Was ist das älteste Licht des Universums? - Der kosmische Mikrowellenhintergrund | Fakten zum Einschlafen - Das Universum

0:04 Willkommen bei Fakten zum Einschlafen. Das Universum. Jede Sekunde durchqueren rund 400 Millionen uralte Photonen jeden Quadratsentimeter deines Körpers. Du kannst sie nicht sehen und nicht spüren, doch sie sind da, das älteste Licht des Universums, entstanden in einem Moment, als der Kosmos zum ersten Mal durchsichtig wurde. Diese Folge widmet sich dem kosmischen Mikrowellenhintergrund, jener Reliktstrahlung, die seit fast 14 Milliarden Jahren unaufhörlich durch den Raum reist. Wir spüren der Entdeckung dieses schwachen Rauschens durch zwei Radioastronomen nach und reisen zurück in die ersten 380 .0 Jahre der Kosmosgeschichte, als das Universum noch ein undurchsichtiger, glühender Nebel aus Protonen und Elektronen war.

1:02 Wir betrachten, wie sich bei etwa 3000 Grad Celsius die ersten Wasserstoffatome bildeten und das gefangene Licht schlagartig freigelassen wurde. Die ständige Ausdehnung des Raums hat dieses einst orange leuchtende Licht über Jahrmilliarden so stark gedehnt, dass es heute als eisiges Mikrowellenflüstern bei minus 270 Grad Celsius existiert. Darüber hinaus untersuchen wir die winzigen Temperaturschwankungen in dieser Strahlung, die von Satelliten wie Planck vermessen wurden. Sie zeigen uns die Keime der ersten Sterne und Galaxien, sowie die architektonischen Grundmuster von allem, was wir heute kennen.

1:45 Bei der Arbeit an dieser Episode kehrte ich immer wieder zu einer grundlegenden Vorstellung zurück. Wir sind nicht getrennt von dieser uralten Strahlung, sondern bestehen aus Materie. die aus genau jenen Dichteunterschieden hervorging. Es fasziniert mich zutiefst, dass die leiseste und älteste Stimme des Kosmos uns umgibt, ohne dass wir sie jemals bemerken und dass wir lernen mussten, technologisch völlig still zu sein, um sie überhaupt hören zu können. Gerade jetzt, während du hier sitzt, durchqueren etwa 400 Millionen uralte Photonen jede Sekunde, jeden Quadratzentimeter deines Körpers. Licht, das seine Reise begann, bevor die Erde existierte, bevor irgendein Stern geboren wurde, bevor es überhaupt etwas gab,

2:34 das es hätte sehen können. Du kannst es nicht spüren. Du kannst es nicht sehen. Und genau das, das versichere ich dir, macht es wert, 15 Minuten deines Abends damit zu verbringen. Es gibt ein Licht, das dich gerade jetzt umgibt, während du hier sitzt, während du atmest. Nicht das Licht von einem Fenster oder einem Bildschirm. Etwas Älteres. Etwas, das seit fast 14 Milliarden Jahren auf dich zuheißt. Es durchquert deinen Körper in stille Augenblick für Augenblick und du kannst es nicht sehen. Das ist keine Metapher. Das ist das älteste Licht. dass es gibt das Nachglühen des ersten sichtbaren Moments des Universums.

3:25 Und es füllt ausnahmslos jeden Kubikzentimeter des Raums um dich herum. Um zu verstehen, warum dieses Licht hier ist und warum es für uns unsichtbar geworden ist, müssen wir mit einem Rätsel beginnen, das 1965 ohne Vorwarnung auftauchte. Zwei Radioastronomen namens Arno Penzias und Robert Wilson arbeiteten mit einer großen Antenne in New Jersey und versuchten, Signale vom Himmel zu untersuchen. Aber sie hörten immer wieder etwas, das sie nicht erklären konnten.

4:01 Ein schwaches, bleichmäßiges Rauschen. Es kam aus allen Richtungen gleichermaßen. Es veränderte sich nie. Es war morgens da und nachts da, im Sommer und im Winter immer dasselbe sanfte, statische Flüstern aus allen Teilen des Himmels. Sie versuchten alles, um es zu beseitigen. Sie prüchten ihre Geräte auf Fehler. Sie zogen Stürmen von nahegelegenen Städten in Betracht. Irgendwann entfernten sie sogar Taubenkot von der Antenne. Denn der Kot kann schwache Wärmesignale erzeugen, die empfindliche Instrumente verwirren können. Der Kot wurde entfernt.

4:46 Das Rauschen blieb. Es war kein Problem mit ihrem Teleskop. Es kam nicht von der Erde. Es kam von überall, auf einmal, als würde der gesamte Himmel selbst leise summen. Was Penzias und Wilson gefunden hatten, obwohl sie es anfangs nicht vollständig begriffen, war der kosmische Mikrowellenhintergrund.

5:11 Das älteste Licht des Universums. Der abgekühlte Überrest eines Moments, in dem der gesamte Kosmos zum ersten Mal durchsichtig wurde, freigesetzt in einem einzigen Blitz, der seitdem unaufhörlich nach außen heißt. Ihre Entdeckung sollte ihnen schließlich den Nobelpreis einbringen. Aber in jenem Moment war sie einfach ein hartnäckiges Rätsel, ein Rauschen, das sich nicht zum Schweigen bringen ließ. Um zu verstehen, was dieses Licht wirklich ist, müssen wir in der Zeit zurückreisen, weit über die Menschheitsgeschichte hinaus, über die Entstehung der Erde hinaus, über die Geburt irgendeines Sterns hinaus. Wir müssen zu den ersten rund 380 .0 Jahren nach dem Anfang selbst gehen. als das Universum unvorstellbar anders

6:04 war als heute. Stell dir, wenn du kannst, einen Kosmos ohne Dunkelheit vor, weil es keinen Raum gibt, den Dunkelheit in der uns vertauten Weise einnehmen könnte. Das gesamte Universum ist mit einem brodelnden, glühenden Nebel gefüllt. Die Temperatur liegt bei etwa 10 Millionen Grad. Alles ist Plasma. Eine Suppe aus nackten Protonen und Elektronen und Lichtphotonen, die sich alle mit ungeheuren Geschwindigkeiten bewegen, die alle ständig zusammenstoßen. Die Photonen können sich nicht in geraden Linien fortbewegen. Sie sind gefangen, werden endlos von den freien Elektronen um sie herum gestreut, als versuchte man durch einen Raum zu gehen, in dem jeder Schritt einen in eine neue Richtung schleudert. Das Universum

6:58 ist undurchsichtig. Licht existiert überall, aber es kann nirgendwo entkommen. Es ist in einem ewigen Tanz mit der Materie gefangen. So ist der Zustand in diesen ersten 380 .0 Jahren. Das Universum dehnt sich aus und während es sich ausdehnt, kühlt es ab. Langsam, anfangs kaum wahrnehmbar, aber stetig. Die Teilchen werden langsamer. Die Abstände zwischen ihnen wachsen.

7:31 Und dann, bei etwa 3000 Grad, geschieht etwas Bemerkenswertes. Die Temperatur ist gerade genug gesunken, dass Protonen und Elektronen sich endlich verbinden können. Sie finden einander und bilden Wasserstoffatome, die einfachsten und häufigsten Strukturen im Universum. Etwa drei Viertel der Materie wird zu Wasserstoff, etwa ein Viertel zu Helium und dieses Verhältnis besteht bis heute.

8:01 Das Entscheidende an diesem Moment, den Wissenschaftler Rekombination nennen, ist, dass Wasserstoffatome elektrisch neutral sind. Sie streuen Photonen nicht so wie freie Elektronen. Plötzlich, fast in einem Augenblick, wird das Universum durchsichtig. das gefangen war und endlos in diesem heißen Plasma -Nebel hin - und herprallte, wird freigesetzt.

8:30 Es strömt in alle Richtungen aus, in einem einzigen universumsweiten Blitz. Jeder Punkt im Raum sendet dieses Licht aus. Jede Richtung ist davon erfüllt. Und dann beginnt es seine Reise. Im Moment seiner Freisetzung ist dieses Licht sichtbar. Es glüht mit der Wärme der Oberfläche eines roten Riesensterns, etwa 3000 Kelvin, ein orange getönter Schein, der blendend wäre, wenn man irgendwie in diesem frühen Universum stehen und sich umsehen könnte.

9:05 Aber man kann dort nicht stehen und niemand sonst kann es. Das Licht beginnt zu eisen und das Universum dehnt sich weiter aus. Hier beginnt etwas Subtiles und Tiefgreifendes zu geschehen, etwas... das leicht zu übersehen ist, wenn wir über Licht auf die gewöhnliche Weise nachdenken. Wir stellen uns Licht normalerweise so vor, dass es durch den Raum reißt, als wäre der Raum eine feste Bühne und das Licht bewegte sich über sie hinweg.

9:36 Aber der Raum selbst ist nicht fest. Er dehnt sich. Er wächst. Und während das Universum expandiert, dehnt es das Licht, das durch es hindurch reißt. Stell dir eine Welle vor, die auf eine Gummiplatte gezeichnet ist. Wenn du die Platte an beiden Enden ziehst, dehnt sich die Welle. Ihre Gipfel rücken weiter auseinander. Bei Licht ist der Abstand zwischen den Gipfeln seine Wellenlänge und die Wellenlänge bestimmt seine Farbe und seine Energie. Während das Universum expandiert, wird jede Wellenlänge dieses uralten Lichts mitgedehnt.

10:17 Das orange Glühen über 13 ,8 Milliarden Jahre um etwa das Tausendfache gestreckt, wandert im Spektrum nach unten. Rot wird zu Infrarot. Infrarot wird zu Mikrowellen. Das Licht wird nicht im gewöhnlichen Sinne schwächer. Es verwandelt sich. Es wird zu etwas, das unsere Augen nie zu erkennen entwickelt wurden. Heute ist... Dieses uralte Orange leuchten auf 2, 725 Kelvin abgekühlt.

10:51 Das ist kaum über dem absoluten Nullpunkt, dem theoretischen Punkt, an dem alle thermische Bewegung aufhört. In vertrauteren Begriffen ausgedrückt sind das etwa minus 270 Grad Celsius. Das Licht, das einst wie eine Sternoberfläche loderte, summt heute im Mikrowellenbereich. Ein eisiges Flüstern, das empfindliche Radioteleskope wahrnehmen können, menschliche Sinne jedoch nicht. Und doch ist es überall. Gerade jetzt, während du hier sitzt, durchqueren ungefähr 400 Millionen dieser uralten Photonen jede Sekunde jeden Quadratzentimeter deines Körpers. Sie durchqueren Wände, die gesamte Erde, alles. Der kosmische Mikrowellenhintergrund ist die häufigste Form elektromagnetischer Strahlung im Universum und übertrifft sichtbares Sternenlicht

11:49 um mehr als eine Million zu eins. Wir sind buchstäblich darin gebadet, darin eingetaucht, aus demselben Raum gemacht, der ihn enthält, und wir spüren nichts davon. Das mag wie eine ferne Kuriosität erscheinen. Ein schwaches Echo aus längst vergangener Zeit, ohne wirkliche Verbindung zu unserem gegenwärtigen Leben. Aber der kosmische Mikrowellenhintergrund ist nicht bloß altes Licht. Er ist eine Fotografie des Universums, als es jung war. Und wie jede gute Fotografie enthält er Details, die eine viel größere Geschichte erzählen. In den 1990er Jahren begann ein Satellit namens Kobe, diesen Hintergrund mit beispielloser Präzision zu kartieren.

12:36 Später verbesserte WMAP diese Messungen um das 50 -fache. Dann trieb der 2009 gestartete Planck Satellit die Präzision noch weiter voran und entdeckte Temperaturschwankungen, die so schwach sind, dass sie nur wenige Millionstel Kelvin ausmachen. Um zu begreifen, was das bedeutet, stell dir vor, du versuchst, die Temperatur eines einzelnen Sandkorns auf der Erde aus der Entfernung des Mondes zu messen. Das ist die Empfindlichkeit, von der wir sprechen. In diese winzigen Schrankungen sind kein zufälliges Rauschen. Sie sind die wichtigsten Muster der Kosmologie. An den etwas wärmeren Stellen war das frühe Universum etwas dichter.

13:23 an den etwas kühleren Stellen etwas weniger dicht. Diese Unterschiede waren winzig, etwa ein Teil in 100 .000. Aber die Schwerkraft verstärkt solche Unterschiede mit der Zeit. Die dichteren Regionen zogen mehr Materie an, wurden noch dichter, bis sie zu den Keimen der ersten Sterne wurden, dann zu Galaxien, dann zu den riesigen Galaxienhaufen, die wir heute sehen. Die kühleren, weniger dichten Regionen wurden zu den kosmischen Leerräumen, den enormen leeren Räumen zwischen den Strukturen hunderte Millionen Lichtjahre groß. Wenn wir den kosmischen Mikrowellenhintergrund betrachten, sehen wir eine Karte des Universums, als es 380 .0 Jahre alt war, ein kosmischer Säugling. Diese Karte zeigt uns, wo alles begann, was wir heute

14:16 sehen. Die Galaxien, die Leerräume, die Materiefäden, die sich durch den Kosmos ziehen, all das ist in diesen schwachen Temperaturwellen vorgezeichnet. Wir sind nicht getrennt von diesem uralten Licht. Wir sind das Ergebnis der Muster, die es enthält. Hier gibt es etwas noch Tieferes, etwas, das die größten Strukturen des Universums mit den kleinsten verbindet. Diese winzigen, dichte Schwankungen, diese Keime von allem, entstanden nicht aus dem Nichts. Sie gingen aus Quantenfluktuationen hervor, der inhärenten Unbestimmtheit, die auf den kleinsten Skalen der Wirklichkeit existiert. Im sehr frühen Universum, während einer Periode namens Inflation, dehnte sich der Arm exponentiell aus und verdoppelte

15:09 seine Größe vielleicht hundertmal in einem Bruchteil, eines Bruchteils einer Sekunde. Diese Ausdehnung war so schnell, so gewaltsam, dass sie mikroskopische Quantenzitterungen auf kosmische Skalen streckte. Was als subatomare Unbestimmtheit begann, wurde zu den kavitativen Keimen von Galaxienhaufen. Denkt darüber nach, was das bedeutet. Die größten Strukturen, die wir kennen, Ansammlungen von tausenden Galaxien über hunderte Millionen Lichtjahre haben ihre Wurzeln in den kleinstmöglichen Fluktuationen des leeren Arms selbst. Der Quantenschirm der frühesten Momente bis zur Unkenntlichkeit aufgebläht, wurde zur Architektur von allem. Ohne diese winzigen Unregelmäßigkeiten wäre das Universum vollkommen

15:59 gleichförmig und ein vollkommen gleichförmiges Universum bleibt für immer gleichförmig. Keine Sterne, keine Galaxien, keine Planeten, kein Leben. Der kosmische Mikrowellenhintergrund bewahrt die Aufzeichnung dieser Fluktuationen, eingefroren in dem Moment, als das Universum durchsichtig wurde. Und wir können diese Aufzeichnung heute lesen. Die Geometrie des Universums ist ebenfalls in dieses Licht geschrieben. Sorgfältige Messungen des kosmischen Mikrowellenhintergrunds sagen uns, dass das Universum flach ist, im technischen Sinne, dass parallele Linien parallel bleiben und Dreiecke -Winkelsummen von 180 Grad haben.

16:46 Du kannst dir das vorstellen, indem du dir drei Raumschiffe vorstellst, die über Milliarden Lichtjahre hinweg ein Dreieck bilden und deren Laserstrahlen sich in Winkeln treffen, die sich zu genau 180 Grad addieren, nicht mehr. Nicht weniger. Diese Flachheit sagt uns etwas Tiefgreifendes über die Gesamtdichte von Materie und Energie im Kosmos.

17:10 Sie liegt exakt beim kritischen Wert an der Grenze zwischen einem Universum, das irgendwann in sich zusammenfallen würde, und einem, das sich für immer ausdehnt. Wir scheinen uns im ausbalancierten Fall zu befinden, auf der Messerschneide, Obwohl die Natur der dunklen Energie dieses Bild auf weise verkompliziert, die wir noch zu verstehen versuchen. Die Expansionsrate selbst lässt sich durch dieses Licht spüren. Stell dir zwei Galaxien vor, getrennt durch die Entfernung von der Erde zur Andromeda -Galaxie, etwa zwei 5 Millionen Lichtjahre. Aufgrund der kosmischen Expansion driften sie mit etwa 67 Kilometern pro Sekunde auseinander ungefähr die Geschwindigkeit, mit der ein Auto auf einer Autobahn fahren könnte.

18:01 Nicht, weil sie sich durch den Raum bewegen, sondern weil der Raum zwischen ihnen wächst, langsam, unaufhaltsam, wie Stoff, der durch einen Webstuhl gezogen wird. Das ist keine Bewegung im gewöhnlichen Sinne. Das ist das Universum selbst, das sich dehnt und alles mit sich trägt, so wie es das uralte Licht trug und dehnte, über das wir sprechen. Die Instrumente, die wir gebaut haben, um dieses Licht wahrzunehmen, sind eine außerordentliche Leistung menschlicher Aufmerksamkeit.

18:35 Die Detektoren des Planck -Satelliten wurden auf Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt gekühlt, Bis auf einen Bruchteil eines Grades über dem kältesten möglichen Zustand, damit die eigene Wärme der Detektoren das Signal, das sie finden sollten, nicht übertönen würde. Stell dir vor, ein Ohr zu bauen, das so empfindlich, so vollkommen still ist, dass es ein Flüstern von der anderen Seite eines überfüllten Arms hören könnte, während es selbst völlig lautjus bleibt. Das ist die Art des Zuhörens, die nötig ist, um Schwankungen von wenigen Millionen Stilgrad in einem Glühen zu erkennen, das den gesamten Raum erfüllt. Die Technologie dieses Zuhörens, insbesondere die supraleitenden Detektoren, die

19:23 die schwächste mögliche Energie registrieren können, stellt eine Art technologischer Demut dar, ein Eingeständnis, dass wir, um die leiseste Stimme des Universums zu hören, zuerst lärmen müssen, selbst still zu sein. Aber der Wert der Erforschung des kosmischen Mikrowellenhintergrunds ist nicht bloß technischer Natur. Er ist im tiefsten Sinne ein Akt der Selbsterkenntnis. Wenn wir dieses uralte Licht kartieren, kartieren wir die Bedingungen, aus denen wir hervorgegangen sind. Wir lesen die Geburtsurkunde des Universums, entziffern die früheste Handschrift der physikalischen Gesetze. Jede Messung verfeinert unser Verständnis davon, wie alt das Universum ist, was es enthält, wie es geformt ist, wohin es geht. Plancks Präzision

20:15 erlaubt es uns, das Alter des Universums auf 13 79 Milliarden Jahre zu datieren, mit einer Unsicherheit von nur 21 Millionen Jahren. Für ein so fernes Ereignis ist das außerordentliche Genauigkeit. Wir wissen heute, dass die ersten Sterne etwa 100 bis 200 Millionen Jahre nach der Rekombination zündeten und damit beendeten, was Astronomen das kosmische dunkle Zeitalter nennen. Diese ersten Sterne waren massereich, leuchtkräftig und kurzlebig, verbrannten ihren Kernbrennstoff schnell und reicherten das Universum mit schwereren Elementen an. Der kosmische Mikrowellenhintergrund liegt sogar vor diesen ersten Leuchtfeuern. Er ist Licht von bevor es irgendeine Lichtquelle im Universum gab, wie wir sie normalerweise verstehen,

21:10 von vor den Sternen, von vor der Struktur, vom letzten Moment, als der Kosmos noch im Wesentlichen gleichförmig war. Darin liegt eine stille Tiefe, die keine Ausschmückung bedarf. Du bist nicht getrennt von dieser Geschichte. Der Raum, der sich um dich herum ausdehnt, der sich seit dem Anfang ausdehnt, trägt dieses Licht als Teil seines eigentlichen Gewebes. Die Quantenfluktuationen, die zu Galaxien wurden, wurden schließlich durch lange Ketten von Ursache und Wirkung auch zur Struktur deines eigenen Körpers. Der Kohlenstoff in deinen Zellen, der Sauerstoff, den du atmest, das Calcium in deinen Knochen. All das wurde in Sternen geschmiedet, die aus den Keimen entstanden, die im kosmischen Mikrowellenhintergrund sichtbar

22:03 sind. Der Hintergrund selbst besteht nicht aus diesen schwereren Elementen. Er ist Licht von Beforelemente, in irgendeiner Form jenseits von Wasserstoff und Helium existierten. Aber er enthält das Muster, den Bauplan, die Anfangsbedingungen, aus denen alles andere folgte. Wenn du dieses Licht irgendwie sehen könntest, wäre der Nachthimmel nicht dunkel. Er wäre erfüllt von einem schwachen, gleichmäßigen Glühen, etwas wärmer an den Orten, wo sich schließlich Galaxien bilden würden, etwas kühler zu den Leerräumen hin, aber überall gegenwärtig.

22:43 Die Sterne und Galaxien, die wir mit unseren Augen sehen, wären diesem tieferen, älteren Licht überlagert wie Verzierungen auf einem viel älteren Stoff. Unsere Augen haben sich entwickelt, um das Licht der Sterne zu erkennen, weil dieses Licht für das Überleben nützlich ist. Aber der Mikrowellenhintergrund ist die grundlegendere Beleuchtung. Das Licht, das zuerst da war, das überall bleibt, das uns mit dem Anfang verbindet.

23:14 Das Universum war einst ein einziger ungeteilter Zustand extremer Hitze und Dichte. Was existiert, teilte denselben winzigen Raum. Der kosmische Mikrowellenhintergrund ist der letzte Moment, in dem diese Einheit noch sichtbar war, bevor die Expansion alles auseinanderzog und das Universum zu dem fragmentierten, strukturierten Ort wurde, den wir heute kennen. Indem wir ihn erforschen, erforschen wir unsere eigenen tiefsten Ursprünge nicht als eine vom Kosmos getönte Geschichte, sondern als Teil davon. Das ist keine Frage des Glaubens oder der Empfindung. Es ist das, was die Messungen zeigen, was die Physik beschreibt, was das Licht selbst uns sagt, wenn wir lernen zuzuhören. Penzias und Wilson hörten zu, anfangs

24:11 widerwillig, verärgert über ein Rauschen, das sie nicht beseitigen konnten. Aber sie blieben dran und sie erkannten schließlich, dass sie etwas Wirkliches hörten. Etwas von überall, etwas vom Anfang. Der kosmische Mikrowellenhintergrund verlangt nicht unserer Aufmerksamkeit. Er erzeugt keinen Ton, den wir hören können, kein Licht, das wir sehen können, keine Empfindung, die wir fühlen können. Er ist einfach gegenwärtig, war gegenwärtig, seit bevor es Wesen gab, für die er gegenwärtig sein konnte. und wird noch lange weiter bestehen, nachdem die letzten solcher Wesen verschwunden sind. Er ist die stillste mögliche Gegenwart, der älteste mögliche Zeuge, die umfassendste mögliche Verbindung zwischen

25:01 uns und dem Ursprung von allem. Und er ist hier. Jetzt. Er durchquert dich, während du atmest, während du in dem sich ausdehnenden Raum existierst, der ihn trägt. Keine Metapher. Keine poetische Fantasie. Eine physikalische Tatsache, gemessen und bestätigt, kartiert und erforscht, so real wie der Boden unter deinen Füßen und weit älter.

25:30 Das älteste Licht des Universums, das immer noch ankommt, immer noch seine Geschichte erzählt. Immer noch jeden Punkt im Kosmos mit jedem anderen Punkt verbindet durch die gemeinsame Erfahrung jenes ersten Moments der Durchsichtigkeit, jener ersten Freisetzung, jenes ersten Blicks auf das, was das Universum werden würde.