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Kosmisches Thermometer: Das Universum, noch warm vom Urknall

Das Weltall, rund 13 Milliarden Jahre vor unserer Zeitrechnung: Wie heiß war das Universum zu jenem Zeitpunkt? Eine Wasserdampfwolke verrät es.
Künstlerische Darstellung einer Starburst-Galaxie

Ursprünglich, ganz kurz nach dem Urknall, leuchtete das Universum wahrscheinlich so hell wie eine riesige Halogenlampe: Seine Wärmestrahlung war damals noch ein gutes Stück heißer als heute, ihre Temperatur betrug rund 3000 Kelvin. Seitdem dehnt sich das Universum aus, die Wärmestrahlung auch. Aus der kosmischen Halogenlampe ist unsere heutige kosmische Mikrowellenhintergrundstrahlung geworden, die eine Temperatur von knapp 3 Kelvin aufweist. Die Zwischenschritte dieser Abkühlung können Forschende mit Hilfe des kosmologischen Standardmodells zwar berechnen – aber nachzumessen, wie heiß das Universum vor ein paar Milliarden Jahren wirklich war, ist schwierig.

Nun ist es einem Forscherteam gelungen, erstmals die Temperatur der kosmischen Mikrowellenhintergrundstrahlung, kurz CMB für »cosmic microwave background«, vor fast 13 Milliarden Jahren zu messen. Sein Artikel dazu erscheint im Fachmagazin »Nature«.

Eine Wasserdampfwolke in einer Starburst-Galaxie

Das Team um Dominik Riechers von der Universität zu Köln hatte eine Starburst-Galaxie namens HFLS3 im Sternbild Drache untersucht, deren Licht rund 13 Milliarden Jahre gebraucht hat, bis es die Erde erreichte. Starburst-Galaxien sind Galaxien, in denen sehr viel mehr Sterne entstehen, als dies derzeit in unserer Milchstraße der Fall ist. HFLS3 ist von einer Wolke aus kaltem, sehr diffusem Wasserdampf umhüllt, was an sich nichts Ungewöhnliches ist.

Was ungewöhnlich war, zeigte sich, als die Forschenden das Licht dieser Galaxie und der Wasserdampfwolke mit Hilfe des IRAM-NOEMA-Teleskops in den französischen Alpen in seine Einzelteile zerlegten. Die kalte Wasserdampfwolke absorbiert das Licht der warmen Starburst-Galaxie in ihrem Inneren. Daher erscheinen in einem solchen Spektrum dunkle Absorptionslinien. Eine der Absorptionslinien war aber doppelt so breit wie erwartet. Bildlich gesprochen war der Himmel in diesem Wellenlängenbereich doppelt so dunkel. Das deutete darauf hin, dass die Wasserdampfwolke nicht nur das Licht der Starburst-Galaxie absorbiert hatte, sondern noch eine zusätzliche Strahlungsquelle.

Eine CMB-Temperatur in Einklang mit dem Standardmodell

Diese zusätzliche Strahlungsquelle war der kosmische Mikrowellenhintergrund, der das Universum natürlich auch schon zu jenem Zeitpunkt erfüllte und damals noch wärmer als die kalte Wasserdampfwolke war. Oder präzise gesagt: eine Temperatur zwischen 16,4 und 30,2 Kelvin hatte.

Richtig »warm« war die kosmische Hintergrundstrahlung also auch damals schon nicht mehr. 16,4 Kelvin entsprechen -256,75 Grad Celsius oder eben 16,4 Grad Celsius über dem absoluten Nullpunkt. Theoretisch vorhergesagt war für die Zeit von 880 Millionen Jahren nach dem Urknall eine CMB-Temperatur von 20 Kelvin. Die Messungen des Teams stehen also im Einklang mit diesen Berechnungen. Die Forschenden wollen nun weitere geeignete Starburst-Galaxien im noch jungen Universum untersuchen, um herauszufinden, ob andere kosmische Thermometer das gleiche Ergebnis liefern.

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