The Cosmic Microwave Background

Der kosmische Mikrowellenhintergrund (Cosmic Microwave Background, CMB) erlaubt die derzeit präziseste Bestimmung der fundamentalen Eigenschaften unseres Universums. Seit seiner Entdeckung durch Penzias und Wilson 1964 ist er zu einem sehr aktiven Gebiet der Kosmologie geworden. Seine Bedeutung wird er auch in Zukunft behalten, dank der begonnenen Planck-Satellitenmission, einer Vielzahl von Boden- und Ballon-gestützten Teleskopen und den Plänen für CMB-Polarisation-Präzisionsinstrumente.

Der CMB ist einer der erfolgreichsten Bereiche der theoretischen Kosmologie, denn seine Eigenschaften, insbesondere die Statistik der winzigen Temperaturabweichungen des Strahlungsfeldes, lassen sich sehr präzise berechnen. Dies ist für jeglichen Satz angenommener kosmischer Parameter möglich, welcher unter anderem die Massendichten aller heute noch vertretenen Teilchenpopulationen, der Strahlung sowie der mysteriösen Dunklen Energie umfasst. Weitere Parameter sind die kosmische Krümmung, die Zahl der Neutrinosorten und deren Masse, sowie Eigenschaften des Inflatons, dem hypothetischen Verursacher der postulierten Inflationsphase des Universums. All diese Parameter lassen sich durch Vergleich von Messung und Vorhersagen bestimmen.

Die Physik des frühen Universums, die für ein Verständnis des CMB notwendig ist, umfasst praktisch das gesamte Physikstudium, einschließlich der Allgemeinen Relativitätstheorie. Thermodynamik, Teilchen- und Kernphysik, Strahlungstransport, Statistik und der sichere Umgang mit Fourier- und sphärisch harmonischen Transformationen sind nötig, um sich durch die Vielzahl von Effekten zu schlagen. Bisherige Bücher über Kosmologie enthalten meist ein paar Kapitel über das frühe Universum und den Mikrowellenhintergrund. Aber da dort auch das spätere Universum mit seinen Galaxien sehr viel Raum einnimmt, ist die Behandlung des CMB nie erschöpfend, und jeder, der professionell in diesem Gebiet arbeiten möchte, muss sich auch noch durch die Fachliteratur beißen. Diese ist aber äußerst heterogen in Darstellung, Notation und insbesondere in der Wahl der Eichung der Metrik. Das erschwert es einem Novizen sehr, in die Materie einzudringen.

Daher ist das Erscheinen des auf den CMB fokussierten Buches von Ruth Durrer sehr zu begrüßen. Es füllt passgenau eine bestehende Lücke in der Bibliothek des praktizierenden Kosmologen und liefert eine komplette mathematische Beschreibung der wesentlichen physikalischen Effekte, die für ein Verständnis und die Interpretation des kosmischen Mikrowellenhintergrundes notwendig sind. Dies wird in einem angenehm knappen Stil, flottem Tempo und durchgehend einheitlicher Notation bewerkstelligt. Alle wesentlichen Formeln und Theoreme finden sich knapp in Appendizes zusammengefasst, die zum Nachschlagen und Auffrischen perfekt sind, zum Studium aber wohl zu kurz.

Behandelt werden die Kosmologie des homogenen Universums (Friedmann-Gleichungen, Nukleosynthese und Rekombination), die Entwicklung kosmischer Pertubationen von ihrer Entstehung während der Inflationsphase bis hin zu ihrer Ausprägung als Temperatur- und Polarisationsfluktuationen im CMB, sekundäre Effekte wie CMB-Lensing und Comptonisierung in Galaxienhaufen, sowie die grundlegenden statistischen Verfahren, die bei der Datenanalyse verwendet werden. Übungen mit ausgewählten Lösungen, ein Stichwortregister und ein Literaturverzeichnis auf aktuellem Stand stellen einen hohen praktischen Wert sicher. Das Buch kann jedem uneingeschränkt empfohlen werden, der sich in die Physik des Mikrowellenhintergrundes einlesen möchte und die erwähnten Voraussetzungen mitbringt.

Dr. Torsten Enßlin, MPI für Astrophysik, Garching

R. Durrer: The Cosmic Microwave Background. Cambridge University Press, Cambridge 2008,

424 S., geb., ISBN 9780521847049