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Der älteste Radiosender der Welt
Zwei Astrophysiker wollten der lästigen Rauschen im Funkverkehr auf die Spur kommen - und stießen auf ein weiteres unerklärliches Geräusch. Bald stellte sich heraus, dass sie zufällig die älteste Radiosendung der Geschichte empfangen hatten – den Nachhall des Urknalls bei der Entstehung der Welt
Von Martin Schneider
Es war Sonntag, der 27. April 3877 vor Christus, als Gott die Welt erschuf – und zwar um 11 Uhr vormittags. Der große Physiker und Astronom Johannes Kepler errechnete diesen Termin vor 400 Jahren nach gründlichem Bibelstudium. Auch wenn ein paar Jahrzehnte später Erzbischof Usher von Canterbury den Termin nach Hinzuziehung weiterer Quellen auf den 23. Oktober 4004, 6 Uhr morgens, korrigierte: Theologen wie Naturwissenschaftler gingen lange von einem viel zu jungen Weltalter aus.
Mit der Entwicklung der exakten Wissenschaften im 18. und 19. Jahrhundert musste der Weltengeburtstag immer weiter rückdatiert werden, bis sich die Experten auf einen Termin vor etwa 15 Milliarden Jahren einigten – genauere Uhrzeit unbekannt.
Auch über die Art der Entstehung des Universums herrscht heute weitgehende Einigkeit. Zeit, Raum und die gesamte ihn erfüllende Materie entstand in einer gigantischen Explosion, dem Urknall. Was heute im Physik-Unterricht gelehrt wird, wäre noch vor 80 Jahren als aberwitzige, blasphemische Idee abgetan worden. Das Universum, so glaubten damals auch aufgeklärte Wissenschaftler, hat schon immer existiert und würde auch bis in alle denkbaren Zeiten existieren.
Ende der 1920er Jahre aber machte der amerikanische Astronom Edwin Hubble eine Entdeckung, die im wahrsten Sinne neues Licht auf die Entstehung der Welt warf. Schon früher hatten Astronomen festgestellt, dass sich die meisten Galaxien in unserem Universum von uns wegbewegen. Sie schlossen dies aus der „Rotverschiebung“ ihres Lichts. So wie der Pfeifton einer Lokomotive tiefer klingt, wenn sie sich von uns wegbewegt („Doppler-Effekt“), verschiebt sich das Licht eines Sterns in Richtung rot (= langwellig), wenn er sich von uns entfernt. Hubble nun stellte fest, dass sich die Galaxien umso schneller von uns entfernen, je weiter sie entfernt sind: Wenn Galaxie A doppelt so weit von uns entfernt ist wie Galaxie B, dann entfernt sich Galaxie B doppelt so schnell von uns wie Galaxie A.
Stellt man sich das Weltall wie einen aufgehenden Hefeteig mit Rosinen als „Sterne“ vor, wird diese Beobachtung, die als „Hubble-Effekt“ in die Astronomie einging, verständlich: Ein auf irgendeiner Rosine stehender Beobachter hätte den Eindruck, dass sich beim Aufgehen des Teiges alle anderen Rosinen von ihm entfernen, und zwar umso schneller, je weiter sie von der eigenen Rosine entfernt wären. Auf welcher Rosine sich der Beobachter befindet, wäre unerheblich – der Effekt wäre im ganzen Teig der gleiche. Hubbles Beobachtung hatte eine recht bizarr anmutende Konsequenz: Wenn sich das Weltall ausdehnt, muss es irgendwann mal eine Zeitpunkt gegeben haben, an dem seine gesamte Materie in einem Punkt konzentriert war, und der musste dann förmlich „explodiert“ sein.
Der russisch-amerikanische Physiker George Gamov war 1948 der erste, der die Konsequenzen der Beobachtungen Hubbles auf den Punkt brachte. Indem er Hubbles Daten zurückrechnete, kam man er auf einen Zeitpunkt vor etwa 15 Milliarden Jahren, an dem es eine solche „Explosion“ gegeben haben musste,. Seine Theorie schien den Kollegen zunächst allerdings derart phantastisch, dass Widerspruch nicht ausblieb.
Der britische Astrophysiker Fred Hoyle setzte Gamovs Theorie ein konkurrierendes Gedankengebäude entgegen, das ebenfalls alle Phänomene erklären konnte und ohne „Knalleffekt“ auskam. Nach seiner Steady-State Hypothese dehnte sich das All zwar tatsächlich aus, Materie aber wird ständig spontan nachgebildet. Dies geschehe so langsam, dass es nicht bobachtbar sei. Bis zu seinem Tod im August 2001 blieb Fred Hoyle der wohl überzeugteste (und am Ende sehr einsame) Gegner der Urknalltheorie – und ironischerweise ihr Namensgeber. Hoyle nämlich war es, der als Verballhornung von Gamovs Theorie in einem BBC-Interview den Begriff „Big Bang“ prägte.
Da zunächst keine der beiden Theorien durch empirische Daten gestützt werden konnte, blieb die Physiker Gemeinde unentschieden, welcher Theorie man zustimmen solle. Vielen war Gamovs Hypothese schon deswegen nicht geheuer, weil der in Odessa geborene und in Washington D.C. lehrende Physiker als, vorsichtig gesagt, schillernde Figur in der Physikerszene und Liebhaber von Skurillitäten galt. So führte er als Autoren einer Veröffentlichung sich, Ralph Alpher den daran völlig unbeteiligten Ralph Bethe als Autor an, damit sich die Autorenliste wie Alpha, Beta, Gamma las. In einer anderen Arbeit nannte er einen gewissen C.G.H. Tompkins als Co-Autor – den fiktiven Held eines erfolgreichen Romans.
Nach und nach allerdings stimmten immer mehr Kosmologen der ohne mystische Neuschöpfung von Materie auskommenden Theorie Gamovs zu. Sie besaß im Gegensatz zur Steady-State Theorie den Charme, dass es zumindest theoretisch empirische Belege für sie geben könnte. Gamov hatte postuliert, dass der Urknall von einer intensiven Strahlung von etwa 10 Milliarden Kelvin begleitet gewesen sein müsse. Im Laufe der Jahrmilliarden, so postulierte Gamov, dürfte diese sich zwar enorm abgekühlt haben; sie müsste aber immer noch als gleichmäßige Hintergrundstrahlung von etwa 5 Kelvin nachweisbar sein, die aus allen Richtungen gleichmäßig auf die Erde eintrifft.
Dazu muss man wissen, dass für Physiker „Temperatur“ und „Strahlung“ äquivalent sind. Schon im 19. Jahrhundert hatten sie diese Zusammenhänge an einem alltäglichen Strahlungsobjekt in der Küche beobachtet. Ein Herd glüht bei ein paar Hundert Grad Hitze rot, bei ein paar Tausend Grad weiß. Das menschliche Auge nimmt nur einen bestimmten Ausschnitt aus dem elektromagnetischen Spektrum war, daher sieht man einem Ofen mit, sagen wir, 20 Grad Celsius seine Temperatur nicht an. Dennoch strahlt er auch jetzt - im Infrarot-Bereich. Mit geeigneten Sensoren ließe sich das auch messen. Auch bei noch tieferen Temperaturen, weit unter Null Grad Celsius, sendet ein Ofen Strahlung aus.
Auch wenn bisher wohl kaum jemand die Strahlung eines tiefgekühlten Küchenherdes gemessen hat, wäre dies theoretisch möglich: sie läge im Bereich von Radiowellen, dem extrem langwelligen Anteil des elektromagnetischen Spektrums. Jeder Körper, dessen Temperatur oberhalb des absoluten Nullpunkts von Minus 273 Grad Celsius (oder 0 Kelvin) liegt, emittiert Strahlung. Und natürlich lässt sich nicht nur Temperatur in Form von Strahlung messen und ausdrücken, sondern auch umgekehrt Strahlung in seiner äquivalenten Temperatur.
Eben dies tun Physiker, wenn sie von „Strahlung im Bereich 5 Kelvin“ sprechen. Ende der 40er Jahre allerdings war es praktisch unmöglich, Strahlung mit einem derart niedrigen Temperaturäquivalent zu messen, ein Beleg für die Urknalltheorie war also zwar theoretisch, nicht aber praktisch möglich.
Ob Urknall, Steady State oder Hintergrundstrahlung – kosmologische Grundsatzfragen waren Anfang der 60er Jahre sicher nicht das bevorzugte Kantinengesprächen bei den Bell Laboratories im amerikanischen Holmdel in der Nähe von New York. Echo und Telstar hielten die Ingenieure in Atem – die ersten Kommunikationssatelliten, die mit ihren ausschließlich zu Testzwecken ausgestrahlten Piepssignalen das Zeitalter der weltumspannenden Satellitenkommunikation einleiten sollten. Die seinerzeit führende Telefonfirma der Welt scheute weder Kosten noch Mühen, um auch bei der sich abzeichnenden neuen Übermittlungstechnik vorn dabei zu sein.
Der Satellit Echo war nichts anderes als ein mit Aluminium verkleideter Polyesterballon, der in seiner Umlaufbahn auf 30 Meter Durchmesser aufgeblasen wurde und als passiver Radiowellen-Reflektor diente. Um seine erwartungsgemäß extrem schwachen Reflexionen auffangen zu können, bastelten die Bell-Techniker den weltweit empfindlichsten Radioempfänger. Die in Crawford Hill bei Holmdel gebaute Anlage hatte ein extrem niedriges, bisher nie erreichtes Grundrauschen, und auf ausgeklügelte Weise wurde die Antenne gegen eventuelle Störsignale von der Erde abgeschirmt.
Nachdem die Experimente mit Echo und mit dem ersten aktiven Kommunikationssatelliten Telstar erfolgreich abgeschlossen waren, drohte der Superantenne plötzliche Arbeitslosigkeit. Bei den Bell Labs erinnerte man sich einer alten Tradition, nicht nur technische Entwicklungen voranzutreiben, sondern auch Grundlagenforschung zu betreiben. Schon häufig hatten sich interessante Querverbindungen ergeben. Die Antenne von Crawford Hill gab ein hervorragendes Instrument für die Radioastronomie ab, und aus Astrophysiker-Kreisen waren bereits Begehrlichkeiten auf das schmucke Instrument zu vernehmen.
Und gerade zur Radioastronomie hatten die Bell Labs ein ohnehin sehr nahes Verhältnis. Über die Tatsache nämlich, dass Sterne Radiowellen aussenden und damit weit mehr von sich verraten als im sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums, war ebenfalls ein Bell-Techniker gestolpert – ebenfalls zufällig. Die Bell Ingenieure wollten ihr Ende der 20er Jahre aufgebautes transozeanisches Funk-Telefonsystem verbessern. Der junge Elektrotechniker Karl Jansky sollte dem Rauschen auf die Spur kommen, das die Radioübertragung vor allem bei längeren Strecken extrem störte. Jansky machte die verschiedensten atmosphärischen Bedingungen, vor allem Gewitter, als Haupt-Störquellen aus, daneben aber auch „eine gleichbleibende zischende Störung, deren Ursprung unbekannt ist“, wie er in seinem Bericht schrieb.
Seine Neugier ließ ihm allerdings keine Ruhe. Nachdem er alle erdenklichen irdischen Quellen ausschließen konnte, deutete alles daraufhin, dass das Rauschen aus dem Weltall kam. Zunächst glaubte Jansky, die Sonne als Quelle ausmachen zu können. Nach einiger Zeit aber stellte er fest, dass sich die eigentümliche Störungsquelle Tag für Tag ein Stückchen weiter von der Sonne entfernte und im Laufe des Jahres über den Himmel wanderte. Nachdem er die Sache mit einem befreundeten Astronomen diskutiert hatte, war er sich sicher, dass die Störung nicht aus unserem Sonnensystem, sondern direkt aus dem Zentrum unserer Galaxis, der Milchstraße, kommen musste. Jansky schrieb darüber einen kleinen Fachartikel und brachte es mit seinem „Sternenrauschen“, wie er es nannte, sogar auf die Titelseite der New York Times. Die Astronomen allerdings erkannten die Chancen, die ihnen dieses neue Fenster ins Universum bieten könnte, noch nicht; und da Jansky von seinem Arbeitgeber nicht zum Sternengucken angestellt war, wandte er sich wieder seiner Radioübertragungstechnik zu.
Doch zurück nach Crawford Hill Anfang der 60er Jahre. Seinerzeit hatte sich die Idee der Radioastronomie längst etabliert, und die Bell-Verantwortlichen sahen darin ein sinnvolles Forschungsgebiet als Ergänzung ihrer anwendungsorientierten Aktivitäten. 1961 heuerten sie den deutschstämmigen Physiker Arno Penzias an, der an der Columbia University als Doktorarbeit einen Verstärker für die Radioastronomie gebaut hatte. Zwei Jahre später gaben sie dem jungen Astrophysiker Robert Wilson vom California Institute of Technology einen Vertrag. Mit der ausgedienten Antenne in Crawford Hill sollten sie schwache Radioquellen in unserer eigenen Galaxis näher untersuchen.
Als ehrgeizige junge Wissenschaftler – beide waren noch keine 30 Jahre alt – wollten sie die Antenne dafür noch weiter verbessern, ihr Grundrauschen so weit wie möglich eliminieren. Da sie eine Weile nicht benutzt worden war, standen zunächst umfangreiche Aufräumarbeiten an; sämtliche Verkabelungen der Anlage wurden erneuert. Aber trotz aller Sorgfalt ließen sich einige Störquellen nicht beseitigen. Auch die beste Elektronik hatte ein geringes Grundrauschen, trotz aller Abschirmung wurden Störungen aus der Erdatmosphäre und den nahen Großstädten aufgefangen, und als besonders „hässliche“ Störung galten die Radarstationen der Flughäfen. Penzias und Wilson versuchten systematisch, all diese Störquellen auf ein Minimum zu reduzieren.
Radarsignale ließen sich leicht dadurch von natürlichen Quellen unterscheiden, dass sie in charakteristischen Pulsen auftreten. Dem übrigen irdischen Einfluss ging man zum einen dadurch weitgehend aus dem Weg, dass man die Kalibrierungs-Tests im Wellenlängebereich von 7 cm durchführte – die Frequenz, auf der die Echo- und Telstar-Signale lagen, die aber auf der Erde technisch nicht genutzt wird und auf der es auch kaum bekannte Radiostrahler im All gibt. Die verbleibenden Störquellen aus der Atmosphäre wollte man mit einem Trick aus den Signalen quasi herausrechnen.
Die Antenne wurde zunächst auf den Horizont gerichtet, wo der Effekt derartiger Einflüsse wegen des langen Weges sehr groß ist, und anschließend direkt nach oben, wo es die kleinste Schicht Atmosphäre bis zum Weltall gibt. Aus dem Vergleich ergab sich, dass die Atmosphäre etwa 2,3 K zum Grundrauschen beitrug. Blieb noch das Rauschen des Empfängers an sich. Wilson und Penzias bastelten sich dafür eine Antennen-Attrappe, mit den gleichen Bauteilen wie das Original, und kühlten sie mit flüssigem Helium auf 5 K herunter. Was an dieser Attrappe noch rauschte, wurde ebenfalls von der empfangenen Strahlung abgezogen. Alles in allem rechneten die Forscher vor ihren ersten Versuchen damit, dass sich etwa 3,5 K als Grundrauschen nicht vermeiden lassen würden.
Wie die ersten Messungen ergaben, lagen die tatsächlichen Werte viel höher – bei etwa 7,5 K. Eine Erklärung dafür ließ sich beim besten Willen nicht finden. Die Suche nach Störquellen ging weiter. Penzias und Wilson entdeckten, dass sich ein Taubenpaar in der Antenne eingenistet hatte und sie mit „einer weißen, dielektrischen Substanz“, wie es in einem Bericht euphemistisch heißt, verschmutzt hatte. Die Tauben wurden ein paar Kilometer weiter verfrachtet, ihre Überbleibsel entfernt. Leider kamen sie mehrfach zu ihrem vermeintlichen Nest zurück, worauf hin sie „dauerhaft entfernt“ wurden.
Trotz penibler Reinigung der Anlage änderte das nichts am Grundrauschen. Jede Lötstelle, jede Verbindung wurde sorgfältig mit Aluminiumfolie und Isolierband abgeschirmt – ohne Erfolg. „Eines Tages unterhielt sich Arno mit Bernard Burke vom MIT über unser unerklärliches Rauschen“, erinnert sich Robert Wilson in seiner Nobelpreis-Rede. Burke fiel daraufhin ein Vortrag an der Johns Hopkins Universität in Baltimore ein, über den er einen Kollegen hatte berichten hören. Der „Flurfunk“, so zeigt sich daran, ist auch unter Wissenschaftlern manchmal das schnellste Medium – filtert er doch das „Rauschen“ der Flut von Veröffentlichungen aus, da nur die wirklich wichtigen Dinge schnell von Mund zu Mund wandern.
In diesem Vortrag jedenfalls hatte Jim Peeble von der Universität Princeton die astrophysikalischen Forschungen seines Instituts vorgestellt. Nur wenige Meilen entfernt von den Bell Labs in Holmdel, New Jersey, beschäftigten sich die beiden Astrophysiker Robert Dicke und Jim Peebles mit Konsequenzen aus der Urknalltheorie. Dicke verfolgte seine Theorie eines oszillierenden Universums, das eine unendliche Folge von Ausdehnung und Zusammenziehen durchlief. Peebles hatte detaillierte Berechnungen angestellt, zu welchen Temperaturen es „jeweils“ beim Urknall kommen musste, um die während der Jahrmilliarden langen Expansion des Universums entstandenen schweren Elemente zu zerstören, damit ein „frischer“, neuer Zyklus beginnen konnte.
Weder Peeble noch Dicke kannten die groben Schätzungen, die Gamov und seine Kollegen 20 Jahre vorher angestellt hatten, landeten aber bei ganz ähnlichen Ergebnissen. Vom Urknall müsste noch ein „Nachhall“ von höchstens 10 Kelvin übrig sein, der aus allen Richtungen zu empfangen sein müsste. Die Forscher aus Princeton hatten auch schon eine Antenne aufs Dach ihres Instituts geschraubt, mit der sie nach dieser Hintergrundstrahlung suchen wollten – bisher allerdings ohne Erfolg. Wilson rief sofort in Princeton an und lud die Kollegen nach Holmdel ein. Und es dauerte nicht lange, da wurde allen Beteiligten die Tragweite des unerklärlichen Rauschens der Anlage in Crawford Hill bewusst.
„Wir waren schon mal froh, dass wir endlich überhaupt eine Erklärung für das Rauschen hatten, und dann auch noch eine mit derartigen Implikationen für die Kosmologie“, erinnert sich Wilson. Die Wissenschaftler hatten dem Nachhall des Urknalls gelauscht – einer Radiosendung, die vor 15 Milliarden Jahren ausgestrahlt worden war.
Die Forscher kamen überein, gleichzeitig zwei Artikel an das Astrophysical Journal zu schicken. In einem legten Dicke und seine Gruppe aus Princeton die Theorie der Hintergrundstrahlung als Überbleibsel des Big Bang dar, in dem anderen (mit dem unhandlichen Titel „ A Measurement of Excess Temperature at 4,080 Megacycles per second“) beschrieben Wilson und Penzias ihre Messungen und schlugen als mögliche Erklärung die Rechnungen vor, die Dicke und seine Mitarbeiter geliefert hatten.
Schon den Gutachtern der Zeitschrift war sofort klar, dass hier eine der wichtigsten Entdeckungen der Astronomie zur Publikation anstand. Wilson und Penzias hatten erdrückende empirische Indizien geliefert, dass es den Urknall gegeben hat. Wenig später bestätigten Messungen in Princeton und an anderen Stellen, dass es tatsächlich eine völlig gleichförmige Hintergrundstrahlung von 3 K gibt, die von der Geburt der Welt zeugt.
George Garmov erlebte diesen Beweis seiner Theorie aus den 40er Jahren noch. Den Nobelpreis allerdings erhielten Arno Penzias und Robert Wilson erst im Jahre 1978 – fünf Jahre nach dem Tod ihres Vordenkers. Beide blieben weiterhin bei den Bell Laboratories, betrieben allerdings nur noch etwa zur Hälfte Ihrer Zeit Radioastronomie; in der anderen Hälfte setzte sie ihre Firma dann doch endlich für „Brauchbareres“ ein...
 Martin Schneider
Wissenschaftsjournalist. Nachdem er viele Jahre als freier TV-Journalist Labors und Institute rund um den Globus besucht hatte, übernahm er 1999 die Leitung der Wissenschafts-Redaktion des SWR in Baden-Baden.
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