Warum kennt das Universum kein absolutes Schweigen? - Der kosmische Mikrowellenhintergrund | Fakten zum Einschlafen - Das Universum

0:05 Willkommen bei Fakten zum Einschlafen. Das Universum. Top 3 Christians uns read. 1. Was verrät das kosmische Hintergrundrauschen über den Ursprung unseres Universums? 2. Wie verlief der historische Weg von einem unerklärlichen Antennenrauschen zur präzisen Vermessung des Urknalls? 3. Welche kosmologischen Erkenntnisse und ungelösten Rätsel liefern moderne Satellitenmissionen wie Planck?

0:43 Question -based title proposals. 1. Wie ein Radioauschen den Ursprung des Universums bewies. 2. Was uns das Nachglühen des Urknalls über den Kosmos verrät. 3. Warum kennt das Universum kein absolutes Schweigen? Direct Title Proposals 1. Der kosmische Mikrowellenhintergrund 2. Das Echo des Urknalls 3. Die Temperatur des Universums Primary Topic Die Entdeckung und präzise Vermessung des kosmischen Mikrowellenhintergrunds und seine Bedeutung für die moderne Kosmologie.

1:31 Kategorie. Kosmologie. Subkategorie. Beobachtende Kosmologie. Episode Diskussion. Es begann mit einem hartnäckigen Rauschen, das sich einfach nicht beseitigen ließ. 1960 versuchten zwei Radioingenieure bei den Bell Labs, ihre hochempfindliche Antenne von jeder Störung zu befreien, doch ein gleichmäßiges Brummen aus allen Richtungen blieb. Was zunächst wie ein technisches Ärgernis oder Taubenkot in der Anlage wirkte, entpuppte sich als das bis dahin unbekannte Nachblühen des Universums selbst.

2:09 Diese zufällige Entdeckung des kosmischen Mikrowellenhintergrunds wandelte unser physikalisches Weltbild und lieferte den entscheidenden Deweis für einen heißen Anfang des Kosmos. Die Episode zeichnet den Faszinierenden weg von dieser ersten Störung, bis zur modernen Präzisionskosmologie nach. Wir betrachten, wie Satellitenmissionen wie Kobe, WMAP und Planck das schwache Signal immer genauer kartierten.

2:38 Sie zeigten nicht nur ein perfektes Schwarzkörperspektrum, sondern auch winzige Temperaturschwankungen, aus denen über Milliarden von Jahren alle Galaxien und Sterne entstanden. Heute kennen wir das Alter des Universums und seine Zusammensetzung aus gewöhnlicher Materie, dunkler Materie und dunkler Energie mit beeindruckender Genauigkeit. Bei der Arbeit an dieser Episode kehrte ich immer wieder zu einer Frage zurück, wie kann ein so leises Signal aus der tiefsten Vergangenheit so viel über unsere Existenz verraten? Mich fasziniert die methodische Geduld der Forschung, bei der jede neue Messung alte Modelle bestätigt oder völlig neue Fragen aufwirft, wie etwa die aktuelle Hubble -Spannung. Es ist eine Geschichte darüber,

3:29 wie aus einer beruflichen Verlegenheit unser schärfstes Diagnoseinstrument für den gesamten Kosmos wurde. Recommended Keywords. Kosmischer Mikrowellenhintergrund Urknall. Entstehung des Universums, kosmische Hintergrundstrahlung, Arno Penzias, Robert Wilson, Bell Labs, Steady -State Modell, Schwarzkörperstrahlung, Kobe -Satellit, VAMAP, Planck -Satellit, dunkle Materie, dunkle Energie, Hubble -Konstante, Hubble -Spannung, Temperatur des Universums, kosmologische Parameter, Strukturbildung, Leonisierung, kosmische Strahlung, Präzisionskosmologie, Alter des Universums, Radioteleskop, Astrophysik. Es gibt eine besondere Art beruflicher Verlegenheit, die entsteht, wenn man das empfindlichste Instrument seiner Art gebaut hat. Man hat jede

4:27 erdenkliche Störquelle beseitigt. Und das Rauschen will trotzdem nicht zum Schweigen kommen. Erst Monate später entdeckt man, dass das Rauschen gar nicht das eigene Versagen war. Es war das Universum, das sich weigert, ignoriert zu werden. Es gibt eine Art von Stille, die Physiker fürchten gelernt haben. Nicht die Stille eines leeren Raums, sondern die Stille eines Signals, das nicht da sein sollte. Ein Hintergrundbrummen.

5:01 Ein anhaltendes Flüstern aus jeder Richtung, in die man sein Instrument richtet. 1964 versuchten zwei Radioingenieure bei Bell Labs in New Jersey, genau diese Art von Rauschen zu beseitigen. Sie waren praktische Männer, die an einem praktischen Problem arbeiteten, Satellitenkommunikation klarer zu machen. Sie hatten ein wunderschönes Instrument gebaut, eine sechs Meter lange hornförmige Antenne, präzise und empfindlich. Sie hatten ihren Empfänger auf außergewöhnliche Temperaturen heruntergekühlt.

5:38 Sie hatten jede Störquelle beseitigt, die sie sich vorstellen konnten. Und das Brummen blieb. Dreieinhalb Grad über dem absoluten Nullpunkt. Überall. Immer. Keine Schwankung mit den Jahreszeiten. Keine Schwankung mit der Drehung des Himmels. Sie dachten, ihr Instrument sei kaputt. Hier beginnt unsere Geschichte. Nicht mit einer Entdeckung, sondern mit einem Ärgernis. Denn die wichtigste Beobachtung der modernen Kosmologie kam nicht als Triumph. Sie kam als Störung. Und diese Störung sollte sich als das Nachglühen des Universums selbst herausstellen. Um zu verstehen, warum dieses Brummen von Bedeutung war, müssen wir zu einer Überzeugung zurückgehen, die in der Mitte des letzten Jahrhunderts völlig vernünftig

6:35 erschien. Das Universum, so nahmen viele Astronomen an, war im Wesentlichen ewig. Es dehnte sich aus, ja, aber neue Materie bildete sich kontinuierlich, um die Lücken zu füllen. Der Kosmos hatte keinen Anfang. Keine dramatische Geburt. Das war das Steady -State -Modell und es besaß eine gewisse philosophische Eleganz. Ein ewiges Universum fühlte sich vollständig an, in sich geschlossen, unbelastet von Fragen nach dem Ursprung. Aber es gab eine konkurrierende Idee, seltsamer und konkreter. Eine Handvoll Physiker hatte begonnen, die Vorstellung ernst zu nehmen. dass das Universum in einem Zustand außerordentlicher Hitze und Dichte begann und sich dann ausdehnte und abkühlte.

7:30 Wenn das stimmte, so erkannten sie, müsste etwas Bemerkenswertes überleben. Die Strahlung aus dieser heißen Frühphase würde nicht einfach verschwinden. Sie würde zusammen mit allem anderen abkühlen. Ihre Wellenlängen würden sich dehnen, während sich der Raum selbst ausdehnte, bis sie zu einem schwachen, kalten Flüstern würde, das den gesamten Raum durchdringt. Sie schätzten, ihre Temperatur würde nur wenige Grad über dem absoluten Nullpunkt liegen. 1948 sagten Ralph Alpher und Robert Herrmann ungefähr 5 Grad voraus. Die Berechnung war schlichte Thermodynamik. Angewandt auf einen expandierenden Kosmos. Aber niemand hatte die Instrumente, um das zu messen. Die Vorhersage lag 16 Jahre lang weitgehend unbeachtet in der Fachliteratur. Dann

8:30 kam das Brummen. Arno Penseas und Robert Wilson verbrachten Monate damit, jede banale Erklärung auszuschließen. Tauben hatten in ihrer Antenne genistet. Sie entfernten den Code. Dem sie entfernten den Code. Das Brummen blieb. Es war nicht ihre Elektronik. Es war nicht die Atmosphäre. Es war nicht die Milchstraße. Es kam von überall, gleichmäßig, mit einer Temperatur, die ihre sorgfältige Kalibrierung auf etwa 3 ,5 Grad festlegte. Sie veröffentlichten ihre Messung 1965 als nüchternen technischen Bericht. Eine überschüssige Antennentemperatur, unerklärt, mit einer Unsicherheit von etwa einem Grad. Was diesen technischen Bericht in eine Revolution verwandelte, war gleichzeitige Arbeit, die 60 Kilometer entfernt an der Princeton University

9:31 stattfand. Eine Gruppe um Robert Dicke hatte aktiv. nach genau diesem Signal gesucht und ein spezialisiertes Radiometer gebaut, um den abgekühlten Überwest eines heißen Urknalls nachzuweisen. Als Dickes Kollegen von Penzias und Wilsons Messung erfuhren, erkannten sie sie sofort. Die beiden Aufsätze erschienen gemeinsam im Astrophysical Journal. Der eine beschrieb das Hauschen. Der andere erklärte, was es bedeutete. Das Universum hatte einen Anfang. Das war der erste Riss im Steady -State -Gebäude und er war tiefgreifend.

10:12 Aber eine einzelne Temperaturmessung bei einer einzelnen Frequenz, so suggestiv sie auch sein mag, entscheidet keine kosmologische Debatte. Skeptiker konnten mit einigem Recht einwenden, dass andere Prozesse einen kalten Mikrowellenhintergrund erzeugen könnten. Vielleicht hatte Sternenlicht. absorbiert und wieder abgestrahlt von interstellarem Staub, sich auf diese Temperatur thermalisiert.

10:41 Vielleicht war irgendein unbekannter astrophysikalischer Prozess verantwortlich. Das Steady -State -Modell ließ sich anpassen, modifizieren, verteidigen. Was gebraucht wurde, war ein Test, der zwischen diesen Möglichkeiten unterscheiden konnte. Und dieser Test lag in der präzisen Form des Strahlungsspektrums.

11:04 Hier müssen wir etwas über Wärmestrahlung verstehen. Wenn Materie und Strahlung in einem geschlossenen System ein Gleichgewicht erreichen, erzeugen sie eine sehr spezifische spektrale Signatur, das sogenannte Schwarzkörperspektrum. Seine Form wird von reiner Thermodynamik bestimmt, unabhängig von der Zusammensetzung des Materials. Der heiße Ohrknall sagte voraus, dass das frühe Universum sich in einem solchen Gleichgewicht befand, und dass der abgekühlte Überwest diese Schwarzkörperform mit außerordentlicher Genauigkeit behalten würde.

11:41 Die Steady -State -Alternativen, die auf astrophysikalischen Prozessen wie thermalisiertem Sternenlicht beruhten, konnten diese präzise Form über alle Frequenzen hinweg nicht auf natürliche Weise erzeugen. Um das zu testen, musste man über Einzelfrequenzmessungen hinausgehen. Man musste die Intensität der Hintergrundstrahlung bei vielen Wellenlängen messen, vom Adio - bis zum Infrarotbereich, um zu sehen, ob die gesamte Kurve der vorhergesagten Schwarzkörperform entsprach.

12:13 Frühe Versuche nutzten ballongetragene und raketenbasierte Spektrometer, die über den größten Teil der störenden Erdatmosphäre hinausstiegen. Aber die Atmosphäre blieb eine grundlegende Einschränkung. Insbesondere Wasserdampf absorbiert und emittiert bei entscheidenden Wellenlängen und verunreinigt jeden Versuch, das kosmische Signal präzise zu messen. Der Durchbruch kam, als man die Atmosphäre vollständig verließ.

12:43 1989 startete die NASA den Cosmic Background Explorer, kurz COBE, mit einem Instrument namens FIRAS. Das Fahrinfrarät absolute Spektrofotometer. Entworfen von John Mather und seinem Team, war Firas im Wesentlichen ein Vergleichsgerät. Es maß die kosmische Hintergrundstrahlung gegen einen internen Referenzschwarzkörper, der so gekühlt war, dass er der erwarteten Temperatur entsprach. Im Vakuum des Weltraums, frei von atmosphärischen Störungen, konnte es den gesamten Spektralbereich abtasten. in dem das kosmische Signal voraussichtlich seinen Höhepunkt erreichen und abfallen würde. Die 1990 veröffentlichten Ergebnisse waren überwältigend. Der kosmische Mikrowellenhintergrund folgte dem Schwerzkörperspektrum.

13:38 Bis auf 50 Teile pro Million. Lassen Sie mich diese Präzision in physikalischer Anschauung übersetzen. Würde man die vorhergesagte Kurve und die gemessenen Daten auf einem Diagramm zeichnen, Das groß genug wäre, einen Raum zu überspannen, wären die Abweichungen dünner als ein menschliches Haar. Das war nicht annähernd ein Schwarzkörper.

14:03 Das war ein Schwarzkörper. Kein bekannter astrophysikalischer Prozess konnte diese Perfektion nachahmen. Das Steady -State -Modell in jeder Form, die eine heiße, dichte Phase vermied, war damit entscheidend widerlegt. Die Temperatur wurde auf 2 725 Grad über dem absoluten Nullpunkt verfeinert, mit einer Unsicherheit von lediglich einem 1000 Stelgrad.

14:34 Spätere Messungen, die Firas mit nachfolgenden Daten kombinierten, legten sie noch genauer fest. 2 ,7 unter 2 ,5 und 4 ,42 Grad, mit einer Unsicherheit von weniger als 16 .000 Stelgrad. Wir kennen die Temperatur dieser uralten Strahlung genauer als die Oberflächentemperatur vieler Sterne in unserer eigenen Galaxie. Aber die Geschichte endet nicht mit Temperatur und Spektrum. Die tiefgreifendsten Enthüllungen kamen, als man nach etwas suchte, das die frühen Theoretiker weitgehend ignoriert hatten, winzige Schwankungen der Hintergrundemperatur am Himmel. Wäre das Universum vollkommen gleichförmig entstanden, würden sich niemals Strukturen bilden. Es gäbe keine Galaxien, keine Sterne, keine Planeten,

15:28 kein Publikum in diesem Saal. Die Existenz kosmischer Strukturen erfordert Keime, winzige Dichteschwankungen im frühen Universum, Regionen, die geringfügig dichter waren als ihre Umgebung und über Milliarden von Jahren durch Gravitationsanziehung wachsen konnten. Diese Dichteschwankungen würden sich dem kosmischen Mikrowellenhintergrund als winzige Temperaturschwankungen einträgen. Die dichteren Regionen würden geringfügig kühler erscheinen, die dünneren Regionen geringfügig wärmer, aufgrund des Zusammenspiels von Kavitation und Strahlungsdruck im frühen Universum. Der Krube -Satellit trug ein zweites Instrument, das Differential Microwave Radiometer, das für die Suche nach diesen Anisotropien

16:18 entwickelt worden war. 1999 gab das COBE -Team seine Entdeckung bekannt. Temperaturschwankungen auf dem Niveau von einem Teil in 100 .000. Das Universum war nicht vollkommen glatt. Es hatte Textur. Die Keime aller kosmischen Strukturen waren in diesem uralten Licht sichtbar. Doch die Winkelauflösung von COBE war begrenzt. Er konnte Schwankungen auf großen Skalen sehen, aber die entscheidenden Details, die akustischen Peaks im Leistungsspektrum, die die Geometrie und Zusammensetzung des Universums kodieren, erforderten feinere Auflösung. Das bereitete die Bühne für die nächste methodische Weiterentwicklung.

17:06 In den späten 1990er Jahren gelangen ballongetragenen Experimenten wie Boomerang und Maxima der erste Nachweis des ersten akustischen Peaks, eines Merkmals im Winkelleistungsspektrum, das direkt die räumliche Krümmung des Universums offenbart. Ihre um das Jahr 2000 bekanntgegebenen Ergebnisse zeigten, dass das Universum räumlich flach ist, seine Geometrie auf großen Skalen euklidisch.

17:35 Das war eine tiefgreifende Einschränkung. Ein flaches Universum impliziert ein bestimmtes Gleichgewicht zwischen der gesamten Energiedichte und der Expansionsrate und es deutete auf eine entscheidende fehlende Komponente hin, die bald als dunkle Energie identifiziert werden sollte. Aber Ballons sind vergänglich, begrenzt durch Flugdauer und atmosphärische Resteffekte.

18:01 Das Feld brauchte eigene Weltraummissionen. Der WMAP -Satellit der NASA, gestartet 2001, revolutionierte die Präzisionskosmologie. Neun Jahre lang kartierte er den gesamten Himmel in fünf Frequenzbändern und maß nicht nur Temperaturschwankungen, sondern auch die Polarisation des Mikrowellenhintergrunds.

18:24 Ein zusätzliches Signal, dass die Rayonisierungsgeschichte des Universums und die Anwesenheit von Gravitationswellen kodiert. WMAP lieferte die ersten präzisen Bestimmungen der Baryonendichte, der Dichte kalter dunkler Materie, des Spektralindex der primordialen Fluktuationen und der optischen Tiefe bis zur Vionisierung.

18:49 Der kosmische Mikrowellenhintergrund war so etwas wie ein Bohrkern aus dem frühesten zugänglichen Moment des Universums geworden. seine fundamentalen Parameter ablissbar durch Jahrzehnte der Instrumentenverfeinerung. Dann kam Planck. Gestartet von der Europäischen Weltraumorganisation 2009, stellte Planck den Höhepunkt der weltraumbasierten Beobachtung des kosmischen Mikrowellenhintergrunds dar. Mit höherer Auflösung, breiterer Frequenzabdeckung und geringerem Rauschen als WAP, lieferte er definitive Messungen des kosmologischen Standardmodells. Die Baryonendichte und die Dichte kalter, dunkler Materie erzählten zusammen eine einfache Geschichte, gewöhnliche Materie macht nur etwa 5 % der Masse Energie

19:42 des Universums aus, während unsichtbare kalte, dunkle Materie ungefähr 27 % ausmacht. Die Hubble Konstante aus den CMB -Daten ergab 67, 4 km pro Sekunde, pro Megaparsec, mit einer Unsicherheit von lediglich 0 ,5. Das bedeutet, wir kennen die kosmische Expansionsrate bis auf die Geschwindigkeit eines gemütlichen Spaziergangs über eine Entfernung, die so gewaltig ist, dass das Licht selbst Millionen von Jahren braucht, um sie zu durchklären. Die optische Tiefe bis zur Rionisierung, ein Maß dafür, wann die ersten Sterne den kosmischen Nebel weggebrannt haben, wurde mit 0 ,54 gemessen, mit einer Unsicherheit von 0 ,7. Das legt die Epoche der Rionisierung auf ungefähr 550 Millionen Jahre nach dem Urknall fest, mit einem Spielraum

20:41 von etwa 50 Millionen Jahren in beide Richtungen. Und das... Alter des Universums, 13 787 Milliarden Jahre. Wir kennen es bis auf 20 Millionen Jahre. Ein Spielraum, der kleiner ist als die Zeit seit dem Verschwinden der Dinosaurier. Diese Zahlen stellen außerordentliche intellektuelle Leistungen dar. Aber sie offenbarten auch etwas Beumruhigendes.

21:12 Unabhängige Messungen der Hubble -Konstante, die die lokale Entfernungsleiter nutzen, Beobachtungen nahezu Feiden und Supernovae vom Typ IA ergaben durchweg höhere Werte. Die umfassendste neuere Messung liefert 73 ,4 mit einer Unsicherheit von etwa 1 ,0. Die Diskrepanz zum Planck -CMB Wert übersteigt fünf Standardabweichungen. Das ist kein kleines Kalibrierungsproblem. Entweder ist unser Verständnis des frühen Universums unvollständig, oder unser Verständnis des späten Universums ist unvollständig, oder beides. Die Hubble -Spannung, wie sie heute genannt wird, stellt den bedeutendsten Riss im Gebäude der Präzisionskosmologie dar.

22:01 Weitere Anomalien bestehen auf niedrigerem Signifikanzniveau fort. Die Amplitude der C -Ombilinsen -Wirkung Wie stark das Hintergrundlicht durch dazwischenliegende Masse abgelenkt wird, zeigt in einigen Analysen eine leichte Überhöhung. Die großräumigen Temperaturschwankungen sind etwas schwächer, als das Standardmodell vorhersagt. Das mögen statistische Fluktuationen sein, oder sie mögen Vorboten neuer Physik sein.

22:33 Die methodische Antwort auf diese Spannungen war charakteristisch für die Arbeitsweise dieses Feldes unabhängiger Replikation über verschiedene Plattformen hinweg. Bodengebundene Teleskope am Südpol und in der chilenischen Atacama -Wüste, Spät und Akt, haben das KMB -Leistungsspektrum auf kleinen Winkelskalen gemessen und Plancks Ergebnisse bestätigt und erweitert. Diese Instrumente arbeiten an den Grenzen dessen, was die Erdatmosphäre zulässt, und erreichen außerordentliche Empfindlichkeit, indem sie sich an hohen, trockenen Orten befinden, wo der atmosphärische Wasserdampf minimiert ist.

23:12 Ihre unabhängige Bestätigung der akustischen Peakstruktur und der Linsensignale stärkt das Vertrauen, dass die Spannungen real sind und keine instrumentellen Artefakte. Was also wissen wir jetzt mit Sicherheit? Wir wissen, dass das Universum in einem heißen, dichten Zustand begann und dass ein thermischer Überrest dieses Zustands den gesamten Raum bei einer Temperatur von 2 .054 .040 Grad über dem absoluten Nullpunkt durchdringt, mit bemerkenswerter Präzision bekannt. Wir wissen, dass diese Strahlung einem Schwarzkörperspektrum vollkommen erfolgt, als es irgendein astrophysikalischer Prozess außer einem primordialen thermischen Gleichgewicht erzeugen könnte. Wir wissen, dass winzige Schwankungen in dieser Strahlung auf

24:05 dem Niveau von einem Teil in 100 .000 alle Strukturen gesät haben, die wir heute beobachten. Wir wissen, dass das Winkelmuster dieser Schwankungen ein räumlich flaches Universum offenbart, das zu ungefähr 5 % aus gewöhnlicher Materie, zu 27 % aus kalter, dunkler Materie und zu 68 % aus dunkler Energie besteht. Wir kennen das Alter des Universums bis auf einen Bruchteil eines Prozents. Wir vertrauen diesen Schlussfolgerungen, weil sie aus unabhängigen Misslinien hervorgegangen sind, die über Jahrzehnte konvergierten. Das Spektrum wurde durch weltraumbasierte Spektroskopie bestätigt. Die Anisotropien wurden von mehreren Satelliten und bodengebundenen Instrumenten kartiert.

24:56 Die Polarisationssignale wurden unabhängig nachgewiesen. Die aus dem KMB abgeleiteten Parameter stimmen mit denen überein, die aus anderen kosmologischen Sonden gewonnen wurden, baryonische akustische Oszillationen, Urknall -Nukleosynthese, Surveys der großräumigen Struktur. Keine einzelne Beobachtung trägt dieses Gewicht. Die Konvergenz tut es.

25:25 Was ungewiss bleibt, ist ebenso wichtig. primordiale Bemodenpolarisationsmuster noch nicht nachgewiesen, dass inflationäre Gravitationswellen dem ERB aufprägen würden. Das bleibt das begehrteste Signal der beobachtenden Kosmologie, verfolgt von Experimenten am Südpol und von Stratosphärenballons aus, begrenzt durch galaktische Vordergrundkontamination und die außerordentliche Schwäche des vorhergesagten Signals. Wir kennen die genaue Energieskala der Inflation nicht und wissen nicht, ob die Inflation überhaupt stattgefunden hat. Wir kennen die Summe der Neutrinomas nicht, obwohl der Herbesi auf weniger als 0, 12 Elektronenvolt begrenzt, verlockend nahe an der Untergrenze aus Teilchen physikalischen

26:16 Experimenten. Wir wissen nicht, ob die Hubble Spannung neue Physik im frühen Universum widerspiegelt, neue Physik im späten Universum oder irgendeinen subtilen systematischen Fehler, den wir noch nicht identifiziert haben. Der kosmische Mikrowellenhintergrund begann als unerklärtes Hauschen in einer Kommunikationsantenne.

26:39 Er wurde zum präzisesten Diagnoseinstrument. das wir besitzen, um Ursprung, Zusammensetzung und Entwicklung des Universums zu verstehen. Die Geschichte seiner Messung ist eine Geschichte methodischer Geduld. Jede Technik offenbarte die Grenzen der vorherigen. Jede Korrektur wurde durch die Konfrontation mit diesen Grenzen verdient.

27:00 Jedes neue Instrument war notwendig, weil die alten Fragen schärfere Antworten verlangten. Die Hubbelspannung, die fehlenden B -Moden, Das enge Fenster für Neutrinomassen, das sind keine Fehler der Methode, sondern ihre gegenwärtige Grenze. Die Messung geht weiter. Die Präzision verbessert sich. Das Verständnis vertieft sich allmählich.