Himmelsmechanik
Kosmologie leicht gemacht - Das Horizontproblem

Siegfried Beißwenger

Nach der klassischen Urknalltheorie leben wir in einem expandierenden Universum. Die Gleichungen, die diese Theorie hervorbringt, zeigen, dass wir mit vergehender kosmischer Zeit immer fernere Gebiete des Universums zu „sehen“ bekommen. Das beobachtbare Universum, sprich unser „Partikelhorizont“, wird immer größer. Aus ferneren Regionen als dem Partikelhorizont können wir wegen der Endlichkeit der Lichtgeschwindigkeit und des Weltalters prinzipiell keine Informationen empfangen. Der Partikelhorizont unserer gegenwärtigen kosmischen Epoche hat nach dem Standardmodell der Kosmologie einen Radius von ca. 46 Milliarden Lichtjahren.

Die am weitesten entfernte Erscheinung im Universum, die wir untersuchen und messen können, ist die sogenannte Hintergrundstrahlung. Sie kommt zwar nicht vom Urknall selbst (was immer das war), aber aus einer Zeit von ca. 380.000 Jahren danach. In der unmittelbaren Epoche davor bestand das Universum aus einem heißen, dichten Plasma aus Protonen, Heliumkernen, Elektronen und sehr vielen Photonen. In dieser Suppe konnten die Photonen auf Grund von Streueffekten kaum vorankommen. Die Abkühlung erlaubte es den Atomkernen, die Plasmaelektronen an sich zu binden. Damit verschwand die Elektronen-Photonen-Streuung und die Photonen konnten entkommen. Heute noch ist unser gesamter Himmel gleichmäßig von dieser Strahlung, deren Wellenlänge im Mikrowellenbereich liegt, erfüllt. Dieser Wellenlänge kann man die Temperatur eines Schwarzen Strahlers von ca. 3 Kelvin zuordnen. Bei ihrer Emission war die Strahlung ca. 3.000 Kelvin heiß, hatte also die Temperatur einer Wolframglühwendel. Auf ihrer 13,7 Milliarden Jahre langen Reise durch ein expandierendes Universum ist sie auf den heutigen, geringen Wert abgesunken.

Warum unser Partikelhorizont mit der Zeit immer größer wird, kann man mit einem kleinen Gedankenexperiment sehr leicht verstehen. Nehmen wir an, wir hätten irgendwo im damaligen „Plasmauniversum“ einen Beobachter (der müsste allerdings aus einem Paralleluniversum gekommen sein, weil es in unserem Universum damals noch viele Milliarden Jahre dauern wird, bis es Menschen gibt, die beobachten können). Und nehmen wir weiter an, dass 380.000 Jahre nach dem Urknall das gesamte Universum (idealisierend) auf einen Schlag durchsichtig geworden ist. Was würde dieser Beobachter in Zeiten nach dem Verschwinden des Plasmas sehen? Die Abbildungen 1a und 1b verdeutlichen die Situation noch ohne Raumausdehnung. Da der Beobachter bei A auf Grund der Endlichkeit der Lichtgeschwindigkeit in die Vergangenheit sieht, stößt sein Blick in einiger Entfernung unweigerlich auf die Plasmawand (engl. surface of last scattering). Nach einem Jahr sieht er ein Lichtjahr weit, nach zwei Jahren sind es zwei Lichtjahre. Einen zweiten Beobachter bei B sieht er nach einem Jahr noch kaum, nach zwei Jahren ganz deutlich.