Sternengeschichten   /     Sternengeschichten Folge 582: Der kalte Fleck im Universum

Description

Das Universum hat einen kalten Fleck. Beziehungsweise eine Region, die k├Ąlter ist, als sie sein sollte. Was da abgeht und was das mit dem Urknall selbst zu tun hat, erfahrt ihr in der neuen Folge der Sternengeschichten: https://astrodicticum-simplex.at/?p=36793 Wer den Podcast finanziell unterst├╝tzen m├Âchte, kann das hier tun: Mit PayPal (https://www.paypal.me/florianfreistetter), Patreon (https://www.patreon.com/sternengeschichten) oder Steady (https://steadyhq.com/sternengeschichten) Zur ausverkauften "Sternengeschichten Live"-Show gibt es am 29. M├Ąrz einen Zusatztermin: https://schwarzkaue-herten.de/veranstaltung/sternengeschichten-die-live-premiere-in-unserem-spiralarm-der-milchstrasse-2// Am 24. M├Ąrz gibt es auch in der Schwarzkaue Herten die Liveshow von Folge 100 vom Podcast "Das Universum": https://schwarzkaue-herten.de/veranstaltung/das-universum-wird-100-jubilaeums-gala-2/

Subtitle
Kosmische Frostbeule
Duration
792
Publishing date
2024-01-19 06:00
Link
https://sternengeschichten.podigee.io/582-sternengeschichten-folge-582-der-kalte-fleck-im-universum
Contributors
  Florian Freistetter
author  
Enclosures
https://audio.podigee-cdn.net/1341367-m-67f9ad797474fb31cb78383be8b6f510.mp3?source=feed
audio/mpeg

Shownotes

Kosmische Frostbeule

Sternengeschichten Folge 582: Der kalte Fleck im Universum

In dieser Folge wird es kalt! Es geht um den kalten Fleck im Universum. Oder besser gesagt: Einen ganz besonderen kalten Fleck im Universum. Sieht man mal von solchen Ausnahmen wie Sternen oder Planeten ab, ist das Universum eigentlich ├╝berall enorm kalt. Aber es gibt einen Fleck, der k├Ąlter ist, als er sein sollte und den schauen wir uns heute ein wenig genauer an.

Bis wir aber so weit sind, ihn uns genauer ansehen zu k├Ânnen, m├╝ssen wir aber ein wenig Kosmologie hinter uns bringen. Wir m├╝ssen tats├Ąchlich fast beim Urknall beginnen, uns mit dunkler Materie und dunkler Energie besch├Ąftigen und sowohl den kleinsten als auch den gr├Â├čten Strukturen im Universum. Also fangen wir besser gleich damit an.

Der kalte Fleck befindet sich im Sternbild Eridanus. Von Europa aus ist das nicht zu sehen; da muss man schon bis nach Nordafrika oder den nahen Osten reisen oder noch weiter nach S├╝den. Aber das spielt auch keine Rolle, denn vom kalten Fleck ist mit freiem Auge sowieso nichts zu sehen. Auch nicht mit einem Teleskop, zumindest nicht mit einem normalen Teleskop. Man braucht ein Weltraumteleskop und ein sehr spezielles noch dazu. Der kalte Fleck zeigt sich nur den in den Bildern, die wir von der kosmischen Hintergrundstrahlung gemacht haben. Die war das Thema in Folge 316, deswegen fasse ich das nur kurz zusammen. Im fr├╝hen Universum - und wir werden uns dieses fr├╝he Universum sp├Ąter noch genauer ansehen, war alles noch sehr hei├č und sehr dicht aneinander gedr├Ąngt. Es war so hei├č, dass es noch keine Materie im heutigen Sinn gab, es gab nicht einmal fertige Atome. Es gab nur Atomkerne und freie Elektronen, die normalerweise die H├╝lle von Atomen bilden. Damals aber noch nicht bilden konnten, weil es so hei├č war. Alles hat sich dadurch so schnell bewegt, dass die Elektronen sich nicht an die Atomkerne binden konnten. Und weil das Universum so voll mit freien Elektronen war, konnte sich auch das Licht nicht ungehindert ausbreiten. Es ist von den Elektronen abgelenkt worden, hin und her gesaust und kam nicht vorw├Ąrts. Der junge Kosmos war also eine undurchsichtige Suppe aus Materie und Energie. Erst circa 380.000 Jahre nach dem Urknall war alles so weit abgek├╝hlt, dass die Elektronen sich an die Atome binden konnten. Jetzt war der Weg frei f├╝r das Licht. Die Lichtteilchen sind von allen Orten des Universums in alle Richtungen davon gesaust. Gleichzeitig hat das Universum sich aber nat├╝rlich weiter ausgedehnt. Das erste Licht ist aber zum Teil immer noch unterwegs. Die Lichtteilchen, die damals dort waren, wo wir heute sind, sind nat├╝rlich schon l├Ąngst weg. Aber daf├╝r kommt Licht von anderen Orten des Universums zu uns. Weil dieses Licht eben damals ├╝berall war, kommt es auch heute noch aus jeder Richtung am Himmel auf die Erde. Was nicht hei├čt, dass die Erde ein besonderer Ort ist; w├╝rden wir irgendwo anders im Universum sein, w├Ąre es genau so.

Fassen wir mal kurz zusammen: 380.000 Jahre nach dem Urknall hat sich das Universum so weit abgek├╝hlt, dass das Licht sich darin ausbreiten konnte. Ein Teil dieses ersten Lichts ist immer noch unterwegs und bildet deswegen eine "Hintergrundstrahlung", die von jedem Punkt des Himmels aus in Richtung Erde strahlt. In der Zeit seit damals hat sich das Universum aber auch ausgedehnt und dabei hat dieses Licht immer mehr Energie verloren. Damals war es kurzwellig, hei├č, hell und voller Energie. Heute ist die Hintergrundstrahlung kalt geworden, ihre Temperatur liegt bei circa 2,7 Kelvin; also bei -270 Grad Celsius. Das entspricht Strahlung im Mikrowellenbereich und man braucht ein entsprechendes Teleskop, dass so etwas messen kann.

Erstmal nachgewiesen hat man die kosmische Hintergrundstrahlung in den 1960er Jahren, damals noch mit Radioteleskopen von der Erde aus. F├╝r unsere Geschichte ist aber ein anderer Aspekt sehr wichtig: Die Hintergrundstrahlung muss zwar ├╝berall gleich sein, aber nicht ganz gleich. Es muss winzige Variationen geben. Das im Detail zu erkl├Ąren, w├╝rde eine Folge ben├Âtigen, die circa 10 mal so lang ist, aber ich probiere, es kurz zu halten.

Unser Universum ist voller Strukturen. Es gibt Gegenden, die sind voller Galaxien. Und Gegenden, die komplett leer sind. Auf ganz gro├čen Skalen betrachtet, sieht es zwar mehr oder weniger ├╝berall gleich aus. Aber die Materie ist eben nicht komplett gleichm├Ą├čig verteilt. Das muss einen Grund haben, den wir gehen eigentlich davon aus, dass die Materie nach dem Urknall tats├Ąchlich gleichm├Ą├čig verteilt war. Es gab keine Ecke des Kosmos, wo der Urknall einen gro├čen Haufen Zeug hin entstehen hat lassen und eine andere, die er ├╝bersehen hat. So ist das nicht gelaufen. Wie es gelaufen ist, stellen wir uns circa so vor: Das gerade entstandene Universum war voller Energie, die daf├╝r gesorgt hat, dass der Raum sich ausdehnt, und zwar absurd schnell. Das ist die Phase der kosmischen Inflation, ├╝ber die ich in Folge 573 schon gesprochen habe. Nach dieser Phase, in der sich das Universum in unvorstellbar kurzer Zeit unvorstellbar weit ausgedehnt hat, hat die Inflation geendet und dabei ist die Energie, die die Inflation angetrieben hat, in Materie umgewandelt worden. Wir haben jetzt also ein Universum, immer noch winzig, aber unvorstellbar und vor allem komplett gleichm├Ą├čig dicht gef├╝llt mit hei├čer Materie.

Wie gesagt, das war eine sehr, sehr vereinfachte Version der Geschichte. Und wenn das schon alles w├Ąre, dann m├╝sste das Universum heute ganz anders aussehen. Wenn die Materie komplett gleichm├Ą├čig verteilt gewesen w├Ąre, dann w├╝rde es keinen Grund geben, warum sich daran etwas ├Ąndern sollte. Die Gravitationskraft w├Ąre an jedem Punkt des Universums genau gleich stark. Weil ├╝berall gleich viel Materie ist, w├╝rde jeder Punkt des Universums genau so viel Gravitationskraft aus├╝ben wie jeder andere Punkt. Es g├Ąbe ein Gleichgewicht und nichts ├Ąndert sich. Das Universum w├╝rde expandieren und abk├╝hlen, aber es g├Ąbe keinen Grund, warum die Materie sich zusammenballen und so etwas wie Sterne oder Galaxien bilden sollte. Die haben sich aber gebildet. Und das liegt an der Quantenmechanik. Der Prozess, bei dem das Universum sich durch die Inflation ausgedehnt hat und bei dem die Materie entstanden ist, ist ein quantenmechanischer Prozess und - wieder ohne in die Details zu gehen - bei der Quantenmechanik gibt es immer winzige Flukuationen. Diese mikroskopischen Quantenvariationen sind durch die Inflation dann quasi aufgeblasen worden und die Materie im jungen Universum war eben nicht exakt gleich verteilt. Es gab Bereiche mit mehr und Bereiche mit weniger Materie; der Unterschied war gerade gro├č genug, dass die Strukturen entstehen konnten, die wir heute sehen.

Wenn die Materie damals aber nicht komplett gleich verteilt war, dann muss auch die Temperatur der Hintergrundstrahlung leicht unterschiedlich sein. Das liegt an etwas, das man den Sachs-Wolfe-Effekt nennt, und den m├╝ssen wir uns jetzt auch noch anschauen. Nach der Quantenmechanik kriegen wir es jetzt mit der Relativit├Ątstheorie zu tun. Wieder in der extremen Kurzversion: Wir wissen, dass Masse den Raum kr├╝mmt und das hat Einfluss auf Licht, dass sich durch den gekr├╝mmten Raum bewegt. Es gibt eine gravitative Rotverschiebung: Vereinfacht gesagt: Licht, dass sich durch einen stark gekr├╝mmten Raum bewegen muss, verliert dabei ein wenig Energie und erscheint r├Âter. Und weil das erste Licht, weil die kosmische Hintergrundstrahlung sich eben durch die nicht ganz gleichm├Ą├čig verteilte Materie bewegen musste, hat es dabei auch mal mehr und mal weniger Energie durch die gravitative Rotverschiebung verloren und damit auch eine leicht unterschiedliche Temperatur. Die Unterschiede sind winzig, es geht hier um Variationen von 1/30.000 Grad. Aber sie m├╝ssen da sein und wir haben sie gemessen. Das erste Mal 1992 mit dem COBE-Satelliten und dann immer genauer mit den Weltraumteleskopen WMAP und Planck. Wir wissen - wieder aus diversen quantenmechanischen Gr├╝nden - dass die Variationen der Temperatur in der kosmischen Hintergrundstrahlung nicht beliebig ausfallen k├Ânnen. Sie m├╝ssen bestimmten mathematischen und statistischen Mustern folgen und nach allem was wir bis jetzt gemessen haben, tun sie das auch.

Nur in einer Region des Himmels, im Sternbild Eridanus, da ist das nicht der Fall. Genau das ist der Kalte Fleck, der 2004 in den Daten des WMAP-Satelliten entdeckt und sp├Ąter durch die Beobachtungen des Planck-Weltraumteleskops best├Ątigt worden ist. Die Hintergrundstrahlung die aus dieser Richtung kommt, ist k├Ąlter als sie sein sollte und sie ist es auf eine Art, die nicht zu den quantenmechanischen Fluktuationen passt, die man erwarten w├╝rde.

Seit damals hat man durch mehr oder weniger spektakul├Ąre Erkl├Ąrungen probiert, die Existenz des kalten Flecks zu erkl├Ąren. Zu den spektakul├Ąren Erkl├Ąrungen geh├Ârt die Hypothese, dass der kalte Fleck quasi der Abdruck eines anderen Universums ist, das mit unserem verbunden war, bevor die beiden durch die rapide Expansion bei der kosmischen Inflation getrennt worden sind. Etwas weniger spektakul├Ąr, aber deutlich realistischer ist eine andere Erkl├Ąrung. Daf├╝r m├╝ssen wir nochmal zur├╝ck zum Sachs-Wolfe-Effekt. Wir d├╝fen ja nie vergessen, dass das Universum sich ausdehnt. Stellen wir uns ein Lichtteilchen der Hintergrundstrahlung vor, dass sich durch das Universum bewegt. Was passiert, wenn es sich durch eine Gegend bewegt, in der besonders viel Materie ist. Oder besonders wenig. Besonders viel Materie findet man in den Galaxienhaufen, beziehungsweise den Superhaufen, den Strukturen, die aus Galaxienhaufen bestehen. Das Gegenteil davon sind die Voids, also die gigantischen Leerr├Ąume, die zwischen den Superhaufen liegen. Wenn sich unser Photon jetzt also in so einen Galaxienhaufen hineinbewegt, dann gewinnt es zuerst Energie. Und wenn es sich wieder rausbewegt, dann verliert es Energie - genau das habe ich vorhin erkl├Ąrt, als ich den Sachs-Wolfe-Effekt erkl├Ąrt habe. Aber so ein Galaxienhaufen ist gro├č! Selbst Licht braucht lange, um diese Region zu durchqueren. In dieser Zeit hat sich das Universum weiter ausgedehnt und auch der Galaxienhaufen ist durch die Expansion des Kosmos ein bisschen weniger dicht geworden. Oder anders gesagt: Als das Lichtteilchen in den Haufen hineingeflogen ist, war der Raum noch st├Ąrker gekr├╝mmt als sp├Ąter, als es wieder rausgeflogen ist. Das Lichtteilchen hat also beim Rausfliegen weniger Energie verloren als es beim Reinfliegen gewonnen hat. Das nennt sich "integrierter Sachs-Wolfe-Effekt" und der ganze Prozess verl├Ąuft umgekehrt, wenn das Lichtteilchen aus einer normalen Region des Universums in eine Void hinein und wieder hinausfliegt. Dann kriegt es beim Rausfliegen weniger Energie zur├╝ck als es vorher verloren hat. Es ist also k├Ąlter geworden, als es sein sollte und genau das ist vermutlich die Ursache f├╝r den kalten Fleck. Irgendwo in der Richtung, in der der kalte Fleck am Himmel zu sehen ist, muss eine enorm gro├če Void sein, also ein enorm gro├čer Bereich des Universums, in dem sich so gut wie nichts befindet. Wir kennen jede Menge solcher Voids im Universum, aber die, die f├╝r den kalten Fleck verantwortlich sein k├Ânnte, haben wir erst 2015 gefunden. Sie tr├Ągt, ebenfalls nach dem Sternbild, den Namen "Eridanus Supervoid". Sie ist wirklich super; irgendwas zwischen einer halben Milliarde und einer Milliarde Lichtjahre gro├č! Das ist wirklich viel nichts; das Licht das diese Void durchquert hat, braucht dann auch noch gut 2 Milliarden Jahre, bis es bei uns angekommen ist. Und auch wenn es nicht zweifelsfrei nachgewiesen ist, sieht doch alles danach aus, als sei dieses gro├če Nichts im fernen Universum der Grund daf├╝r, dass am Himmel ein zu kalter Fleck zu sehen ist.