Abgesehen von den oben diskutierten kleinen Schwankungen (ein Teil von 100.000) weist die beobachtete kosmische Mikrowellenhintergrundstrahlung einen hohen Grad an Isotropie auf , eine Tatsache nullter Ordnung, die sowohl Zufriedenheit als auch Schwierigkeit für eine umfassende Theorie darstellt. Einerseits liefert es eine starke Rechtfertigung für die Annahme von Homogenität und Isotropie, die den meisten kosmologischen Modellen gemeinsam ist. Andererseits ist eine solche Homogenität und Isotropie aufgrund des „Lichthorizont“ -Problems schwer zu erklären. Im Kontext des kosmischen Mikrowellenhintergrunds kann das Problem wie folgt ausgedrückt werden. Betrachten Sie die Hintergrundstrahlung, die von einem beliebigen zu einem Beobachter kommt Zwei gegenüberliegende Seiten des Himmels. Was auch immer die ultimativen Quellen (heißes Plasma) dieser Strahlung sind, die Photonen, die sich seit ihrer Emission durch das Plasma mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegen, hatten jetzt nur noch Zeit, die Erde zu erreichen Eine Seite des Himmels hätte keine Zeit gehabt, um mit der Materie auf der anderen Seite „zu kommunizieren“ (sie befinden sich jenseits des Lichthorizonts der anderen). Wie ist es also möglich (in Bezug auf einen Beobachter im rechten Ruhebereich), dass Sie „wissen“, dass sie die gleiche Temperatur mit einer Genauigkeit haben, die sich einem Teil von 100.000 nähert. Was erklärt den hohen Grad an Winkelisotropie des kosmischen Mikrowellenhintergrunds?

Ein Mechanismus namens „Inflation“ bietet einen attraktiven Weg aus diesem Dilemma heraus . Die Grundidee ist, dass Materie bei hohen Energien besser durch Felder als durch klassische Mittel beschrieben wird. Der Beitrag eines Feldes zur Energiedichte (und damit zur Massendichte) und zum Druck des Vakuumzustands muss in der Vergangenheit nicht Null gewesen sein, auch wenn es heute ist. Während der Zeit der Superunifikation (Planck-Ära, 10–43 Sekunden) oder der großen Vereinigung (GUT-Ära, 10–35 Sekunden) kann der Zustand mit der niedrigsten Energie für dieses Feld einem „falschen Vakuum“ mit einer Kombination von Masse entsprochen haben Dichte und Unterdruck, die gravitativ zu einer großen Abstoßungskraft führen. Im Kontext von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie kann das falsche Vakuum alternativ als Beitrag einer kosmologischen Konstante angesehen werden, die etwa 10100-mal größer ist als heute. Die entsprechende Abstoßungskraft Kraft bewirkt, dass sich das Universum exponentiell aufbläst und seine Größe ungefähr alle 10–43 oder 10–35 Sekunden verdoppelt. Nach mindestens 85 Verdopplungen wäre die Temperatur, die bei 1032 oder 1028 K begann, auf sehr niedrige Werte nahe dem Absoluten gefallen Null.

Inflation bietet einen Mechanismus zum Verständnis der Gesamtisotropie des kosmischen Mikrowellenhintergrunds, da Materie und Strahlung des gesamten beobachtbaren Universums in gutem thermischen Kontakt standen (w innerhalb des kosmischen Ereignishorizonts) vor dem Aufblasen und erhielt daher die gleichen thermodynamischen Eigenschaften. Die schnelle Inflation führte zu unterschiedlichen Anteilen außerhalb ihres individuellen Ereignishorizonts. Als die Inflation endete und sich das Universum wieder erwärmte und die normale Expansion wieder aufnahm, tauchten diese verschiedenen Teile im Laufe der Zeit wieder am Horizont auf. Durch die beobachtete Isotropie des kosmischen Mikrowellenhintergrunds wird davon ausgegangen, dass sie immer noch die gleichen Temperaturen haben.

Angesichts der gemessenen Strahlungstemperatur von 2,735 K kann gezeigt werden, dass die Energiedichte des kosmischen Mikrowellenhintergrunds etwa 1000-mal kleiner ist als die durchschnittliche Restenergiedichte gewöhnlicher Materie im Universum. Somit ist das aktuelle Universum von Materie dominiert. Wenn man in der Zeit zurückgeht, um z zu verschieben, waren die durchschnittlichen Zahlendichten von Teilchen und Photonen beide um den gleichen Faktor (1 + z) 3 größer, weil das Universum durch diesen Faktor stärker komprimiert wurde und das Verhältnis dieser beiden Zahlen hätte behielt seinen aktuellen Wert von ungefähr einem Wasserstoffkern oder Proton pro 109 Photonen bei. Die Wellenlänge jedes Photons war jedoch in der Vergangenheit um den Faktor 1 + z kürzer als heute; Daher steigt die Energiedichte der Strahlung um einen Faktor von 1 + z schneller an als die Restenergiedichte der Materie. Somit wird die Strahlungsenergiedichte mit der Energiedichte gewöhnlicher Materie bei einer Rotverschiebung von etwa 1000 vergleichbar. Bei Rotverschiebungen von mehr als 10.000 hätte die Strahlung sogar die dunkle Materie des Universums dominiert. Zwischen diesen beiden Werten hätte sich bei einer Rotverschiebung von etwa 1.090 Strahlung von der Materie entkoppelt, wenn Wasserstoff rekombiniert hätte.Es ist nicht möglich, Photonen zu verwenden, um größere Rotverschiebungen zu beobachten, da das kosmische Plasma bei Temperaturen über 4.000 K vor der Rekombination im Wesentlichen undurchsichtig ist. Diese Photonen aus einer Rotverschiebung von 1.090 bilden den kosmischen Mikrowellenhintergrund.

Frank H. Shu