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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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