hyperbolisch oder sphärisch sein. Doch dies ist extrem unwahrscheinlich, denn schon geringste Abweichungen von der flachen Welt hätten sich im Lauf der kosmischen Expansion so rasch verstärkt, daß eine mittlere Dichte nahe beim Grenzwert dieser euklidischen Welt heute ein kaum vorstellbarer Zufall wäre. Daran wollen viele Theoretiker nicht glauben und vermuten deshalb schon lange, daß die euklidische Metrik von Anfang an in der Architektur des Universums steckt. Die starken Indizien für eine flache Welt in der Kosmischen Hintergrundstrahlung sind also das Beste, was sich die Mehrheit der heutigen Kosmologen wünschen konnten. Um die Flachheit zu erklären, hat Alan Guth vom Massachusetts Institute of Technologie schon 1979 die Hypothese vorgeschlagen, daß das Universum in den ersten Sekundenbruchteilen seiner Existenz eine Phase der gewaltigen Ausdehnung durchlief. Diese sogenannte Inflation hätte alle Unebenheiten des Raumes blitzartig ausgebügelt – ähnlich wie eine verknitterte Tischdecke glatt wird, wenn man sie rasch auseinanderzieht.
Guths Hypothese stieß auf große Resonanz und ist heute in Form verschiedener Versionen eine begehrte Ware auf dem Markt der kosmischen Möglichkeiten. Ein weiterer Vorteil: Die Inflation kann erklären, wieso die Kosmische Hintergrundstrahlung in allen Richtungen gleichförmig erscheint. Es wäre nämlich ein Wunder, wenn – wie in der herkömmlichen Urknall-Theorie ohne Inflation – gegenüberliegende Regionen am Himmel gar nichts voneinander „ wissen” könnten. Eine inflationäre Expansion des frühen Universums dagegen setzt den kausalen Kontakt des ganzen heute sichtbaren Bereichs des Weltalls voraus, so daß sich eventuelle Dichte- und Temperaturunterschiede im Urgas sofort ausglichen. „ Unsere Daten sind eine gute Bestätigung für die Standardkosmologie und ein großer Triumph für die Wissenschaft”, urteilt MAXIMA-Teamleiter Paul Richards. In dieselbe Richtung weisen die BOOMERANG-Resultate. „Sie passen zu der neuen Kosmologie wie ein Handschuh zur Hand”, jubilierte Michael Turner von der University of Chicago im ersten Überschwang. Inzwischen haben die Forscher die Daten der Ballonexperimente im Detail verglichen. „Beide Experimente lieferten ähnliche Resultate. Das ist ein gutes Indiz dafür, daß wir auf der richtigen Fährte sind” , kommentiert Shaul Hanany von der University of Minnesota in Minneapolis.
Die BOOMERANG- und MAXIMA-Daten sind den Kosmologen auch noch in anderer Hinsicht hoch willkommen. Sie passen nämlich gut zu den Vermessungen des Weltraums mit Hilfe ferner Sternexplosionen (bild der wissenschaft 6/1999, „Neue Beweise für ein explodierendes All”). Daraus wurde geschlossen, daß sich die Ausdehnung des Alls heute nicht verlangsamt, wie es durch die Bremswirkung der Materie eigentlich zu erwarten wäre, sondern wieder beschleunigt. Dies läßt sich nur durch die Annahme einer positiven Kosmologischen Konstante erklären, die schon Einstein in die Diskussion gebracht hat. Die Natur dieser wie eine Antigravitation wirkenden Eigenschaft des Vakuums ist noch unklar. Fest steht aber, daß sie den Löwenanteil der Gesamtenergie des Universums ausmacht. Und damit paßt erstmals alles recht gut zusammen im kosmischen Puzzlespiel (bild der wissenschaft 6/1999, „Kosmischer Zahlenpoker”): Die Inflations-Hypothesen fordern und die Messungen der Kosmischen Hintergrundstrahlung finden einen flachen, euklidischen Weltraum. Die sichtbare und die ominöse Dunkle Materie bringen aber zusammen nur ein Drittel der mittleren Energiedichte auf die Waage, um den euklidischen Grenzfall zu gewährleisten. Die Kosmische Konstante jedoch liefert den Rest – nicht als Materie, sondern als Dunkle Energie, was für die kosmische Bilanz aber einerlei ist. Die genauen Anteile der einzelnen Komponenten sind noch unklar. Max Tegmark und seine Mitarbeiter haben eben eine neue Studie veröffentlicht, die immerhin gute Anhaltspunkte liefert: Den Rechnungen zufolge besteht das Universum zu 5 Prozent aus gewöhnlicher (baryonischer) Materie, zu 0,1 Prozent aus Neutrinos (heiße Dunkle Materie), zu 33 Prozent aus der kalten Dunklen Materie und zu 62 Prozent aus der Energiedichte des Vakuums (Kosmologische Konstante). Die Mischung dieses Weltraum-Cocktails ist perfekt – sie addiert sich gerade zu dem Wert der kritischen Dichte, der das flache Universum kennzeichnet. Doch inzwischen sorgen die Obertöne in der kosmischen Melodie für eine leichte Mißstimmung unter den Kosmologen: Das zweite und dritte Maximum in dem Spektrum der Hintergrundstrahlung ist zu niedrig und läßt sich in den BOOMERANG- und MAXIMA-Daten bislang allenfalls erahnen. „Das ist hochinteressant”, grinst Tegmark. „Der schadenfrohe Teil meines Charakters hat sich das gewünscht.” Wayne Hu ist weniger begeistert: „Wenn die einfachsten Modelle richtig wären, hätten wir den zweiten Gipfel entdecken müssen.” Fieberhaft suchen die Theoretiker jetzt nach Lösungsmöglichkeiten. Vielleicht sind die Ballon-Daten unzureichend. Das vermutet Anthony Readhead vom California Institute of Technology. Er ist Projektleiter von CBI (Cosmic Background Imager), einer Teleskopanlage in Chile. Seine neuesten Messungen finden ein ausgeprägteres zweites Maximum als die Messungen von BOOMERANG und MAXIMA. Vielleicht verlief die Entstehung der Atome in den ersten drei Minuten nach dem Urknall nicht gleichförmig. Eine solche inhomogene Nukleosynthese schlagen Hannu Kurki-Suonio und Elina Sihvola von der Universität Helsinki in Finnland vor. Oder es gibt 50 Prozent mehr gewöhnliche Materie im All als bislang gedacht und beobachtet. „ Eine andere spekulative Erklärung wäre, daß die Wasserstoffbildung verzögert stattfand – auf Grund einer unbekannten Energiequelle oder durch veränderte physikalische Bedingungen in der kosmischen Urzeit”, meint Hu. Auch andere kühne Hypothesen werden diskutiert: eine höhere Ausdehnungsrate des Weltraums, ein Universum ganz ohne exotische Dunkle Materie, Asymmetrien zwischen Neutrinos und Antineutrinos, eine variable Gravitationskonstante oder Lichtgeschwindigkeit, unbekannte Startbedingungen in der Inflationsepoche – oder gar eine Kombination aus mehreren Effekten. Es bleibt also spannend. Weitere Messungen mit BOOMERANG und MAXIMA sind bereits in Vorbereitung, und von den bisherigen BOOMERANG-Daten ist noch nicht einmal die Hälfte ausgewertet. Erdgebundene Teleskope wie CAT haben den Betrieb aufgenommen oder sind in Planung. Und bald wird die Raumsonde MAP starten. Sie ist empfindlich genug, um die Lage und Höhe des zweiten und dritten Kurvengipfels definitiv zu bestimmen. Und so gilt wieder einmal: Fortsetzung folgt …
Boomerang und Maxima Die 40 Millionen Dollar teure BOOMERANG-Mission (Balloon Observations of Millimetric Extragalactic Radiation and Geophysics) wird von einem 36köpfigen internationalen Team betrieben, das Paolo de Bernardis von der Universität Rom in La Sapienza und Andrew Lange vom California Institute of Technology in Pasadena leiten. Der mit einer Million Kubikmeter Helium gefüllte Ballon startete am 29. Dezember 1998 bei der McMurdo-Station in der Antarktis und machte seinem Namen alle Ehre: Nach 10,5 Tagen kehrte er, durch Hochwinde auf kreisförmigem Kurs gehalten, ähnlich wie ein Bumerang zurück – nur 50 Kilometer von seinem Startpunkt entfernt. Das 1,2-Meter-Teleskop mit den tiefgekühlten Detektoren hat 2,5 Prozent des Himmels – eine 1800 Quadratgrad große Region im Sternbild Maler – bei 90, 150, 240 und 400 Gigahertz mit 35mal höherer Auflösung als COBE vermessen, teilweise auf über 0,3 Grad genau. BOOMERANG entdeckte viele hundert Flecken in der Kosmischen Hintergrundstrahlung, die von der Durchschnittstemperatur um ein tausendstel Grad abweichen.
MAXIMA (Millimeter Anisotropy Experiment Imaging Array) ist ein Projekt unter der Leitung von Paul Richards von der University of California in Berkeley, an dem 22 Forscher aus fünf Ländern beteiligt sind. Sie hatten den Höhenballon am 2. August 1998 von Palestine in Texas gestartet. Er vermaß mit seinem 1,3-Meter-Teleskop und 16 tiefgekühlten Photometern in zwei Nächten je drei Stunden lang ein Prozent des Himmels – 22 Vollmondflächen – im Sternbild Drachen. Somit hatte MAXIMA zwar nur ein Zehntel des Himmelsausschnitts von BOOMERANG im Visier, den jedoch genauer: MAXIMAs Auflösung betrug stellenweise mehr als 0,2 Grad, weil die Detektoren auf 100 Millikelvin gekühlt waren, gegenüber 300 Millikelvin bei Boomerang.
Kompakt Die Kosmische Hintergrundstrahlung ist ein Relikt aus der Zeit 300000 Jahre nach dem Urknall, als das Universum so weit abgekühlt war, daß es durchsichtig wurde. Ihre winzigen Temperaturschwankungen verraten alle wichtigen Eigenschaften des Universums – seine Geometrie, Zusammensetzung, Vergangenheit und Zukunft. Präzisionsmessungen mit Höhenballons ergaben, daß unser Universum „flach” ist, das heißt ohne großräumige Krümmung, und ewig expandieren wird. Zwei Drittel seiner Gesamtenergie stecken im Vakuum, nicht in der Materie. Die Hypothese einer rapiden Ausdehnung kurz nach dem Urknall wurde bestätigt, doch neue Rätsel sind bereits aufgetaucht.
Rüdiger Vaas
