Kerne und Atomewie die kosmische Mikrowellen-Hintergrundstrahlung begann

Der kosmische Mikrowellenhintergrund ist das Nachglühen des Urknalls. Er entstand etwa 380.000 Jahre nach dem Urknall, als Elektronen von Kernen eingefangen wurden, das Universum durchsichtig wurde und das erste Licht seine Reise in die Zukunft antrat. Dieses Licht lässt sich heute noch messen. Davor, bei 3 Minuten, waren etwa 25 % der Masse zu Helium geworden, und das Rezept der leichtesten Elemente stand nach 20 Minuten fest.

Diese Ära reicht von 3 Minuten bis 150 Millionen Jahre und hat drei Teile: die Nukleosynthese, die die leichtesten Elemente macht; Rekombination und Transparenz, wenn Licht erstmals frei reist; und schließlich das lange dunkle Zeitalter, als das Universum keine Sterne hatte und nur neutraler Wasserstoff abkühlte.

Sechs Ereignisse

• 3 Min · Urknall-Nukleosynthese: Etwa 25 % der Masse werden zu Helium.
• 20 Min · Entstehung von Lithium-7: Das Rezept der leichtesten Elemente steht fest. Neue Elemente müssen auf Sterne warten.
• 47.000 Jahre · Materiedominanz: Die Materiedichte übersteigt die Strahlungsdichte, und Materie wiegt mehr als Licht und Strahlung.
• 380.000 Jahre · Rekombination: Elektronen werden von Kernen eingefangen.
• 380.000 Jahre · Kosmischer Mikrowellenhintergrund: Das Universum wird durchsichtig, und das erste Licht macht sich auf in die Zukunft, wie ein dicker Nebel, der plötzlich aufreißt.
• 380.000 Jahre bis 150 Millionen Jahre · Dunkle Zeitalter: Keine Sterne, nur abkühlender neutraler Wasserstoff.

Das Rezept der leichten Elemente

Ralph Alpher und George Gamow berechneten, wie sich leichte Elemente im Urknall bildeten, und Hans Bethes Name wurde für den Scherz „αβγ“ hinzugefügt. Der Aufsatz heißt „The origin of chemical elements“ (Alpher, Bethe und Gamow, Physical Review, 1948). Auf der obigen Zeitachse war Helium bei 3 Minuten schon reichlich vorhanden und Lithium-7 nach 20 Minuten entstanden, womit das Rezept der leichtesten Elemente feststand.

Das Nachglühen, von zwei Leuten zufällig entdeckt

Zwei Forscher der Bell Labs wurden das Rauschen in ihrer Antenne nicht los. Schließlich erkannten sie, dass es das Nachglühen des Urknalls war, und gewannen 1978 den Nobelpreis. Ihr Aufsatz hat den unscheinbaren Titel „A measurement of excess antenna temperature at 4080 Mc/s“ (Penzias und Wilson, The Astrophysical Journal, 1965). Zufällig bereitete ein Team in Princeton gerade die Suche nach genau dieser Strahlung vor und wurde von den Nachbarn überholt. Sie schrieben die theoretische Erklärung auf, mit dem Titel „Cosmic black-body radiation“ (Dicke, Peebles, Roll und Wilkinson, The Astrophysical Journal, 1965).

Das Nachglühen genauer vermessen

Das von COBE gemessene Spektrum passte fast perfekt zur theoretischen Schwarzkörperkurve und lieferte der Urknalltheorie entscheidende Unterstützung. Der Aufsatz ist „A preliminary measurement of the cosmic microwave background spectrum by the Cosmic Background Explorer (COBE) satellite“ (Mather et al., The Astrophysical Journal Letters, 1990). Zwei Jahre später zeigten Daten desselben Satelliten Temperaturschwankungen von einem Teil in 100.000 in der Hintergrundstrahlung. Diese winzigen Unterschiede waren die Keime späterer Galaxien. Der Aufsatz heißt „Structure in the COBE Differential Microwave Radiometer first-year maps“ (Smoot et al., The Astrophysical Journal Letters, 1992). Schallwellen im frühen Universum hinterließen außerdem eine charakteristische Skala von etwa 500 Millionen Lichtjahren in der Verteilung der Galaxien, die zu einem Maßstab für die Vermessung des Universums wurde. Der Aufsatz ist „Detection of the baryon acoustic peak in the large-scale correlation function of SDSS luminous red galaxies“ (Eisenstein et al., The Astrophysical Journal, 2005). Schließlich vermaß der Satellit Planck die feinen Wellen des Nachglühens: Gewöhnliche Materie macht etwa 5 % der Gesamtenergie des Universums aus, Dunkle Materie etwa 27 %, der Rest ist Dunkle Energie (Planck Collaboration, Astronomy & Astrophysics, 2020).

Wie man die dunklen Zeitalter „sieht“

Ohne Sterne gibt es kein Licht zum Sehen, deshalb stützen sich Forscher auf Wasserstoff. Menschen wiesen zuerst die 21-cm-Radiostrahlung des neutralen Wasserstoffs nach, was es möglich machte, sonst unsichtbares Gas in der Milchstraße zu „sehen“. Der Titel der Arbeit lautet schlicht „Observation of a line in the galactic radio spectrum“ (Ewen und Purcell, Nature, 1951). Das EDGES-Experiment meldete ein 21-cm-Absorptionssignal, hinterlassen von der ersten Sterngeneration, in einem Aufsatz mit dem Titel „An absorption profile centred at 78 megahertz in the sky-averaged spectrum“. Das Ergebnis ist noch umstritten und wartet auf unabhängige Überprüfung (Bowman et al., Nature, 2018).

Was in einem Atom steckt

Alphateilchen werden von Goldfolie gelegentlich zurückgeworfen, und daraus schloss Ernest Rutherford, dass die Masse eines Atoms in einem winzigen Kern konzentriert ist (Rutherford, Philosophical Magazine, 1911). Der Aufsatz heißt „The scattering of α and β particles by matter and the structure of the atom“.

So zeigt es das Spiel

Im Spiel ist der Zeitraum der Ära Kerne & Atome „3 Minuten bis 150 Millionen Jahre“, und ihre Ressource sind Atome. Die Generatoren sind Protoneneinfang, Deuteronenfusion, Helium-4-Synthese und Elektroneneinfang, passend zum Prozess von der Nukleosynthese bis zur Bildung der Atome.