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Kosmische Hintergrundstrahlung 05:23 min

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Transkript Kosmische Hintergrundstrahlung

Hallo und herzlich Willkommen zu Physik mit Kalle. Wir beschäftigen uns heute mit einem Phänomen aus der Astrophysik und zwar der "Kosmischen Hintergrundstrahlung". Für dieses Video könnte es hilfreich sein, wenn ihr euch bereits ein wenig mit der Geschichte des Universums und mit dem elektromagnetischen Spektrum auskennt. Es muss aber nicht unbedingt sein. Wir lernen Heute: was die kosmische Hintergrundstrahlung ist; wie sie entdeckt wurde und wieso sie überhaupt so wichtig ist. Dann wollen wir mal! Hintergrundstrahlung nennt man eine elektromagnetische Strahlung, die richtungsunabhängig überall am Himmel in gleicher Stärke nachgewiesen werden kann. Physikalisch besonders interessant und wichtig ist dabei die im Mikrowellenbereich angesiedelte, sogenannte "kosmische Hintergrundstrahlung". Und wie man die entdeckt hat und welche Eigenschaften sie hat, das sehen wir uns nun im nächsten Kapitel an. Die kosmische Hintergrundstrahlung wurde 1964 von Arno Penzias und Robert Woodrow Wilson eher zufällig entdeckt. Die beiden arbeitete an einem neuen, großen Radioteleskop - hier sieht man die beiden vor eben diesem Teleskop abgebildet, - und entdeckten dabei ein Rauschen, das keine Quelle zu haben schien. Das heißt, egal wohin sie das Teleskop richteten, überall war dasselbe Rauschen zu finden. Dieses Rauschen ist aber nicht nur richtungsunabhängig, sondern auch unabhängig davon, wo auf der Erde man versucht, es zu beobachten. Unten seht ihr ein Bild, in dem die Schwankung der Hintergrundstrahlung, abhängig von der Position auf der Erde, eingezeichnet ist. Dieses Bild ist aber leicht irreführend. Nachdem nämlich die Einflüsse der Bewegung der Erde und der Beitrag unserer Galaxie herausgerechnet ist, befinden sich diese Schwankungen im Bereich von ungefähr einem Millionstel. Das heißt, es handelt sich also anscheinend um eine unglaublich gleichmäßige Strahlung. So weit, so gut. Wie sieht denn nun die Spektralanalyse dieser Strahlung aus? Obwohl sie nur die Intensität für zwei bestimmte Frequenzen gemessen hatten, schlossen Penzias und Wilson richtig, dass es sich bei der Verteilung um ein sogenanntes "Planck-Spektrum" handelt. Diese Vermutung wurde in späteren Messungen bestätigt. Wie ein solches Spektrum aussieht, könnt ihr im Bild rechts sehen. Das Planck-Spektrum ist das Spektrum einer Hohlraumstrahlung oder auch einer Schwarzkörperstrahlung, das heißt der Strahlung, die in einem schwarzen, hohlen Körper existiert. Diese hängt nur von seiner Temperatur ab. Die Entstehungsgeschichte der Hintergrundstrahlung ist genau der Grund, warum sie für uns so wichtig ist. Die kosmische Hintergrundstrahlung ist nämlich entstanden, als sich im Universum ungefähr 400000 Jahre nach dem Urknall zum ersten Mal Wasserstoff bildete. An diesem Zeitpunkt wurde also sozusagen das Universum durchsichtig. Und die dabei frei gewordene Strahlung durchstreift seitdem als Hintergrundstrahlung das Universum. Das Universum war damals ungefähr 3000 Kelvin heiß. Es hat sich inzwischen, genau wie die Hintergrundstrahlung, auf ungefähr 2,7 Kelvin abgekühlt. Und warum ist das ganze jetzt so wichtig, fragt ihr? Ganz einfach, die Hintergrundstrahlung und ihre Entdeckung bewiesen etwas, was damals alles andere als geklärt war, nämlich die Urknall-Theorie. Sowohl diese als auch die daraus folgende Expansion des Universums waren damals nämlich sehr umstritten. Die Hintergrundstrahlung und ihre guten Messergebnisse lieferten den Urknallfreunden aber damals mächtige Beweise. Man kann sich das Universum vor diesem Zeitpunkt ungefähr als einen brodelnden, heißen Plasmaball aus Licht und Materie vorstellen. Es herrschten so extreme Bedingungen, dass sich ständig Licht in Materie und Materie zurück in Licht verwandelte. Dabei dehnte sich das Universum immer weiter aus, wurde also beständig kälter. Als es endlich kalt genug war, dass sich stabile Wasserstoffatome bilden konnten, verloren die Photonen mit den freien Elektronen ihre Streupartner. Wir wollen noch mal wiederholen, was wir heute gelernt haben: Die kosmische Hintergrundstrahlung ist ein sehr gleichmäßiges, richtungsunabhängiges Rauschen im Mikrowellenbereich. Sie wurde 1964 von Penzias und Wilson entdeckt, die übrigens dafür später auch den Nobelpreis erhielten. Die Hintergrundstrahlung wurde frei, als sich im Universum zum ersten Mal Wasserstoff bildete. Sie ist damit der wichtigste Beweis für die Urknalltheorie. So, das war es schon wieder für Heute. Ich hoffe, ich konnte euch helfen. Vielen Dank fürs Zuschauen! Vielleicht bis zum nächsten Mal, euer Kalle.

1 Kommentar
  1. Sehr interessant!

    Von Dw 69, vor mehr als 5 Jahren

Kosmische Hintergrundstrahlung Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Kosmische Hintergrundstrahlung kannst du es wiederholen und üben.

  • Definiere die Begriffe Hintergrundstrahlung und kosmische Hintergrundstrahlung.

    Tipps

    Beachte die Verwendung präziser physikalischer Begriffe.

    In jeden Definitionssatz haben sich zwei fehlerhafte Wörter eingeschlichen.

    Lösung

    Die Definition für die Hintergrundstrahlung allgemein lautet:

    Hintergrundstrahlung nennt man eine elektromagnetische Strahlung, die - richtungsunabhängig - überall am Himmel in gleicher Stärke nachgewiesen werden kann.

    Diese Strahlung kann also theoretisch einem beliebigen Teil des elektromagnetischen Spektrums (siehe Abbildung) entspringen.

    Die kosmische Hintergrundstrahlung hingegen liegt in einen bestimmten Teil des elektromagnetischen Spektrums:

    Physikalisch besonders wichtig ist die im Mikrowellenbereich angesiedelte kosmische Hintergrundstrahlung.

    In der Abbildung ist dieser Teil des Spektrums markiert: Die Wellenlänge der kosmischen Hintergrundstrahlung liegt im Dezimeterwellenbereich, also zwischen zehn Zentimetern und einem Meter. Ihre Frequenz liegt damit zwischen 300 MHz und 3 GHz.

  • Benenne den aktuellen Wert der kosmischen Hintergrundstrahlung in Grad Celsius.

    Tipps

    Addiere beispielsweise den Wert der kosmischen Hintergrundstrahlung in Kelvin zum Wert des absoluten Nullpunktes in Grad Celsius.

    Beachte das negative Vorzeichen.

    Lösung

    Die Temperatur der kosmischen Hintergrundstrahlung liegt bei -270,45° Celsius oder rund -270,5° Celsius. Sie ist wirklich sehr klein. Temperaturen in dieser Größenordnung kommen natürlicherweise auf der Erde nicht annähernd vor.

  • Erkläre das wissenschaftliche Wesen einer Theorie wie der Urknalltheorie.

    Tipps

    Wissenschaftliche Theorien erheben nie den Anspruch einer absoluten Wahrheit.

    Auch namenhafte Theorien müssen neuesten wissenschaftlichen Erkenntnissen standhalten.

    Lösung

    Tatsächlich könnte ein schlüssiger Gegenbeweis ausreichen, um die bestehende Urknalltheorie zu widerlegen. Eine wissenschaftliche Theorie besitzt nicht den Anspruch, die reine Wahrheit abzubilden. Die kennen wir so nicht. Wir können lediglich beobachten, was mit unseren Mitteln möglich ist. Wir können analysieren, Vermutungen anstellen, Beweise sammeln, Verallgemeinerungen festlegen, Grundannahmen postulieren.

    Aber egal wie gesichert und gut untermauert eine Theorie auch zu sein scheint, sie kann prinzipiell immer widerlegt werden, wenn ein Gegenbeweis auftaucht. In der Geschichte der Physik gibt es dafür viele spannende Beispiele. Mach dich doch mal auf eine Erkundungstour durch die großen Irrtümer der Wissenschaftler. Denn auch solche Irrtümer gehören zur Physik mit dazu.

  • Benenne die wichtigsten Eigenschaften der kosmischen Hintergrundstrahlung.

    Tipps

    Die Eigenschaften beziehen sich auf die Besonderheiten beim Messen der kosmischen Hintergrundstrahlung sowie ihre Verteilung im Weltall.

    Es gibt insgesamt drei wichtige Eigenschaften.

    Lösung

    Misst man die kosmische Hintergrundstrahlung, so stellt man fest: Egal, in welche Richtung des Universums man misst und egal von welchem Punkt aus, der Wert für die kosmische Hintergrundstrahlung ist immer (abgesehen von minimalsten Schwankungen) gleich groß.

    Sie ist daher richtungsunabhängig, standortunabhängig und sehr gleichmäßig. Sie beträgt momentan rund 2,7 Kelvin, verringert sich jedoch im Verlauf der Zeit durch die Ausdehnung und dadurch bedingte Abkühlung des Universums.

  • Analysiere die wichtigsten Erkenntnisse bei der Erforschung der kosmischen Hintergrundstrahlung.

    Tipps

    Wann wurde die kosmische Hintergrundstrahlung entdeckt?

    In welchem Wellenlängenbereich liegt sie?

    Was ist Hohlraum- beziehungsweise Schwarzkörperstrahlung?

    Lösung

    1964 entdeckten Penzias und Wilson die kosmische Hintergrundstrahlung zufällig und wurden dafür später mit dem Nobelpreis ausgezeichnet.

    Zu den bekannten Eigenschaften Richtungsunabhängigkeit, Standortunabhängigkeit und Gleichmäßigkeit der kosmischen Hintergrundstrahlung, die definitionsgemäß im Mikrowellenbereich liegt, wurde sie darüber hinaus als Hohlraumstrahlung identifiziert. Den typischen Strahlungsverlauf eines schwarzen Körpers konnte man auch bei der kosmischen Hintergrundstrahlung nachweisen.

  • Erkläre, weshalb die Entdeckung der kosmischen Hintergrundstrahlung so bedeutend war.

    Tipps

    Beschreibe die beiden Zustände, die in den Abbildungen dargestellt sind.

    Welcher entscheidende Schritt vollzog sich beim Übergang vom oberen in den unteren Zustand?

    Protonen sind positiv geladen, Elektronen negativ. Photonen sind als gelbe Pfeile dargestellt.

    Lösung

    Der Nachweis der kosmischen Hintergrundstrahlung ist demnach ein Beweis dafür, dass die beschriebenen Prozesse tatsächlich auch so stattgefunden haben. Damit bestätigt die kosmische Hintergrundstrahlung die Urknalltheorie.

    Neben der Existenz der kosmischen Hintergrundstrahlung gibt es noch einen zentralen Beweis, der die Urknalltheorie bestätigt: Die Expansion des Universums kann mit Hilfe der Rotverschiebung des Lichtes entfernter Galaxien bewiesen werden. Diese zeigt an, dass sich die Galaxien von uns weg bewegen, sich also das Universum immer weiter ausdehnt.