03.10.2006

Nobelpreis in Physik 2006

Zwei US-Amerikaner - John C. Mather und George Smoot - werden für ihre Untersuchungen des kosmischen Strahlungshintergrunds mit dem Physik-Nobelpreis geehrt.

Zwei US-Amerikaner - John C. Mather und George Smoot - werden für ihre Untersuchungen des kosmischen Strahlungshintergrunds mit dem Physik-Nobelpreis geehrt.

Die Königlich Schwedische Akademie der Wissenschaften verleiht in diesem Jahr den Nobelpreis in Physik zu gleichen Teilen an die beiden Astrophysiker John C. Mather und George Smoot für ihre Entdeckung, dass die kosmische Hintergrundstrahlung dem Planckschen Strahlungsgesetz folgt und richtungsabhängige Schwankungen aufweist. Diese Ergebnisse hatten Mather (60), der am Goddard Space Flight Center der NASA arbeitet, und Smoot (61) von der University of California in Berkeley als leitende Forscher des Satellitenprojekts COBE (Cosmic Background Explorer) erzielt.

Abb.: Die Physik-Nobelpreisträger 2006: John C. Mather (links) und George Smoot (rechts).

Die NASA hatte den COBE-Satelliten am 18. November 1989 gestartet, um die kosmische Hintergrundstrahlung zu untersuchen, die als „Echo“ des Urknalls das Universum erfüllt. Heute geht man davon aus, dass das Universum vor 13,7 Mrd. Jahren mit dem Urknall entstanden ist und sich seither ausdehnt. Es war zunächst extrem heiß und dicht mit Elementarteilchen und Strahlung erfüllt. Mit seiner Expansion kühlte sich das Universum rasch ab. Als die Strahlung noch etwa 3000 K heiß war, bildete sie mit den Wasserstoffkernen und Elektronen ein nahezu homogenes Plasma, dessen geringe Dichteschwankungen während der Inflation – einer Phase äußerst schneller Ausdehnung – kurz nach dem Urknall angelegt worden waren. Während die Wasserstoffkerne aufgrund der Schwerkraft von den dichteren Bereichen angezogen wurden, konnte sich die Strahlung auch gegen die Gravitation ausbreiten. Dabei entstanden akustische Schwingungen, die die Materiedichte und auch Temperatur der Hintergrundstrahlung lokal erhöhten oder verringerten.

Etwa 380.000 Jahre nach dem Urknall hatte sich die Strahlung soweit abgekühlt, dass sie die Wasserstoffatome nicht mehr ionisieren konnte. Daraufhin entkoppelten die Photonen der Hintergrundstrahlung von der übrigen Materie und das Universum wurde lichtdurchlässig. Dabei wurde die in der Strahlung enthaltene Information über die Dichte- und Temperaturschwankungen im frühen Universum konserviert. Die Dichteschwankungen leiteten später die Strukturentstehung im Universum ein. Heute hat die Hintergrundstrahlung nur noch eine Temperatur von 2,7 K. Aus ihren räumlichen Temperaturschwankungen lassen sich aber noch immer wichtige Aufschlüsse über die Entwicklung des Universums gewinnen. Dies wurde mit dem COBE-Satelliten erstmals in Angriff genommen.

Nachdem Penzias und Wilson 1964 die kosmische Hintergrundstrahlung entdeckt hatten (Nobelpreis 1978), stellte sich die Frage, ob diese Strahlung dem Planckschen Gesetz für einen schwarzen Strahler folgt, wie es bei einem heißen Urknall mit anschließender Expansion der Fall sein sollte. Von der Erdoberfläche aus konnte man dies nicht überprüfen, da die Erdatmosphäre beim Maximum dieser Strahlung besonders stark ist. Der COBE-Satellit sollte hier Abhilfe schaffen. Er hatte drei verschiedene Detektoren an Bord, die dank seiner Polarbahn die Strahlung über den gesamten Himmel aufnehmen konnten.

John Mather, der Projektleiter von COBE, war für FIRAS, das Far InfraRed Absolute Spectrophotometer, verantwortlich. Damit wurde das Spektrum der kosmischen Hintergrundstrahlung aufgenommen. Es zeigte sich, dass die Hintergrundstrahlung so eng der Planckschen Strahlungskurve folgt, wie kein anderer bekannter Strahler. Die Abweichungen betrugen nur etwa ein tausendstel Prozent. Die Temperatur der Hintergrundstrahlung ergab sich zu 2,725 ± 0,002 K.

Neben dem Diffuse Infrared Background Experiment (DIRBE) gab es an Bord von COBE noch das Differential Microwave Radiometer (DMR), für das George Smoot verantwortlich war. DMR verglich die aus verschiedenen Richtungen einfallende Hintergrundstrahlung miteinander. Dazu wurde die Strahlung mit zwei Hörnern aufgefangen, die um 60° gegeneinander geneigt waren. Mit einer elektronischen Schaltung wurden die Intensitätsunterschiede bestimmt. Auf diese Weise konnten erstmals die Dipol- und Quadrupol-Anisotropien der Hintergrundstrahlung über den gesamten Himmel gemessen werden. Die beobachteten gaußschen Temperaturschwankungen waren ein wichtiges Indiz dafür, dass nach dem Urknall tatsächlich eine Inflationsphase stattgefunden hatte.

Inzwischen haben weitere Experimente und Satellitenmissionen die Hintergrundstrahlung noch genauer vermessen. Insbesondere WMAP, die Wilkinson Microwave Anisotropy Probe, hat die Temperaturschwankungen und die Polarisation der Hintergrundstrahlung mit einem überwältigenden Detailreichtum aufgenommen. Dadurch wird es möglich, die Dichteschwankungen im frühen Universum genauer zu beobachten und auch den Einfluss der dunklen Materie auf die Entwicklung des Kosmos besser zu verstehen. John C. Mather und George Smoot haben diese Entwicklung eingeleitet und auch durch allgemeinverständliche Bücher und Vorträge einem großen Publikum nahegebracht.

Rainer Scharf

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