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Verleihung der Albert Einstein–Medaille an George F. Smoot am 4.Juni 2003
(Aula der Universität Bern, Bern)

Vorstellung des Laureaten
George F. Smoot, ein Kosmologe, der massgeblich an der Kartografierung der Hintergrundstrahlung beteiligt war und ist, wird dieses Jahr mit der Einstein-Medaille ausgezeichnet. Er und sein Team haben mit dem Cosmic Background Explorer COBE aufschlussreiche Daten über die Strukturbildung im Universum geliefert.

George Fitzgerald Smoot, das ältere zweier Kinder, wurde am 20. Februar 1945 in Yukon (Florida) geboren. Sein Vater war Hydrologe, seine Mutter Lehrerin für Naturwissenschaften. George war schon in seiner Kindheit an Wissenschaft interessiert, daneben aber auch an Technik, Science-Fiction-Romanen und Sport. In der Highschool machte seine Liebe zum Football dem Wunsch nach einer akademischen Laufbahn Platz.
Schon bald nach seinem Eintritt ins Massachusets Institute of Technology MIT standen für ihn die Hauptfächer Mathematik und Physik fest. Sein B.S. Degree befasste sich mit Elementarteilchenphysik, während seine im Jahr 1970 abgeschlossene Doktorarbeit vom Zerfall subatomarer Teilchen handelte. In jener Zeit war Elementarteilchenphysik ein beliebtes Gebiet unter den Studenten. Smoot jedoch zog es zur Kosmologie, einem Forschungszweig, der bekanntlich sehr viel mit den kleinsten Teilchen zu tun hat.
George F. Smoot lebt heute in Berkeley, California, wo er auch als Physikprofessor tätig ist. Lehre und Forschung lassen wenig Freizeit übrig, wenn doch, dann geht er auf Reisen oder unternimmt Wanderungen und Skitouren. 1993 erschien das Buch „Wrinkles in Time“, in dem er die Geschichte der Kosmologie und seine Erfahrungen in diesem Forschungszweig beschreibt. Die Publizität des Buches nützt Smoot dazu, die Forschung auf dem Gebiet der Hintergrundstrahlung weiterzutreiben.

Nach seiner Doktorarbeit 1970 wechselte George Smoot zur University of California in Berkeley, wo er am High-Altitude Particle Physics Experiment HAPPE arbeitete. Das Ziel von HAPPE war es, experimentelle Hinweise für den Big Bang zu finden. Es gehört daher zu einer Reihe von Experimenten ein, die genau diesen Big Bang nahelegten, als deren berühmteste Beispiele der Nachweis der Rotverschiebung durch Erwin Hubble (1929) und die Entdeckung der Hintergrundstrahlung durch Penzias und Wilson (1964) gelten. Smoot war Leiter von HAPPE-Expeditionen in Palästina, Texas und South Dacota. Die äusserst schwachen elektromagnetischen Signale aus dem All, die 300'000 Jahre nach dem Urknall „geboren“ wurden, erforderten äusserste Sorgfalt gegenüber jeglicher Art von Störgeräuschen.

Eine Reihe von Experimenten, wie zum Beispiel SSCM (Superconducting Magnetic Spectrometer) oder Astromag folgten auf HAPPE Während diese vor allem im Hinblick auf die Existenz von Antiteilchen im Universum konzipiertt wurden, interessierte sich Smoot mehr und mehr für die kosmische Hintergrundstrahlung selber. Die Fragestellung lautete: Rotiert das Universum, oder expandiert es nur? "I chose to work on measuring cosmic background radiation partly because I knew this: Whatever we learned would be fundamental," schreibt Smoot in “Wrinkles in Time”.
Diesem Gedanken folgend, leitete Smoot in den folgenden Jahren verschiedene Experimente, um jede noch so kleine Information über die Hintergrundstrahlung zu erkennen und zu interpretieren. Solche Experimente werden an Ballonen (z.B. Berkeley-90GHz, MAX, MAXIMA, MAXIPOL), in Flugzeugen (z.B. U2) installiert oder als Satelliten ausgesetzt..

In den U2-Daten wies Smoot 1976 ein sogenanntes Dipolmoment nach. Er interpretierte das Resultat dahingehend, dass unsere Milchstrasse und ihre Nachbargalaxien mit grosser Geschwindigkeit auf ein Objekt mit enormer Masse zusteuern. Eine solche Bewegung ist nur dann ohne Auseinanderreissen möglich, wenn das anziehende „Objekt“ sehr weit entfernt und das dazwischenliegende Gebiet im wesentlichen leer ist. Diese Entdeckung trug wesentlich dazu bei, die Vorstellung eines aus gleichmässig verteilten Galaxien bestehendes Universum aufzugeben. Das All scheint vielmehr aus „leeren“ Gebieten zu bestehen, um die herum sich Galaxiencluster und Supercluster in sogenannten Filamenten anordnen.
Mit dem Satellit COBE (Cosmic Background Explorer, Start 1989) gelang es, die Temperaturverteilung der Hintergrundstrahlung auf ein Hunderttausendstel Grad genau und mit einer Auflösung von 7 Grad über das ganze Universum zu kartografieren. Der Vermeidung von Fehlern wurde so grosse Bedeutung beigemessen, dass Smoot jedem eine Flugreise nach irgendwo in der Welt offerierte, der einen Fehler in den Daten finden könne!
1992 stellte Smoot seine Resultate am „Meeting of the American Physical Society“ in Washington, D.C. vor. In den drei Monaten davor arbeitete er Tag und Nacht an der Bereitstellung der COBE-Daten. Das sogenannte COBE-DMR (Differential Microwave Radiometer) ermöglichte den Nachweis von Anisotropien, die auf die ursprüngliche kosmische Mikrowellenstrahlung zurückgehen und für die heutige Struktur des Universums verantwortlich sind. Die Winkelauflösung von sieben Grad versprach weitere Informationen bei besserer Auflösung. Die Präsentation der „Photographie des Universums, als es gerade zu leuchten begann“ war eine Sensation, und wohl nicht nur sein Satz "If you're religious, it's like seeing God" löste unter Physikern, Philosophen und Theologen lebhafte Diskussionen aus.
Seit 1995 ist George Smoot am Nachfolgeexperiment beteiligt, dem Planck Surveyor (Start 2007), einem Satellitenprojekt der European Space Agency (ESA). „Planck“ wird viel detailliertere Informationen über die Anfangsbedingungen für die Ausbildung grossräumiger Strukturen, über die Elementarteilchenphysik des frühen Universums und die Art der Raum-Zeit-Geometrie liefern.
(aus CURRENT BIOGRAPHY, Vol 55, No 4, 1994 und persönlichen Mitteilungen von G.Smoot)

Hansjörg Friedli

(weitere infos: http://spectrum.lbl.gov/)


Als das Universum zu klingen begann

Newtons Kosmologie – als theoretischer Unterbau des heliozentrischen Systems - lässt sich etwa so zusammenfassen: In einem absoluten Raum befinden sich Fixsterne und Planeten, deren Bewegung bezüglich einer absoluten Zeit ablaufen. Das somit statische Universum besteht im wesentlichen aus Fixsternen, die aber so gleichmässig verteilt sein müssen, dass die zwischen ihnen wirkenden Gravitationskräfte ihre Position nicht beeinflussen können. Newton war sich dieser wohl schwer erfüllbaren Forderung bewusst. Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie hingegen erlaubt kosmologische Modelle, bei denen das Universum sowohl expandieren als auch kontrahieren kann. Einstein geht zwar zunächst - wie seine Zeitgenossen - davon aus, dass das Universum statisch ist. Er führt die kosmologische Konstante ein, die in seinem Modell für ein immer gleich grosses Universum sorgt und den kontrahierenden Einfluss der Gravitation kompensiert. Wie Newton nimmt auch er in Kauf, dass sein Modell instabil gegenüber kleinsten Dichteschwankungen ist. Heute ist unbestritten, dass das Universum sich ausdehnt und entwickelt. Kosmologische Modelle mit sehr vielen Möglichkeiten erlaubt die Quantengravitation. Da gibt es Universen mit Henkel oder Wurmlöchern in komplexen Topologien mit 10 oder 11 Dimensionen.

Nach dem Exkurs in die Geschichte der kosmologischen Modelle wendet sich Smoot den Beobachtungen zu. Er zeichnet nach, wie die experimentelle Astrophysik seit über 50 Jahren immer mehr und immer bessere Daten liefert, die die „Geschichte des Kosmos“ erhellen.
Erwin Hubble (1889 bis 1953) weist mit Distanzmessungen überzeugend nach, dass der Andromeda-Nebel nicht ein zur Milchstrasse gehörender Gasnebel ist, sondern sehr viel weiter entfernt sein muss als die Fixsterne am Nachthimmel. Es ist dies der Moment, wo man mit Staunen erkennt: das All „endet“ nicht mit der Milchstrasse. Wir leben in einer unter Milliarden von anderen Galaxien. Diese Sterneninseln bevölkern ein riesiges Universum. Hubble bestimmt von einigen Galaxien auch deren Relativgeschwindigkeiten bezüglich der Milchstrasse und findet, dass diese Bewegungen nicht statistisch verteilt sind, sondern dass Galaxien im Mittel umso schneller von uns wegstreben, je weiter sie von uns entfernt sind. Da die Milchstrasse kaum ein ausgewählter Punkt des Universums sein kann, lässt sich diese Tatsache nur so erklären, dass sich alle Galaxien voneinander wegbewegen: das Universum dehnt sich aus. George Smoot zeigt Hubblediagramme, in denen die Geschwindigkeit in Funktion des Abstands aufgetragen ist. Heutige Messmethoden erlauben Bestimmungen bis zu Fluchtgeschwindigkeiten von über der Hälfte der Lichtgeschwindigkeit. Galaxien mit solchen Geschwindigkeiten sind etwa 2000Mpc oder 6.5 Milliarden Lichtjahre von uns entfernt. Das Auseinanderstreben ist ein grossräumiger Effekt und schliesst nicht aus, dass sich einzelne Galaxien auch auf uns zu bewegen können. So wird sich etwa der Andromedanebel in einer Milliarde Jahre mit unserer Milchstrasse durchdringen.
Messungen von Relativgeschwindigkeiten beruhen auf dem so genannten Doppler-Effekt. Bewegt sich eine Schallquelle auf unser Ohr zu, dann treffen pro Zeiteinheit mehr Wellenzüge ein als dies bei ruhender Quelle der Fall wäre: die Frequenz erhöht sich. Bewegt sich die Quelle von uns weg, wird die Frequenz deshalb tiefer, was einer grösseren Wellenlänge entspricht. Dies gilt auch für elektromagnetische Wellen, d.h. für Licht: bewegt sich ein Stern von uns weg, erreicht uns dessen Licht mit vergrösserter Wellenlänge, d.h. zu „rot“ hin verschoben.
Nun erfährt ein Lichtstrahl auch dann eine Rotverschiebung, wenn die aussendende Galaxie ruhend ist. Wird ein Photon ausgesandt, ist seine Startwellenlänge bezüglich eines gedachten räumlichen Gitters festgelegt. Da aber das Universum expandiert, vergrössert sich das Gitter und dadurch auch die Wellenlänge des Photons. Bei seiner Ankunft ist der Lichtstrahl jedenfalls röter als am Startpunkt und das umso mehr, je weiter die Galaxie von uns entfernt ist: diese Art Rotverschiebung ist proportional zum Abstand zwischen Galaxie und Milchstrasse.



Ballonanalogie: Sowohl die 3 Punkte als auch der Wellenzug vergrössert sich

Wenn das Universum expandiert, muss es früher kleiner gewesen sein, und also mit einem „Punkt“, dem so genannten Big Bang, seine Existenz begonnen haben. Diese heute schon fast lapidar wirkende Aussage geht auf George Gamov (1904-1968) zurück. In der dichten und heissen Frühphase fand eine Nukleosynthese statt. Die Messung der Häufigkeit von Wasserstoff-, Helium- und Lithium-Isotopen legen den Wert der baryonischen Materiedichte fest, d.h. genauer . Dies bedeutet, dass die „normale“ Materie bloss mit 4% zur so genannten kritischen Dichte beiträgt; jener Dichte, die nötig ist, das Universum weder in sich zusammenfallen noch es unendlich gross werden zu lassen.

Die spektakuläre Entdeckung der sogenannten Hintergrundstrahlung durch Penzias und Wilson im Jahr 1965 brachte weitere Erkenntnisse. 380000 Jahre nach dem Big Bang war das Universum so gross und daher so „kalt“ – immerhin etwa 3000Kelvin - geworden, dass Kerne und Elektronen zu neutralen Atomen zusammenfanden; Strahlung und Materie begannen ab diesem Zeitpunkt je ein eigenständiges Dasein. Aus den Atomen entstanden Gaswolken, später Sterne, während die Strahlung aufgrund der weitergehenden Expansion immer energieärmer, röter und was dasselbe ist, kälter wurde bis zum heutigen Mittelwert von 2.728 Kelvin. Das All ist seit der Trennung von Strahlung und Materie etwa tausendmal grösser geworden. Lange Zeit waren Variationen in der Hintergrundstrahlung – genauer im kosmischen Mikrowellenhintergrund – nicht messbar: wo immer man am Himmel hinschaute, die Strahlung zeigte dasselbe Bild mit derselben Intensitätsverteilung. Die Homogenität der Strahlung war schon fast verwirrend „perfekt“. Erst die präziseren Messungen des Cosmic Background Explorer COBE lieferten präzisere Angaben: Subtrahiert man von den Daten den Mittelwert von 2.278K findet man einen Dipoleffekt, der sich dahingehend interpretieren lässt, dass sich die Milchstrasse mit 611km/s durchs All bewegt. Zieht man von den Daten diesen Effekt (in der Grössenordnung von knapp 0.004Kelvin) ab, so bleiben Unterschiede zurück, die von Strahlung aus der Milchstrasse selber herrühren. Scheidet man auch diesen Strahlungsanteil aus (was wegen der unterschiedlichen Spektralverteilung möglich ist), dann erst sieht man das eigentliche Hintergrundlicht. Licht, das zu recht das älteste überhaupt sehbare Licht ist!

Schon 1994 liefert COBE Daten mit einer Genauigkeit von 10 Mikrokelvin bei 7Grad-Winkelauflösung. Die kleinen Variationen in der Temperatur deckten erstmals den Keim der Galaxienentstehung auf. WMAP, das Nachfolgeexperiment zeigt ebenfalls - mit besserer Auflösung - eine typische Körnigkeit von ungefähr 0.7Grad (was dem anderhalbfachen Monddurchmesser entspricht). Die Ursache sind Dichteunterschiede, die man für das Entstehen von Galaxien verantwortlich macht. Galaxien beginnen ihr Dasein an kälteren, dichteren Orten, die von Leerräumen in wärmeren, weniger dichten Regionen umgeben sind.



Temperaturverteilung im Universum, nach Abzug aller störenden Einflüsse

Smoot zeigt Momentaufnahmen einer Computersimulation eines würfelförmigen Universums, das anfänglich mit Gas gefüllt ist, dessen Dichteschwankungen wie in den CMB-Daten 1 zu Hunderttausend beträgt. Ueberlässt man das Gas der Gravitationswechselwirkung, entstehen nach und nach filamentartige Ballungen, d.h. Cluster und Supercluster von Galaxien, ähnlich wie wir das bei Durchmusterung des Himmels auch beobachten können. Erst in einem Raster von 300Mpc wirkt das Universum homogen.



Links: Start der Simulation, Rechts: Modelluniversum nach 13Mia Jahren

Was könnte die Dichteschwankungen bewirkt haben? Ein Mechanismus muss vor oder während der Trennung von Strahlung und Materie die Anisotropie eingeprägt haben. George Smoot vergleicht das Universum mit einem Musikinstrument. Zupft man eine Geigensaite an, so werden auf der eindimensionalen Saite stehende Wellen mit ganz bestimmten Wellenlängen erzeugt. Die Stärke, mit denen diese Wellen auftreten, verleiht der Saite ihren charakteristischen Klang, zusätzlich mitbestimmt durch Resonanzkasten, Bogen u.s.w. Jedenfalls lässt sich durch das Spektrum ein Instrument von einem anderen unterscheiden. Smoot überträgt diese Idee auf das dreidimensionale Universum: Die Inflationsphase kurz nach dem Big Bang, welche eine explosionsartige Vergrösserung des Universums bewirkte, hat die Raumzeit einer Glocke ähnlich angeschlagen. Die Eigenschwingungen, deren das Universum fähig war, sind in den Dichteschwankungen der Hintergrundstrahlung immer noch nachweisbar. Diese Vorstellung eines tönenden Alls ermöglicht eine intuitive Erklärung, wie es zu den dichteren und dünneren Raumgebieten gekommen ist. Die in dieser Inflationsphase erzeugten Dichteunterschiede sind wohl verantwortlich für das Entstehen der Galaxiencluster.
Mit dem Modell ist es möglich, auf die Zusammensetzung der „Materie“ zu schliessen. Je nach Szenario, d.h. je nachdem, wie gross die Anteile an baryonischer Materie, exotischer Materie und dunkler Energie gewählt werden, ergibt sich ein anderes Spektrum, das mit den aktuellen Daten verglichen werden kann. Bestimmt man aus verschiedenen Datensätzen (COBE, MAXIMA, BOOMERANG, DASI, ARCHEOPS) das Spektrum, ergibt sich folgendes Bild: Eine deutlich sichtbare Grundschwingung bei =0.7Grad und schwach ausgeprägte Oberschwingungen. Nach dem neuesten Stand sieht die Zusammensetzung folgendermassen aus: 4% baryonische Masse, 23% dunkle nichtbaryonische Masse und 73% dunkle Energie.



Temperaturschwankung in Funktion des Sehwinkels

Mit CMB-Karten kann man auch die Geometrie der Raum-Zeit, genauer ihre Krümmung, überprüfen. Man denkt sich einen Meterstab in sehr grosser Entfernung und überprüft, wie sich der Winkel, unter dem man diesen Stab sieht, verändert, wenn er sich auf uns zu bewegt. Um eine intuitive Vorstellung zu bekommen, bedient man sich folgender Analogie: Der Raum wird als zweidimensionalen Fläche aufgefasst. Licht bewegt sich gezwungenermassen in dieser Fläche, die entweder eine Ebene (keine Krümmung, flach), eine Kugel (positive Krümmung, sphärisch) oder eine Sattelfläche (negative Krümmung, hyperbolisch) sein kann. George Smoot demonstriert, wie sich der Sehwinkel verändert, wenn ein Meterstab in einem sphärischen Universum in Funktion des Abstands betrachtet wird. Stellen Sie sich vor, Sie stehen am Nordpol und betrachten einen Meterstab, der sich auf dem Aequator befindet. Lichtstrahlen vom Meterstab bewegen sich auf Längenkreisen auf Ihr Auge zu. Wenn nun der Meterstab parallel zum Aequator in Richtung Nordpol verschoben wird, dann vergrössert sich der Sehwinkel, der Stab kommt ja immer näher. Interessanterweise ergibt sich auch dann eine Sehwinkelvergrösserung, wenn der Meterstab vom Aequator in Richtung Südpol bewegt wird, sich also vom Nordpol wegbewegt. Wie eine bestimmte Distanz zweier Objekte wahrgenommen wird, hängt also davon ab, wie der Raum gekrümmt ist. Untersucht man in der Art die CMB-Daten, so bestätigen diese, dass das Universum im wesentlichen flach ist.



Messung der Raumkrümmung

Professor George Smoot schliesst seinen interessanten, vielschichtigen und mit vielen konkreten Daten versehenen Vortrag mit der Bemerkung, dass die Astrophysik heute in der Lage ist, die Entwicklung und die Zukunft des Universums mit recht grosser Genauigkeit vorherzusagen, was einer enormen intellektuellen Leistung gleichkommt!


Hansjörg Friedli

(Figuren aus http://aether.lbl.gov/www/einstein.html)

 

 
 
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