Cosmic Microwave Background

Der kosmische Mikrowellenhintergrund ist Wärmestrahlung, die aus der Epoche der Rekombination stammt, 380.000 Jahre nach dem Urknall, als das Universum auf unter etwa 3.000 Kelvin abkühlte und Protonen erstmals Elektronen einfingen, um neutralen Wasserstoff zu bilden. In diesem Moment wurde das Universum transparent, und die Photonen, die zuvor eng an das Baryon-Photonen-Plasma gekoppelt waren, breiteten sich frei durch den Raum aus. Heute treffen diese Photonen aus allen Richtungen als nahezu perfektes Schwarzkörperspektrum bei 2,725 Kelvin mit Temperaturschwankungen von nur etwa 30 Mikrokelvin ein, also einem Teil in 100.000. Das Leistungsspektrum dieser Schwankungen, aufgetragen als Varianz D_l in Mikrokelvin-Quadrat gegen den Multipolmoment l (wobei l grob 180 Grad geteilt durch die Winkelskala entspricht), zeigt eine Reihe akustischer Peaks, die durch Schallwellen verursacht werden, die sich durch das heiße Plasma ausbreiteten, bevor die Rekombination sie einfrierte.

Die Positionen und Amplituden der akustischen Peaks kodieren präzise kosmologische Parameter. Der erste Peak bei l etwa 220, entsprechend einer Winkelskala von etwa 1 Grad, bestätigt, dass das Universum eine flache Geometrie hat: Bei positiver Krümmung würde der Peak zu kleinerem l verschoben, bei negativer Krümmung zu größerem l. Das Verhältnis der Amplitude des ersten zum zweiten Peak begrenzt die Baryonendichte auf 4,9 % der kritischen Dichte, da Baryonen dem Plasma Trägheit verleihen und damit ungerade Peaks gegenüber geraden unterdrücken. Das Verhältnis des zweiten zum dritten Peak legt den Anteil dunkler Materie auf 26,8 % fest, da dunkle Materie nicht an den akustischen Oszillationen teilnimmt, sondern stattdessen die Potentialtöpfe vertieft, die diese antreiben. Jenseits von l etwa 1000 bewirkt die Silk-Dämpfung (Diffusion von Photonen, die kleinskalige Fluktuationen auswascht) eine exponentielle Unterdrückung. Diese Messungen, veröffentlicht durch die Planck-Kollaboration im Jahr 2018 (arXiv:1807.06209), begrenzen die Hubble-Konstante auf 67,4 km/s/Mpc und das Alter des Universums auf 13,8 Milliarden Jahre.