Indizien für den Beginn des Kosmos im Urknall
3. Echo des Urknalls, die Mikrowellenhintergrundstrahlung
Ein weiteres Indiz für den Urknall stellt die sog. kosmische Hintergrundstrahlung im Mikrowellenbereich (“cosmic microwave background”, CMB) dar, die man heute noch messen kann.
Zur etwa gleichen Zeit, als Gamow sich mit der Heliumhäufigkeit im Universum beschäftigte, kam ihm noch eine andere Idee: wenn das Universum zum Zeitpunkt des Urknalls so unheimlich heiß gewesen war, dass sich kurz nach dem Urknall durch Kernfusion Helium und andere leichte Elemente bilden konnten, dann müsste im thermodynamischen Gleichgewicht bei den sehr hohen Temperaturen zu Beginn auch Wärmestrahlung entstanden sein, die zwar inzwischen mit zunehmender Expansion ähnlich abgekühlt sein musste wie das Universum selbst, die aber immer noch vorhanden sein sollte.
Gamow, Ralph Alpher und der Physiker Robert Herman schlossen damals, dass die Temperatur dieses Strahlungshintergrunds gegenwärtig noch etwa 5°K betragen müsse.
Heute wissen wir, dass die Temperatur bei 3°K (-270°C) bzw. genauer 2.7°K liegt. Diese Strahlung hat ihr Maximum im Mikrowellenbereich des elektromagnetischen Spektrums und ist für das menschliche Auge unsichtbar.
Die ursprünglich extrem energiereiche elektromagnetische Strahlung aus der Frühzeit des Universums kühlte sich infolge der kosmischen Expansion so weit ab, dass sie uns heute als Strahlung einer Temperatur von 3°K erreicht.
Mit der Hintergrundstrahlung können wir in eine Zeit etwa 300.000 bis 400.000 Jahre nach dem Urknall zurückblicken, als das Universum auf etwa 3000°K abgekühlt war, denn erst zu jener Zeit wurde das Universum durchsichtig für Strahlung. Die Nukleosynthese kurz nach dem Urknall hatte dazu geführt, dass die Ursuppe der Materie zum Teil aus positiven Atomkernen und freien Elektronen bestand.
Durch die Kollision mit diesen geladenen Teilchen wurden die Photonen, die Quanten des Lichts, auf dem Weg durch den Raum gestreut und konnten ihn nicht ungehindert durchqueren. Erst als sich bei einer Temperatur von etwa 3000°K aus den Atomkernen und Elektronen neutrale Atome bildeten, konnte die Strahlung den Raum ungebremst passieren. Bei dieser Temperatur konnten Atome erstmalig stabil zusammenhalten, da sich die elektromagnetische Kraft nun bemerkbar machen konnte und zur gegenseitigen Anziehung der positiven Atomkerne und negativen Elektronen führte, wodurch sich die Elektronen an die Kerne binden konnten. Dieses Ereignis wird allgemein als Rekombination bezeichnet.
Alpher und Herman waren damals der Meinung, wenn der Urknall wirklich stattgefunden hatte und sie mit ihrer Theorie richtig lagen, dann würde das Licht, das zur Zeit der Rekombination präsent war, heute immer noch existieren. Und würde man dieses Licht beobachten können, so würde dies gleichsam einen Beweis für den Urknall liefern. Da dieses Licht zur Zeit der Rekombination überall im Universum existiert haben musste, sollte es aus allen Richtungen des Himmels kommen.
Jeder der es schaffen würde, diesen sog. Mikrowellenhintergrund zu beobachten, würde somit beweisen, dass der Urknall wirklich stattgefunden hat.
Entdeckt wurde diese Strahlung schließlich eher zufällig 1965 von den US-Physikern Arno Penzias und Robert Wilson, als sie die Ursache für ein Hintergrundrauschen erforschten, welches bei Messungen mit einem Radioteleskop bzw. einer Radioantenne an den AT&T Bell Telephone Laboratories in New Jersey aufgetreten war. Sie waren sich jedoch nicht bewusst, dass sie über eine der wichtigsten Entdeckungen in der Geschichte der Kosmologie gestolpert waren, ein Überbleibsel aus der Frühzeit des Universums, das von einem zunächst sehr heißen und dichten Universum zeugt, das sich später abkühlte und ausdünnte.
Das Echo des Urknalls zeigte sich in Form von Radiowellen, die sich als Hintergrundrauschen ihres Teleskops offenbarten, eine gleichförmig aus allen Richtungen einfallende Strahlung im Mikrowellenbereich.
1978 wurden sie für ihre Entdeckung mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet. Ab diesem Zeitpunkt stieg das Urknallmodell zur Mainstream-Meinung unter den Wissenschaftlern auf.