Eine All-Sky-Karte des kosmischen Mikrowellenhintergrunds, wie von COBE erkannt. Die Temperaturunterschiede (farblich angegeben) betragen etwa einen Teil von zehntausend der Durchschnittstemperatur (2.725 Kelvin).
Kredit: NASA / COBE

Nach Urknalltheorie, Temperaturen und Drücke für die ersten ~300.000 Jahre des Universums waren so, dass Atome nicht existieren konnten., Die Materie wurde stattdessen als hochionisiertes Plasma verteilt, das sehr effizient Strahlung streut. Das Ergebnis war, dass Informationen (Photonen) aus dem frühen Universum effektiv in einem undurchdringlichen „Nebel“ gefangen waren, der diese frühen Zeiten bis heute vor Astronomen verbirgt.

Als sich das Universum ausdehnte, fiel seine Temperatur und Dichte jedoch auf einen Punkt, an dem sich die Atomkerne und Elektronen zu Atomen kombinieren konnten., Dies ist bekannt als die Epoche der Rekombination, und zu dieser Zeit konnten Photonen endlich dem Nebel des frühen Universums entkommen und frei reisen. Die „Cosmic Microwave Background radiation“ (CMB) ist die Aufzeichnung dieser Photonen im Moment ihrer Flucht.

Erstmals 1965 von Arno Penzias und Robert Wilson entdeckt, ist die CMB eines der schlüssigsten Beweismittel für den Urknall. Insbesondere prognostiziert die Urknalltheorie bestimmte Eigenschaften für die von der Geburt des Universums übrig gebliebene Strahlung, die alle durch die CMB bestätigt werden:

1. Die mehrfache Streuung von Photonen durch ein heißes Plasma im frühen Universum sollte zu einem Schwarzkörperspektrum für die Photonen führen, sobald sie in der Epoche der Reionisierung entkommen sind. Dies ist genau das, was für die CMB beobachtet wird., Die Abbildung rechts zeigt eine theoretische Schwarzkörperkurve zusammen mit CMB-Daten des COBE-Satelliten (COsmic Background Explorer). Die Übereinstimmung ist so gut, dass es unmöglich ist, die Daten von der theoretischen Kurve zu unterscheiden.
2. Die Photonen des CMB wurden in der Rekombinationsepoche emittiert, als das Universum eine Temperatur von etwa 3.000 Kelvin hatte., Sie wurden jedoch während ihrer ~13 Milliarden jährigen Reise durch das expandierende Universum kosmologisch auf längere Wellenlängen umgeschaltet und werden nun im Mikrowellenbereich des elektromagnetischen Spektrums bei einer Durchschnittstemperatur von 2.725 Kelvin nachgewiesen. Dies stimmt gut mit dem überein, was die Urknalltheorie vorhersagt.

Die Standard – Urknalltheorie berücksichtigt jedoch nicht alle beobachteten Eigenschaften des CMB., Insbesondere wenn wir den Dipol entfernen, der aufgrund unserer Bewegung im Universum entsteht, ist der CMB unglaublich gleichmäßig über den Himmel und variiert um nicht mehr als einen Teil von zehntausend. Dies deutet darauf hin, dass Regionen des Universums, die jetzt weit voneinander getrennt sind, einst nahe genug waren, um miteinander zu „kommunizieren“, um ihre Temperatur auszugleichen. Dies ist jedoch angesichts der Urknalltheorie, des Zeitalters des Universums und der endlichen Lichtgeschwindigkeit nicht möglich.,

Das Urknallmodell allein kann die einheitliche Temperatur des CMB nicht berücksichtigen. Eine Periode der Inflation ist auch notwendig, damit Regionen des frühen Universums nahe genug sind, um thermisch auszugleichen.
Kredit: NASA / COBE

Die rote Linie in der Abbildung auf der linken Seite zeigt, dass nach Urknalltheorie, das Universum hatte einen Radius von mehr als 10-10 Meter bei 10-45 Sekunden nach dem Urknall., Da die Lichtgeschwindigkeit bei 3×108 m/s liegt, hätten wir in dieser Zeit nur ~3×10-37 Meter zurücklegen können. Die Urknalltheorie macht es daher unmöglich, dass das gesamte Universum seine Temperatur in diesen frühen Zeiten ausgeglichen hat, da nicht das gesamte Universum in Kommunikation war. Im Alltag können wir keine Informationen über unseren Horizont hinaus erhalten, daher wird dies als Horizontproblem bezeichnet.

Um das Horizontproblem zu lösen, führten Astronomen eine Inflationsperiode in das Urknallmodell ein (blaue Region in Abbildung)., Dieser plötzliche Anstieg der Expansionsrate des Universums kurz nach dem Urknall löst nicht nur das Horizontproblem, sondern auch das Flachheitsproblem. Es wurde daher als Teil des aktuellen Konkordanzmodells der Kosmologie akzeptiert.

Das Vorhandensein einer Hintergrundstrahlung, die eine Temperatur, ein Spektrum und eine Gleichmäßigkeit aufweist, die mit der Urknallkosmologie und der Inflation übereinstimmen, ist mit anderen Mitteln äußerst schwierig zu erzeugen. Daher glauben Astronomen, dass sie durch das Studium der Eigenschaften des CMB tatsächlich die Bedingungen des frühen Universums untersuchen.,