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Lachende Kosmologen: George F. Smoot (li.) und John C. Mather
Heutzutage gehört die These, daß das Universum aus einer Art Urknall heraus entstanden und seitdem expandiert ist, zum allgemein akzeptierten Rüstzeug der Astrophysik. Dem stand früher die Steady-State-These von einem Kosmos entgegen, der zufolge sich dieser nie wesentlich geändert hat. Mit der Entdeckung der Kosmischen Hintergrundstrahlung im Jahr 1964 durch Arno Penzias und Robert Wilson, die dafür im Jahr 1978 den Nobelpreis für Physik erhielten, wurden die Zweifel an der Urknall-These ausgeräumt. Aber erst John Mather und George Smoot ist es gelungen, den letzten Beweis für den kosmologischen Ursprung der Strahlung zu führen und ihre Verteilung zu ermitteln, die unter anderem schon die heutige Verteilung der Galaxien signalisiert hat und damit die gesamte Geschichte des Universums verständlich werden läßt. Dafür ist jetzt den beiden Wissenschaftlern der diesjährige Nobelpreis für Physik zuerkannt worden.
Der Urknall-These zufolge hat sich das Universum - nach den derzeitigen Vorstellungen vor etwa 13,7 Milliarden Jahren - in einem extrem heißen Zustand befunden. Kurz darauf war es mit unglaublich intensiver Strahlung gefüllt. Physikalisch glich es einem sogenannten Schwarzen Körper, dessen Strahlungsverteilung im Spektrum nur von der Temperatur abhängig ist. Als die Strahlung ausgesendet wurde, hat sie eine Temperatur von 3000 Kelvin gehabt. Später kühlte sie wegen der Expansion des Kosmos auf 2,7 Kelvin ab. Die Grundlagen zum Verständnis dieses Vorgangs waren bereits in den sechziger Jahren des zwanzigsten Jahrhunderts von Ralph Alpher, George Gamow und Robert Herman gelegt worden.
Sichtbare Materie, Dunkle Materie und Dunkle Energie
Mit der Abkühlung ging eine Verlängerung der Strahlungswellen bis in den Mikrowellenbereich einher. Weil die Mikrowellenstrahlung weitgehend von der Erdatmosphäre absorbiert wird, konnten Penzias und Wilson sie zwar registrieren, aber nicht im Detail untersuchen. Im Jahr 1974 beschloß deshalb die Nasa, wobei vor allem Mather die treibende Kraft war, dafür den Satelliten Cobe („Cosmic Background Explorer“) zu bauen. Unter anderem versprach man sich von ihm Informationen über Abweichungen von einer Gleichverteilung am Himmel. Unterschiede in der Temperatur würden belegen, daß sich die Galaxien aus frühen „Samen“ im Universum entwickelt haben.
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Echo des Urknalls: Temperaturschwankungen in der Kosmischen Strahlung
Der Satellit Cobe wurde am 18. November 1989 gestartet. Gleich am Anfang vermaß er mit einem Instrument, für das Mather verantwortlich war, das Spektrum der Kosmischen Hintergrundstrahlung, das sich - wie der Forscher bereits im Januar 1990 verkündete - als das perfekte Spektrum eines Schwarzen Körpers erwies und damit die Urknall-These zementierte. Die Abweichungen von einer aus allen Richtungen des Kosmos gleichmäßig zur Erde gelangenden Strahlung zu messen erwies sich als schwieriger. Eine Zeitlang hatte man geglaubt, die „Samen“ der Galaxien und Galaxienhaufen würden sich durch Temperaturabweichungen von etwa einem tausendstel Kelvin zu erkennen geben.
Die Einbeziehung der Dunklen Materie in die Überlegungen machte jedoch bald klar, daß die Abweichungen nur ungefähr ein hunderttausendstel Kelvin betragen würden. Trotz dieses geringen Betrags wurden sie mit einem Meßgerät, für das Smoot verantwortlich war, gefunden. Im Jahr 1992 hat der Forscher die erste Karte mit der Verteilung der Kosmischen Hintergrundstrahlung veröffentlicht - die besonders aussagekräftig wurde, als man die galaktische Strahlung herausgerechnet hatte. Die Ergebnisse, die auch Auskunft geben über die Verhältnisse von sichtbarer Materie, Dunkler Materie und Dunkler Energie zueinander, wurden später mit dem Satelliten WMap („Wilkinson Microwave Anisotropy Probe“) und mit Ballonsonden bestätigt.
George Fitzgerald Smoot ist am 20. Februar 1945 in Yukon (Florida) geboren worden. Er studierte Mathematik am Massachusetts Institute of Technology in Cambridge, wo er 1970 auf dem Gebiet der Teilchenphysik promovierte. Danach begann er sich verstärkt für Astrophysik zu interessieren und wechselte schließlich 1971 an die University of California in Berkeley. Drei Jahre später nahm er auch am benachbarten Lawrence Berkeley National Laboratory seine Forschungen auf. Smoot ist seit 1994 Professor für Physik und Autor des Buches „Das Echo der Zeit“.
Der gleichaltrige John C. Mather studierte Physik am Swarthmore College in Philadelphia und an der University of California, wo er 1974 promovierte. Seit 1994 ist er Fellow am Goddard Space Center der Nasa in Greenbelt, Maryland.
