40° 23′ 26.61″ N, 74° 11′ 5.57″ W
Folgt man der privaten Straße, die zum Gipfel des Crawford Hill in Holmdel, New Jersey, führt, stößt man auf eine 15 Meter hohe hornförmige Antenne. Diese Antenne wurde für die Bell Labs gebaut und sollte schwache Signale früher NASA-Kommunikationssatelliten auffangen. Sie hat ihre Aufgabe erfüllt und noch viel mehr: Die Antenne konnte Signale auffangen, die den Urknall bestätigten.
Die Hornantenne (Abbildung 104.1) wurde 1959 als Teil von Project Echo der NASA gebaut. Allerdings wurden für die Kommunikation keine Satelliten verwendet, wie das heute der Fall wäre. Stattdessen beförderte man beim Project Echo kugelförmige Ballons mit einem Umfang von 30 bis 40 Meter in den Orbit, die Mikrowellensignale reflektierten. Im Jahr 1960 wurde dann der Satellit Echo 1A erfolgreich gestartet und in einer niedrigen Erdumlaufbahn platziert. Echo 1A wog 76 Kilogramm, wies eine Schicht aus Mylar-Polyester auf und zeigte, dass die Satellitenkommunikation funktioniert: Fernseh- und Radiosignale wurden übertragen, von ihm reflektiert und auf der Erde empfangen.
Am 12. August 1960 empfing die Horn Antenna in Holmdel eine Nachricht, die in Kalifornien gesendet und von Echo 1A zurückgeworfen wurde: »This is President Eisenhower speaking. This is one more significant step in the United States’ program of space research and exploration being carried forward for peaceful purposes. The satellite balloon, which has reflected these words, may be used freely by any nation for similar experiments in its own interest.«
1964 arbeiteten zwei Wissenschaftler an der Kalibrierung der Horn Antenna, um Interferenzen zu vermeiden, konnten dabei aber eine Quelle zufälligen Rauschens nicht identifizieren. Die Antenne war so konzipiert, dass sie das Umgebungsrauschen eliminierte. Sie wurde nahe an den absoluten Nullpunkt heruntergekühlt, um das Rauschen zu unterdrücken, das möglicherweise durch die Wärme der Empfänger verursacht wurde. Die Wissenschaftler vertrieben Tauben, deren Exkremente das Innere der Antenne verunreinigen konnten. Es wurden sogar hervorstehende Nieten mit Metallband abgedeckt, um für absolute Ruhe zu sorgen.
Doch das Mikrowellenrauschen blieb. Die Wissenschaftler Arno Penzias und Robert Wilson erkannten, dass dieses Rauschen Tag und Nacht vorhanden war. Sie schwenkten die Antenne (die so konzipiert war, dass man sie auf jeden Teil des Himmels richten konnte) und fanden sie heraus, dass das Rauschen überall vorhanden war, wie auch immer man diese ausrichtete.
Tatsächlich hatten Sie eine Spur des Urknalls entdeckt: kosmische Hintergrundstrahlung im Mikrowellenbereich. Das Rauschen wurde von Mikrowellen mit einer Länge von 7,35 Zentimetern, genau der Wellenlänge, für die die Empfänger der Antenne ausgelegt waren, verursacht. Diese Strahlung wurde seit den 1940ern vermutet. Mit dieser Entdeckung wurde die Urknall-Theorie unterstützt und erhielt den Vorzug gegenüber anderen Erklärungen zum Ursprung des Universums. Penzias und Wilson gewannen den Nobelpreis.
Heute ist die Antenne ein nationales Denkmal und von der Straße aus leicht zu sehen. Sie befindet sich auf einem drehbaren Boden und ist direkt mit einer kleinen Hütte verbunden, in der die Empfangsgerätschaften untergebracht waren. Die gesamte Antenne kann (anders als die Hütte) um ihre eigene Achse gedreht werden, um verschiedene Teile des Himmels anzupeilen. Sie wird heute nicht mehr verwendet.
Am Eingang des alten Bell Lab-Werks in Holmdel an der 101 Crawfords Corner Road befindet sich ein Wasserturm, der als größter Transistor der Welt bezeichnet wird (Bell Labs war der Geburtsort des ersten Transistors, wobei dieser nicht wie der Wasserturm aussah). Folgt man der Crawfords Corner Road in nordwestliche Richtung, gelangt man an eine Kreuzung. Biegen Sie hier rechts ab und folgen Sie der der Holmdel Road. Die Antenne liegt an einer Privatstraße, die von der Holmdel Road rechts abzweigt, wenn Sie den Longview Drive passiert haben.
Kosmische Hintergrundstrahlung
Die Urknalltheorie geht davon aus, dass sich das Universum, in dem wir Leben, vor 13 Milliarden Jahren aus einem Urzustand entwickelte. Über diesen Urzustand ist nur wenig bekannt, doch man vermutet eine starke Komprimierung und eine große Hitze. Beim Urknall kam es dann zu einer plötzlichen Ausdehnung und Abkühlung, die sich gleichmäßig auf den Weltraum erstreckte. Innerhalb von Sekundenbruchteilen füllte sich der Weltraum mit einem Plasma aus Quarks und Gluonen.
Innerhalb einer weiteren Sekunde entwickelten sich aus dem Plasma Protonen und Neutronen, und in den darauffolgenden drei Minuten entstanden dann Elektronen. Anschließend bildeten sich einfache Kerne (wie Wasserstoff und Helium). Während einer Zeitspanne von 380000 Jahren war das Universum angefüllt mit einfachen Kernen und Photonen. Und eben diese Photonen sind die Ursache für die kosmische Hintergrundstrahlung.
Anfänglich prallten diese Photonen in Form von Gammastrahlen von den Kernen ab. Nach 240000 Jahren der Ausdehnung bildeten die Wasserstoff- und Heliumkerne Atome, und die Photonen, deren Wellenlänge sich erhöht hatte, während sich das Universum ausdehnte und abkühlte, konnten nun frei durch das Universum reisen. Diese Reise hält bis zum heutigen Tag an und kann in Form der entsprechenden Mikrowellen aus jeder Richtung mit einem Mikrowellenempfänger aufgefangen werden.
Als die Photonen begannen, sich frei im Universum zu bewegen, lag die Temperatur des Universums bei etwa 3000 Kelvin. Das Universum kühlte weiter ab. Heute weisen die Photonen eine Temperatur von weniger als 3 Kelvin auf. Das Rauschen, das Penzias und Wilson erfolglos zu eliminieren versuchten, entsprach einer Temperatur von 3 Kelvin.
Seit 1964 wurden weitere Experimente durchgeführt, um das Vorhandensein kosmischer Hintergrundstrahlung zu verifizieren. Sie haben deren Existenz bestätigt und auch gezeigt, dass die Strahlung nicht ganz gleichförmig ist. Die kosmische Hintergrundstrahlung ist anisotrop – sie variiert, je nachdem von wo sie geortet wird. Aus dieser Ungleichförmigkeit können Wissenschaftler Eigenschaften des frühen Universums und dessen Alter bestimmen.
Mittels eines 2001 gestarteten Satelliten namens Wilkinson Microwave Anisotropy Probe wurde die kosmische Hintergrundstrahlung untersucht und man erhielt detaillierte Informationen über deren Intensität und Ungleichförmigkeit (siehe Abbildung 104.2).
