Das Universum


 

 

Der Aufbau des Universums: Bei der Besprechung des Aufbaus der Milchstraße haben wir schon darüber gesprochen, dass immer stärkere Teleskope nicht immer mehr Sterne zeigen, das ist auch richtig, allerdings kommen dafür vermehrt andere Objekte in das Blickfeld. Viele von Ihnen sehen aus wie kleine Nebelflecken, teilweise mit spiralförmiger Struktur. Das brachte ihnen den Namen "Spiralnebel" ein. Man hielt diese Objekte zunächst für Nebel innerhalb unseres Milchstraßensystems. Bereits 1908 waren 13 000 dieser Objekte bekannt, und mit M- oder NGC- Nummern katalogisiert, man unterschied dabei nach dem Aussehen Spiralnebel, elliptische Nebel und irreguläre Nebel.

Bald vertraten erste Astronomen nun die Ansicht, dass diese "Nebel" überhaupt keine Nebel sind, sondern Galaxien wie unsere Milchstraße. Gefördert wurde diese Vorstellung sicher durch das Aussehen einiger weniger "Nebel", die im Teleskop relativ groß erscheinen, und eindeutig die Struktur einer flachen Scheibe mit Spiralarmen und hellem Zentrum zeigen, also genau das Aussehen, das man auch unserer Milchstraße zuschreibt. Gegen diese Vermutung gab es erbitterten Widerstand, müssten doch diese Galaxien -etwa gleiche Größe wie die Milchstraße vorausgesetzt- unglaublich weit entfernt sein! Die Anhänger der Galaxientheorie versuchten zum Beweis ihrer Ansicht Einzelsterne in den "Nebeln" nachzuweisen, was wegen der riesigen Entfernung nur mit ganz großen Teleskopen möglich ist. Trotz dieser Schwierigkeiten gelang der Nachweis 1925, und beendet einen hundertjährigen Streit der Astronomen, und entlarvte die Galaxien als eigentliche Bausteine des Universums. Die Entfernung von Einzelsternen in den großen, naheliegenden Galaxien konnte bestimmt werden, und ergab für die nächstliegende größere Galaxie (Andromedanebel M31) den ungeheuren Wert von 2,2 Millionen Lichtjahren! Wir sehen M31 im Fernrohr also so, wie er vor 2,2 Millionen Jahren ausgesehen hat!

Heute ist es mit modernen Teleskopen eindrucksvoll gelungen, die enorme Zahl von Galaxien zu dokumentieren. Das unten eingefügte Bild zeigt einen winzig kleinen Himmelsausschnitt, der Ausschnitt ist so klein, dass darin auch ein leistungsfähiges Teleskop praktisch keinen Stern mehr zeigt, aber man zählt bei genauer Auswertung tausende von winzigen Punkten, jeder Punkt eine entfernte Galaxie mit je 100 Milliarden Sternen, siehe Bild unten rechts!

 

Links: So könnte man sich die Verteilung der Materie im Universum vorstellen, je stärker rot gefärbt, desto mehr Galaxien. (Bilder: NASA).

 

Rechts: Langbelichtete Bilder des Hubble-Teleskop zeigen  in einem winzigen Ausschnitt des Himmels hunderte von kleinen Pünktchen, alles Galaxien, jede davon im Mittel mit 100 Milliarden Sternen! Klicken auf das Bild zeigt einen größeren Ausschnitt (NASA)!

Die Zahl und Anordnung der Galaxien im Universum beträgt etwa 100 Milliarden, bei Durchmessern von 3000 bis über 100 000 Lj (die Milchstraße ist also mit 100 000 Lj eine große Galaxie). Typische Galaxien enthalten bis zu 100 Milliarden Sterne, Ihre Masse schwankt zwischen einer Million und 1000 Milliarden Sonnenmassen ohne die eventuell vorhandene geheimnisvolle "Dunkelmaterie" gerechnet (Milchstraße 140 Milliarden Sonnenmassen). Galaxien neigen zur "Haufenbildung", benachbarte Galaxien stehen in Gruppen oder Galaxiehaufen. Die Galaxienhaufen sind noch einmal zu Superhaufen zusammengefasst, die mit Durchmessern von ca. 100 Millionen Lichtjahren eine "blasenartige" Struktur im Universum bilden. Das kann man sich so vorstellen, wie den Schaum in der Badewanne: Das Innere der Blasen sind riesige Leerräume (Voids), und auf den Oberflächen der Blasen sitzen die oft noch "fadenförmig" aneinander gereihten Galaxienhaufen (siehe Bild oben links). Trotz dieser Strukturen geht man üblicherweise davon aus, dass die Verteilung der Materie im Universum im Mittel recht gleichmäßig ist.  Zu unserer lokalen Gruppe (Bild dort anklicken) gehören zwei kleine Begleiter der Milchstraße (Magellansche Wolken), sowie der Andromedanebel mit ebenfalls zwei kleinen Begleitern, und 12 weitere, kleine Galaxien. Die Galaxien einer Gruppe führen aufgrund der gegenseitigen Gravitationskräfte Pendelbewegungen innerhalb der Gruppe aus, und können dabei zusammenstoßen.  Wenn auch die Wahrscheinlichkeit für "Treffer" bei Sternen dabei sehr gering ist, werden durch die Reibung der interstellaren Materie enorme Energien frei, nach dem Durchdringen kann die interstellare Materie einer Galaxie völlig "ausgeputzt" sein.

 

  Der Aufbau des Universums (Zusammenfassung):

 

Bausteine des Universums:

Galaxien ( Spiralförmige, elliptische, irreguläre Struktur).

Nächste größere Galaxie:

M31 (Andromedanebel), Entfernung 2,2 × 106 Lj, Durchmesser 12 ×104 Lj

Zahl der Galaxien:

ca. 1011

Galaxiendurchmesser:

3000 Lj. – 100000 Lj. ( siehe Milchstraße)

Masse der Galaxien:

106 ¤   - 1012 ¤

Anordnung im Universum:

In Haufen bis zu einigen Tausend. M31 und das Milchstraßensystem haben je zwei kleine Begleiter (Milchstraßensystem: Magellansche Wolken) und bilden zusammen mit zwölf teils noch kleineren Galaxien die „lokale Gruppe“. Galaxiengruppen bilden als größere Einheit Haufen, bei denen die einzelnen Gruppen wie auf der Oberfläche einer riesigen "Blase" angeordnet sind.

Größe des Universums:

Das beobachtbare Universum ist endlich. Sein Radius beträgt eventuell 1,4 × 1010 Lj.

Größenvergleich:

Den 1011 Galaxien im Universum entsprächen 1011 hundertstelmillimetergroße Stäubchen im Klassenzimmer.

Zeitreise und Alter:

Wegen der ungeheuren Entfernungen der Galaxien (schon unser Nachbar M31 ist 2,2 Millionen Lj entfernt), braucht das Licht unendlich lange, um uns zu erreichen. Wir sehen daher extrem weit entfernte Galaxien so, wie sie im Geburtsstadium des Universums vor milliarden von Jahren ausgesehen haben, näherliegende Galaxien zeigen das Universum immer "aktueller", je dichter sie bei der Milchstraße stehen. Diese "Zeitreise" wird von den Astrophysikern gezielt ausgenutzt, um Erkenntnisse über die Entwicklung des Universums zu gewinnen. Das Alter des Universums beträgt etwa 14 Milliarden Jahre.

 

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Größe und Alter des Universums


 

Achtung! Dieses ist eine sehr einfache Darstellung des Universums, in Wirklichkeit liegen die Dinge deutlich komplizierter, und sind daher leider wesentlich schwerer zu verstehen. Trotz -oder gerade wegen- der Vereinfachungen ergibt das hier dargestellte Modell aber einen guten Eindruck davon, wie man sich das Universum vorstellen könnte.

 

Bewegung der Galaxien: Betrachtet man das Licht von entfernten Galaxien, so stellt man fest, dass alle charakteristischen Linen (z.B. die Linien des Wasserstoffs) in den Spektren zu niedrigen Frequenzen (in den roten Bereich) verschoben sind, und zwar um so mehr, je weiter die Galaxien von uns entfernt sind. Ähnlich wie die Frequenz des Huptons eines Autos bei Bewegung auf uns zu höher wird, und bei Bewegung von uns weg tiefer, sinkt auch die Frequenz des Lichtes, wenn sich eine Lichtquelle von uns entfernt, und zwar um so mehr, je schneller sich die Lichtquelle entfernt (Dopplereffekt).

Deutet man nun die Verschiebung in den Lichtwellenlängen der Galaxien (Rotverschiebung) als reinen Dopplereffekt (was so, obwohl es oft in der Literatur steht, zumindest bei weit entfernten Objekten nicht ganz korrekt ist), so würde das bedeuten, dass sich (bis auf die in diesem Zusammenhang unbedeutenden Pendelbewegungen innerhalb der Galaxienhaufen) alle Galaxien von uns entfernen, und zwar um so schneller, je weiter sie von uns entfernt sind. Dabei gilt für die Entfernung r und die "Radialgeschwindigkeit" v direkte Proportionalität. Die sich daraus ergebende Formel (man beachte die astronomische Längeneinheit Parsec: 1 pc = 3,2 Lj. 1 Mpc ist also 3,2 Millionen Lichtjahre) gilt nach Einführen der Konstante H (die ihren Wert im Laufe der Entwicklung des Universums jedoch geändert hat) zum heutigen Zeitpunkt für die nähere Umgebung der Milchstrasse recht genau:

 

                             v = H × r                (Hubble-Konstante H =  70km/(s × Mpc) = 7,14 ×10 -11 a-1)   

 

 

Radius des Universums: Setzt man in obige Gleichung als maximal mögliche Geschwindigkeit die Lichtgeschwindigkeit c ein, so berechnet sich formal die maximal mögliche Entfernung r einer von uns gerade noch beobachtbaren Galaxie zu  r = v/H = 1,4 × 1010 Lj.  Radius und Durchmesser des von uns beobachtbaren Universums wären also rein formal bezogen auf die Lichtlaufzeit:

 

                             r   =   1,4 × 10 10 Lj           (Durchmesser d = 28 Milliarden Lichtjahre)

 

Achtung! Weiter entfernte Objekte in einem sehr großen Universum wären durchaus denkbar, ihr Licht könnte uns jedoch auf Grund der Expansion des Alls nicht mehr erreichen. (Dabei ist zu bedenken, dass das Verbot einer überlichtschnellen Bewegung im Raum nicht unbedingt impliziert, dass sich auch der Raum selbst nicht mit Überlichtgeschwindigkeit ausdehnen dürfte). Auf jeden Fall aber würden Galaxien jenseits der "Lichtgeschwindigkeits-Grenze" nicht mehr zu unserem beobachtbaren Universum gehören.

In der Tat liegt die Rotverschiebung bei extrem leuchtstarken Galaxien ("Quasaren"), die auch aus ungeheurer Entfernung noch schwach zu sehen sind, so hoch, dass sich Radialgeschwindigkeiten knapp unter c ergeben. Damit scheint gesichert, dass das von uns auf Grund der Lichtlaufzeit beobachtbare Universum den maximal möglichen Radius tatsächlich erreicht.  Es könnte allerdings auch sein, dass das "tatsächliche" Universum wesentlich größer ist, als dieser von uns beobachtbare Teil, ebenso wäre es möglich, dass das beobachtbare Universum doch wesentlich kleiner ist, und die entfernten Galaxien keine neuen Galaxien sind, sondern "Doppelbilder" von naheliegenden Galaxien, die wir wegen des kreisförmig gekrümmten Lichtwegs im Universum in einem vergangenen Zustand sehen könnten. 

Achtung! Erstens ist die Annahme, dass die Rotverschiebung voll durch den Dopplereffekt erklärt wird bei weit entfernten Objekten nicht korrekt, und Zweitens berechnet sich obiger Durchmesser rein formal aufgrund der Laufzeit des Lichtes vom Objekt zu uns, und ist mit dem tatsächlichen Durchmesser des Universums heute(!) nicht identisch. Das Problem liegt in etwa so: Das Licht der entferntesten heute beobachteten Galaxien hatte ein Laufzeit von 14 Milliarden Jahren (was uns zu der Aussage bringt, die Entfernung sei 14 Milliarden Lichtjahre). Tatsächlich sind diese Galaxien heute(!) ca. 46,5 Milliarden Lichtjahre von uns entfernt, und als sie das Licht aussandten, das wir heute sehen, waren sie nur 40 Millionen Lichtjahre von unserer Position entfernt!

 

Das Alter des Universums:  Unter der stark vereinfachenden Annahme gleichförmiger Expansion (H ist über lange Zeit gesehen z.B. keine Konstante) lässt sich berechnen, welche Zeit t das sichtbare Universum gebraucht hat, um seine heutige Größe zu erreichen:

 

 

 

Trotz der nicht ganz korrekten Herleitung der Formel (Probleme s. oben), liefert diese Abschätzung recht genau den heute favorisierten Wert für das Alter des ganzen Universums, denn der eventuell vorhandene, für uns auf Grund der Lichtlaufzeit nicht beobachtbare Teil, hat sich ja parallel mit dem sichtbaren Teil entwickelt. Vor ca. 14 Milliarden Jahren könnte sich also in einem "Urknall" das Universum aus einem punktförmigen "Nichts" gebildet haben (auch Raum und Zeit sind dabei entstanden). Obwohl diese völlig absurde Vorstellung gesichert scheint, sind einige Aspekte jedoch bis heute noch nicht geklärt. Um sich die in diesem Kapitel entwickelten Vorstellungen etwas besser zu veranschaulichen, hilft ein zweidimensionales Modell der Universums, das im folgenden Kapitel vorgestellt wird.

 

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Zweidimensionales Modell des Universums


 

Achtung! Dieses ist eine sehr einfache Darstellung des Universums, in Wirklichkeit liegen die Dinge deutlich komplizierter, und sind daher leider wesentlich schwerer zu verstehen. Trotz -oder gerade wegen- der Vereinfachungen ergibt das hier dargestellte Modell aber einen guten Eindruck davon, wie man sich das Universum vorstellen könnte, und hilft auch dabei, die im vorigen Kapitel besprochenen Vorgänge zu veranschaulichen!

 

Greifen wir zur Krücke: Dieses Modell ist nur als sehr grobe Veranschaulichung gedacht! Da wir uns mehr als drei Raumdimensionen nicht vorstellen können, müssen wir einen Schritt zurück gehen, und uns Wesen vorstellen, die nur zwei Raumdimensionen kennen. Diese leben dann natürlich auf einer Fläche, und wissen nicht, dass es noch eine dritte Raumdimension gibt. Das Universum der "Flächenwesen" wäre dann eine Ballonoberfläche, und die Galaxien kleine Punkte auf dem Ballon. Wird der Ballon nun aufgeblasen, so bewegt sich jede Galaxie von jeder anderen weg, und zwar um so schneller, je weiter die Galaxien (auf der Ballonoberfläche gemessen) voneinander entfernt sind. Trotzdem können wir (mit unserer dritten Raumdimension) sehr einfach erkennen, dass das Universum der Flächenwesen endlich und in sich gekrümmt ist. Wesen, die mehr Raumdimensionen erkennen können als wir, hätten also auch kein Problem damit, sich unser Universum anschaulich vorzustellen......

Schon recht merkwürdig: Wird der Ballon sehr schnell aufgeblasen, so wäre die Relativbewegung zweier Galaxien ab einer bestimmten Entfernung (gemessen auf der Ballonoberfläche) größer als c, der hierdurch auf dem Ballon gegebene Kreis legt dann die Größe des von uns beobachtbaren Universums fest, das "vollständige" Universum (der Rest des Ballons) wäre für uns prinzipiell nicht zugänglich, Galaxien jenseits dieses Kreises gehören nicht mehr zu unserem (beobachtbaren) Universum.

Ist der Ballon sehr klein, bzw. die Aufblasgeschwindigkeit sehr gering, so könnten wir mit einem leistungsfähigen Fernrohr tief im All unsere eigene Galaxis in einem sehr frühen Entwicklungsstadium sehen (das Licht läuft dabei einmal ganz um den Ballonumfang herum).

 

 

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Geburt und Tod des Universums


Geburt des Universums: 1929 entdeckte Edwin Hubble, dass sich alle Galaxien voneinander entfernen, und zwar um so schneller, je weiter sie voneinander entfernt sind (Rotverschiebung). Verfolgt man diese Expansionsbewegung rückwärts, so müsste vor 10 bis 20 Milliarden Jahren das Universum in einem "Urknall" bzw. "Big Bang" aus einem punktförmigen "Nichts" entstanden sein. Der entscheidende Nachweis dieser Theorie wurde aber erst 1965 erbracht, als mit Radioteleskopen ein unerklärliches "Rauschen" entdeckt wurde, das aus allen Richtungen des Kosmos kommt. Diese Hintergrundstrahlung entspricht einer Temperatur von 2,7K (also 2,7°C über dem absoluten Nullpunkt), und ist ein Überbleibsel des mehr als 10 Milliarden Grad heißen Urknall-Feuerballs. Innerhalb weniger Minuten nach dem Urknall sank die Temperatur des sich rasant ausdehnenden Universums auf eine Milliarde Grad, bei dieser Temperatur setzten Kernreaktionen ein, bei denen sich aus dem Feuerball 75% Wasserstoff und 25% Helium (und ganz wenig Lithium) bildeten. In der anfangs homogenen Dichteverteilung gab es winzige Schwankungen, aus denen sich später die Sterne und Galaxien bildeten. Zu Beginn dieser Galaxienbildung hatte das Universum vermutlich ein Alter von 1-2 Milliarden Jahren, erste Sterne bildeten sich vermutlich schon nach ca. 300-400 Millionen Jahren.

Einigermaßen verlässlich können wir heute bis zu einem Alter des Universums von 1 Sekunde zurückrechnen, was davor geschah ist nicht gesichert. Völlig spekulativ sind besonders die ersten 10-43 Sekunden (Chaos-Ära) in denen unsere heutige Physik nicht gegolten hat. Am Ende dieser Ära war die Temperatur 1033 K, die Dichte 1094 g/cm3 . In den folgenden 10-4 Sekunden (Quark-Ära) sank die Temperatur auf 1014 K, und es bildeten sich Quarks, Leptonen und Photonen. Quarks und Leptonen entstanden eventuell aus X-Bosonen, was auch den geringen Überschuss an Quarks gegen Antiquarks (und damit die heutige Existenz von Materie) erklären könnte. Auf eine Milliarde Protonen-Antiprotonen-Paare gab es ein einziges Proton Überschuss. In den folgenden 10-2 Sekunden (Hadronen-Ära) kühlte sich das Universum auf 1012 Grad ab, und es bildeten sich aus den Quarks und durch Paarbildung Neutronen, Protonen und deren Antiteilchen. Am Ende dieser Ära reichte die Temperatur nicht mehr für eine häufige Paarbildung schwerer Teilchen, alle Teilchen-Antiteilchen zerstrahlten sich, übrig blieb neben der Strahlung und den schon zuvor vorhandenen Leptonen nur der geringe Überschuss an "normalen" Protonen und Neutronen. In den folgenden 10 Sekunden (Leptonen-Ära) bestand das Universum bei 1010 Grad und einer Dichte von 500kg/cm3 neben den wenigen Protonen und Neutronen nur aus Leptonen (z.B. Elektronen und Positronen) und Photonen (Strahlungsquanten). Es erfolgte eine ständige Paarbildung und Paarvernichtung von Leptonen, das Universum wurde für Neutrinos "durchsichtig", d.h. Neutrinos konnten ohne Wechselwirkung das Universum durchqueren, und müssten noch heute in einer Zahl von einigen tausend in jedem cm3 zu finden sein (jedoch wegen der fast fehlenden Wechselwirkung kaum nachzuweisen). Es folgte die 400 000 Jahre dauernde Photonen-Ära, die Temperatur sank  unter die für Paarbildung  bei Leptonen erforderlichen Werte, Elektronen und Positronen zerstrahlten sich bis auf den winzigen Überschuss an Elektronen (für jedes Proton blieb genau ein Elektron übrig). Die Materie war in einem riesigen Meer von Photonen und Neutrinos nur eine winzige "Verunreinigung". 4 Minuten nach dem Urknall wurde die Photonen-Arä bei 109 Grad für 30 Minuten durch die Fusions-Ära unterbrochen, Protonen und Neutronen bildeten Deuterium und Heliumkerne. Am Ende der Photonen-Ära war die Temperatur auf 3000 Grad gesunken, jetzt konnten sich die Elektronen an die Atomkerne anlagern und stabile Atome bilden. Da die Photonen nun nicht mehr ständig in Ionisationsprozesse verwickelt wurden, wurde das Weltall auch für Photonen "durchsichtig", und die bei dieser "Entkopplung" von Strahlung und Materie übriggebliebenen Photonen bilden heute die zuvor angesprochene Hintergrundstrahlung. Der Weg war nun frei zur Bildung von Galaxien und Sternen.

Zu erwähnen ist auch noch, dass die heute bekannten physikalischen Kräfte (Gravitation, Kernkraft, elektromagnetische Kraft und schwache Wechselwirkung) zu Beginn des Universums (in den ersten 10-43 Sekunden) vermutlich in einer einzigen "Urkraft" vereint waren, die sich in den folgenden 10-9 Sekunden in die vier heute bekannten Kräfte aufspaltete. Sollen alle Fragen beantwortet werden (Warum gibt es drei Raumdimensionen und eine Zeitdimension? Wie manifestieren sich die zu erwartenden höheren Dimensionen in unserem heutigen Universum?), so sind die ersten 10-43 Sekunden (Planck-Zeit) nach dem Urknall wichtig. Während dieser Zeit herrschte eine so unvorstellbare Dichte im Universum, dass die Gravitation sogar noch in den mikroskopischen Dimensionen der Elementarteilchen von Bedeutung war, für eine solche "Quantengravitation" fehlt aber bis heute eine befriedigende Theorie.

Tod des Universums: Wie geht es nun mit unserem Universum weiter? Denkbar sind mehrer Modelle. Da die Gravitation die Expansion bremst, könnte das Universum in einem "Big Crunch" wieder in sich zusammenfallen. Es wäre aber auch denkbar, dass das Universum in alle Ewigkeit weiter expandiert. Wegen der Probleme bei der Bestimmung der Hubble-Konstanten ist diese Frage nicht endgültig zu beantworten. Man vermutete zunächst den Grenzfall: Das Universum würde bei einer Ausdehnung auf unendlich zur Ruhe kommen. Die für diesen Fall erforderliche "kritische Dichte" würde jedoch erheblich mehr Masse voraussetzen, als wir heute in Sternen etc. vorfinden. Vermutet wird eine noch unbekannte "Dunkelmaterie" (Neutrinos, Machos, WIMPs, braune Zwerge usw....). Später kam die Vermutung auf, dass sich das Universum, getrieben von einer geheimnisvollen "Dunklen Energie", immer schneller ausdehnt.

Das würde bedeuten, dass in 1014 Jahren alle normalen Sternaktivitäten beendet sind. Alle Sterne sind ausgebrannt und explodiert, neue Sterne werden wegen der inzwischen geringen Materiedichte nicht mehr gebildet. In noch viel späteren, unvorstellbar fernen Zeiten bilden sich riesige schwarze Löcher, sogar die "stabilen" Protonen zerfallen, nach 10100 Jahren explodieren die supermassiven schwarzen Löcher. Im expandierten Universum verbleibt eine unglaublich dünne "Suppe" von Photonen, Elektronen, Positronen und Neutrinos (nur alle 1 000 000 Lj ein Teilchen), die Zeit hört auf zu existieren.

Einige ketzerische Gedanken: Nein, so doch bitte nicht! Ein Urknall-Modell, bei dem das ganze Universum zusammen mit Zeit und Raum als punktförmige(!) Singularität aus dem absoluten "Nichts" entstanden ist, ist wohl auf Dauer kaum haltbar. Aus "Nichts" kommt "Nichts", etwas so massives wie ein ganzes Universum muss auch schon "vorher" vorhanden gewesen sein, in welcher Form auch immer! So ist zwar unser(!) Raum-Zeit-Kontinuum mit dem Urknall entstanden, aber das bedeutet nicht zwangsweise, dass da nicht "vorher" schon "etwas" vorhanden war! Und so stellen sich einige durchaus namhafte Wissenschaftler nun auch die Frage, was den "vor" dem Urknall vorhanden war! Und das mit der Singularität mag auch so mancher Wissenschaftler nicht glauben. Es gibt alternative Überlegungen die besagen, dass das Universum beim Urknall wirklich erstaunlich klein aber niemals punktförmig war. Und noch Etwas: obwohl heute viele Ergebnisse stark für die Urknall-Theorie sprechen, gibt es auch noch ganz andere Modelle des Universums, die leider so kompliziert sind, dass sich der Verdacht aufdrängt, dass nicht jeder Astrophysiker der darüber redet, sie auch ganzen verstanden hat.

Verfolgt man die Diskussionen in den Medien, so stellt man fest, dass selbst namhafte Wissenschaftler es lieber vermeiden, bei ganz konkreten Fragen zur Kosmologie eine klare, unmissverständliche Antwort zu geben. Es gibt wahre Meister darin eine spannende Fernsehsendung über Kosmologie abzuhalten, ohne eine einzige konkrete Aussage zu den wirklich entscheidenden Fragen zu machen. Im Internet findet man vertrauenswürdige Quellen, die einem süffisant zehn verschiedene Radien des Universums aus verschiedenen Publikationen aufführen, und dann in jedem Fall erklären, warum gerade dieser Radius völlig falsch ist! Es gibt also offensichtlich noch erheblichen Handlungsbedarf, die Kosmologie ist wohl doch noch nicht so weit, wie es einige Verfechter der Urknall-Theorie gerne hätten......

 

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"Rand des Universums"


 

Neue Erkenntnisse: In einer Entfernung von ca. 14 Milliarden Lichtjahren beobachtet man eine Vielzahl von Quasaren. Quasare (quasi stellare Radioquellen) sind riesige schwarze Löcher im Zentrum ganz junger Galaxien. Weil sie ständig große Mengen Materie verschlingen sind Quasare extrem helle Objekte, daher kann etwas von ihrem Licht sogar diese riesige Entfernung überbrücken. Dringt man weiter als ca. 14 Milliarden Lichtjahre in den Raum vor, so sollte sich dort ein Raum ohne Quasare zeigen, da sich  Diese zu einem so frühen Zeitpunkt unmittelbar nach dem Urknall noch nicht gebildet hatten.

Jüngere Beobachtungen hatten starke Hinweise darauf geliefert, dass die Zahl der Quasare im All tatsächlich mit der Entfernung rapide abnimmt Nach Einschätzung der Astronomen hätte es aber auch sein können, dass Materie wie etwa Staub im Universum die Quasare einfach verdeckt. Neue Erkenntnisse  entkräften jetzt aber diese Annahme auf folgende Weise: Quasare senden Radiowellen aus, die Hindernisse durchdringen. Die Wissenschafter untersuchten deshalb diese Wellen. Mit zwei sogenannten Interferometern - Teleskopen in Australien und Neu Mexiko (USA) - ermittelten sie Hunderte von Radioquellen. Sie verglichen alle über die Strahlung identifizierten Quasare mit jenen, die sie mit einem Teleskop in Chile im sichtbaren Licht erkennen konnten. Die Untersuchung ergab, dass durch die Radiobeobachtung keine neuen Quasare hinzukamen. Die Erkenntnisse bestätigen die These, dass es in der Zeit zwischen der Entstehung des Universums und dem Auftreten der ersten Galaxien keine Quasare gegeben hat, und dass wir mit unseren großen Teleskopen im "quasarlosen" Bereich dem "Rand des Universums" nahe sind. Bestätigt wird auch die Annahme, dass die Quasare erst entstanden, als das Universum etwa 0,5 bis 2 Milliarden Jahre alt war.

Auch im Jahre 2006 ist ein Unzahl von Missionen im Weltall unterwegs, und große neue Teleskope auf der Erde liefern eine Flut von Daten über ferne Galaxien, dabei rückt man immer weiter in die Tiefe des Alls vor, und hat nach obiger Erkenntnis inzwischen Entfernungen erreicht, in denen die beobachteten Objekte in einem Zustand kurz nach dem "Urknall" sind, und deren Licht ca. 14 Milliarden Jahre unterwegs war, bis es unsere Teleskope erreichte! So zeigt das Bild rechts (NASA) den Quasar SDSS 1030+0524, der mit einer Rotverschiebung von 6.28 (das entspricht einer Entfernung von etwa 14 Milliarden Lichtjahren) im  Jahr 2001 den momentanen Entfernungsrekord hielt. Wir sehen ihn so, wie er kurz nach dem Urknall (nur 0,7 Milliarden Jahre danach) ausgesehen hat, und sind damit dem Rand des Universums ganz nahe!

 

Ergänzung 2007: Die zuvor erwähnten Missionen haben in den vergangenen Jahren gute Arbeit geleistet, und so stellen sich die Erkenntnisse von "Rand des Universums" Anfang 2007 dar: Man kann nun auf Daten der Satelliten zur Messung der kosmischen Hintergrundstrahlung zurückgreifen, und auf Daten des im Weltraum stationierten Spitzer Infrarot-Teleleskops. Zusammen mit den Bildern des Hubble-Weltraumteleskops ergibt sich daraus ein (angeblich) relativ genaues Bild beginnend am "Rand des Universums" bis hin zu unserer heutigen Position, und zwar sowohl räumlich als auch zeitlich gesehen. In der Abbildung symbolisiert der orangefarbene Streifen unten links den Beginn des Universums, dessen Strahlung wir heute als Hintergrundstrahlung mit den Satelliten COBE und WMAP beobachtet haben, und markiert damit den Rand des beobachtbaren Universums sowohl zeitlich als auch räumlich. Rechts von diesem Streifen liegen dann die Objekte immer näher bei uns, uns sind immer jünger. Man kann sich das so vorstellen:

1. Phase: Vor ca. 13,7 Milliarden Jahren begann das Universum mit einem gewaltigen Urknall. Die Strahlung des Urknalls wurde von den Satelliten COBE und WMAP vermessen, ein Bild der Messungen von COBE ist in der Abbildung oben links dargestellt. Dieses Bild zeigt also die heiße Strahlung des Urknalls, die durch die Expansion des Raums inzwischen zu sehr langen Wellenlängen (Mikrowellen) hin verschoben wurde (Rotverschiebung). Im Bild symbolisiert der orangefarbene Streifen unten links die Zeit bis etwa 400.000 Jahren nach dem Urknall, die Hintergrundstrahlung stammt aus dieser Zeit, und ist somit das entfernteste "Objekt", das wir beobachten können.

2. Phase: Nach Abkühlen des Urknall-Blitzes gab es zunächst ein dunkles Zeitalter im Universum, weil sich noch keine leuchtenden Sterne gebildet hatten. Diese "Dark Age" dauerte einige hundert Millionen Jahre lang, dann bildeten sich die ersten, noch etwas rätselhaften Objekte, deren Licht auf dem Weg zu uns durch die Expansion des Raumes und den Dopplereffekt in den Wellenlängenbereich des Infrarots verschoben wurde. Dieses Licht konnte das Spitzer Infrarot-Teleskop nun beobachten. Bei den beobachteten Objekten handelt es sich vermutlich um riesige Sterne der Population III oder schwarze Löcher, die durch Einfangen von Materie riesige Energiemengen abgeben. Aus diesen Sternen bildeten sich dann die ersten kleinen, galaxienähnlichen Gebilde, aus denen dann in den folgenden Milliarden Jahren große, ausgewachsene Galaxien entstanden, mit Quasaren im Zentrum. Diese Objekte sind durch das orangefarbenen Bild von Spitzer dargestellt, und gehören räumlich und zeitlich in der unteren Zeile der Abbildung in den Bereich "First Light".

3. Phase: Als die Galaxienbildung voll eingesetzt hatte, war die Rotverschiebung so weit reduziert, dass man die Objekte mit dem Hubble-Teleskop beobachten konnten. Dies geschah in den berühmten Aufnahmen "Deepfield und Ultra-Deepfield", wo die entferntesten Objekte (stark ins Rote verschoben) neben jüngeren Objekten zu sehen sind. Im Bild ist das der rechte Bereich, der durch den Ausschnitt eines Deepfields gekennzeichnet ist, und der räumlich und zeitlich von der Zone "First Light" bis zu unserer heutigen Position in Raum und Zeit (ganz rechts im Bild) reicht. Die Bereiche in der unteren Bildzeile sind allerdings nicht maßstabsgerecht, die "Hubble-Zone" erstreckt sich über mehr als 10 Milliarden Jahre.

 

Etwas zum Nachdenken: Es sei noch einmal ausdrücklich darauf hingewiesen, dass sich die oben genannten Entfernungen (wie z.B. 14 Milliarden Lichtjahre) rein formal aus der Laufzeit des Lichtes vom Objekt zu uns ergeben, und mit den "tatsächlichen" Entfernungen dieser Objekte nicht identisch sind. Das Licht, das uns heute von diesen Objekten erreicht, wurde ja schon vor vielen Milliarden Jahren auf den Weg gebracht, danach haben sie sich aber noch viele Milliarden Jahre lang weiter bewegt. Da inzwischen auch der Raum expandiert ist, ist auch die heute gemessene Position der Lichtquellen nicht mit der Position identisch, an der das Licht vor Milliarden von Jahren ausgesandt wurde! So stellt sich natürlich ganz logischerweise die Frage

Für einige dieser Fragen haben wir versucht eine Antwort zu finden (siehe oben). Obwohl eigentlich einfache Fragen, scheinen die Astronomen darauf keine einfachen Antworten zu haben, das zeigen völlig unterschiedliche Angaben verschiedener Quellen, und das macht schon sehr nachdenklich, und man fragt sich insgeheim, ob an den tollen Theorien zu Entstehung und Alter des Universums nicht doch noch irgendetwas ganz furchtbar falsch ist................

 

 

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Die Rotverschiebung


Astronomische Rotverschiebung: Licht von astronomischen Objekten enthält die unterschiedlichsten Wellenlängen. Im optischen Labor kann man Licht mit einem Spektrographen in seine verschiedenen Wellenlängen zerlegen, man erhält das sogenannte  Spektrum. Dabei fällt dann auf, dass bestimmte Wellenlängen nicht besetzt sind weil deren Licht in Gasschichten absorbiert wird, oder dass andere Linien besonders hell hervortreten, weil bestimmte Energiezustände von Gasen besonders stark angeregt werden. Im Sonnenlicht fehlen beispielsweise die Wellenlängen 393,3 nm und 396,8 nm, die rote Hα-Linie des Wasserstoffs bei 656,3 nm tritt hingegen in vielen Sternspektren besonders hell hervor.

Weil die Physik im Universum überall gleich ist, kommen diese charakteristischen Linien auch in den Spektren weit entfernter Objekte vor. Man findet sie aber nicht an der Stelle im Spektrum, wo sie eigentlich liegen sollten, sondern zu anderen Wellenlängen hin verschoben. Bewegt sich ein Objekt auf uns zu, so sind die Linien in den blauen, kurzwelligen Bereich des Spektrums hin verschoben, entfernt sich ein Objekt von uns, so geht die Verschiebung in den roten, langwelligen Bereich. Bei allen weit entfernten Objekten beobachtet man prinzipiell immer ein Verschiebung in den roten Bereich des Spektrums, die sogenannte Rotverschiebung.

Erklärung der Rotverschiebung: Sie lässt sich (zumindest teilweise) mit dem Dopplereffekt erklären, den es in ähnlicher Form auch bei Schallwellen gibt: fährt ein hupendes Auto auf einen zu, so werden die Schallwellen "zusammengestaucht", und der Ton klingt höher, entfernt sich das Auto, so werden die Schallwellen "auseinandergezogen", und der Ton klingt tiefer.  Das passiert in ähnlicher Form auch bei einer Lichtwelle. Betrachten wir die Länge λ  einer vollen Schwingung der Welle, so kommt die Welle von einem sich entfernenden Objekt mit einer gedehnten Wellenlänge λ´ bei uns an. Das Verhältnis λ´/λ  wird als k bezeichnet, es gilt also λ´/λ  = k.  Durch Vermessung der Spektren erhält man λ´ und λ , und damit auch k für das betrachtete Objekt.

Beispiel 1: Im Bild rechts sind zwei Calzium-Spektrallinien K und H in den Spektren von drei unterschiedlich weit entfernten Galaxien(haufen) zu erkennen. Die Linien sollten eigentlich bei den Wellenlängen 393,3 nm und 396,8 nm (im Spektrum ganz links) liegen.  Die Pfeile zeigen jedoch deutlich, wie die beiden Linien immer weiter nach rechts (zum roten Bereich hin) verschoben sind. Aus den Verschiebungen errechnet sich k, und damit dann nach der unten erwähnten Formel die Geschwindigkeit, mit der sich die Objekte von uns entfernen!

Beispiel 2: Heute interessieren den Astronomen extrem weit entfernte Objekte, weil das Licht dieser Gebilde Milliarden Jahre zu uns unterwegs war, sehen wir dort um so tiefer in die Vergangenheit unseres Universums, je weiter die Objekte entfernt sind. An der Grenze des Universums bewegen sich die „Quasare“ (das sind extrem lichtstarke Objekte in jungen Galaxien) fast mit Lichtgeschwindigkeit von uns weg, noch weiter dahinter würden wir so weit in die Vergangenheit blicken, dass wir den Urknall sehen könnten! Die Rotverschiebung von Galaxien mit Quasaren erreicht so große Werte, dass eine Messung mit herkömmlichen Geräten nicht möglich ist. Linien, die sonst im sichtbaren Bereich liegen, wandern weit in den unsichtbaren langwelligen Teil des Spektrums, und werden zu Wärmestrahlung (Infrarot). Entsprechende Messgeräte müssen daher mit flüssigen Gasen (Helium etc.) auf Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt gekühlt werden, weil sonst die Wärmestrahlung im Gerät die geringe Strahlung der extrem fernen Objekte überlagern würde. Ein solches Gerät ist das ISAAC-Infrarot­Spektrometer am VLT in Chile. Dort wurde das links gezeigte Spektrum (ESO) geschrieben, es zeigt die zuvor angesprochene rote Hα-Linie des Wasserstoffs, die eigentlich bei 656,3 nm liegen sollte, bei 1063 nm im Infrarotbereich!

In der Astronomie wir die Rotverschiebung allerdings oft nicht als k angegeben, sondern als z oder g = 1/z. In der Messkurve links ist ein Wert von z = 0,62 angegeben. Dabei gilt ein einfacher Zusammenhang: z = (λ´ - λ ) / λ  = λ´/λ  - 1 = k - 1 womit folgt: k = z + 1 oder auch g = 1/(z + 1). Für das Objekt gilt also k = 1,62. Der Zusammenhang ist noch einmal in dem folgenden Kasten zusammengefasst.:

 

 

Es sei c die Lichtgeschwindigkeit.  Wenn man die Rotverschiebung einzig und alleine als Dopplereffekt der Expansionsgeschwindigkeit des Universums deutet, so ergäbe sich unter Anwendung einiger Formeln der Relativitätstheorie für die Geschwindigkeit v, mit der sich das Objekt entfernt, folgende Formel:

 

 

Links steht die allgemeine Formel, rechts ist für k der aus dem Spektrum entnommene Messwert von k = 1,62 eingesetzt. Das Objekt würde sich also fast mit der halben Lichtgeschwindigkeit von uns wegbewegen. Im Jahre 1999 hatten die entferntesten Quasare eine Rotverschiebung von z = 5, was nach obiger Formel 0,97c entspricht, schon 2004 beobachtete man das Objekt Abel 1835 IR 1916 mit z=10, was sogar 0,98c entspricht.  Diese Objekte stehen also fast am Ende des Universums,  zeigen sich in einen Zustand kurz nach dem Urknall, und würden sich fast mit Lichtgeschwindigkeit von uns entfernen!

Extrem wichtig: In vielen Büchern wird die Rotverschiebung als rein geschwindigkeitsbedingter Dopplereffekt  gedeutet. Wir sehen aber, dass sich dann aus obiger Formel extrem hohe Geschwindigkeiten für die entferntesten Objekte ergeben, und ist es wirklich realistisch, dass sich Quasare fast mit Lichtgeschwindigkeit von uns entfernen? Ein Teil der Rotverschiebung könnte auch durch die "Einbettung" der Galaxien in die Raumzeit des Universums entstanden sein, was geringere (und realistischere) Geschwindigkeiten ergäbe.  Die Rotverschiebung liefert uns also eigentlich nur eine "Staffelung" der Galaxien nach Entfernung, und nur in der engeren Umgebung bis z = 0,1 ist momentan die Anwendbarkeit obiger Formel für v exakt gesichert. Nur in dieser Umgebung ist auch der Zusammenhang zwischen Geschwindigkeit v und der Entfernung r durch die bekannte Formel v = Hr gegeben, wobei H die Hubble-Konstante ist.

Man hat nun versucht, ohne Verwendung der Rotverschiebung die Entfernung einiger sehr weit entfernter Objekte zu bestimmen, und damit eine Skala zu "eichen", die der Rotverschiebung (auch außerhalb des Gültigkeitsbereichs z < 0,1) ein Entfernung zuzuordnen. Der ausgiebig untersuchte Quasar SDSS 1030+0524 hat eine Rotverschiebung von z = 6.28, was mit der 2007 gültigen "Eichskala" einer Entfernung von ca. 14 Milliarden Lichtjahren entspricht, und damit schon extrem nahe am Urknall liegt. Wie schnell sich das Objekt von uns entfernt ist damit aber nicht gegeben, die "Eichskala", die der Rotverschiebung für z > 0,1 ein Geschwindigkeit zuordnet, scheint immer noch ungewiss.

 

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Dunkle Materie/Energie - was spricht dafür?


 

Argument Nummer 1: Die Bewegung der Galaxien in großen Galaxienhaufen kann aufgrund der zu geringen Gravitation der sichtbaren Materie nicht erklärt werden, die Galaxien in den Haufen bewegen sich so schnell, dass die Gravitation der sichtbaren Materie nicht ausreichen würde, um die Haufen zusammenzuhalten. Um die Stabilität der Haufen zu erklären, wäre eine riesige Menge zusätzlicher Materie erforderlich. Das könnte ein Hinweis darauf sein, dass in Galaxienhaufen bis zu 90% der Materie aus einer geheimnisvollen, dunklen Materie besteht, die mit der sichtbaren Materie bis auf die Gravitation keinerlei erkennbare Wechselwirkung hat, und somit kaum nachweisbar wäre!

Argument Nummer 2: Auch die Bewegung der Steren innerhalb einer Galaxie lässt sich nur unter Annahme einer großen Menge "Dunkler Materie" erklären: Alle Sterne umkreisen das Zentrum der Galaxie, und sollten um so langsamer sein, je weiter sie vom Mittelpunkt der Galaxie entfernt sind (wie auch Pluto die Sonne viel langsamer umkreist als die Erde). In der Praxis nimmt die Umlaufgeschwindigkeit der Sterne mit größerer Entfernung vom Zentrum jedoch viel zu wenig ab (s. Grafik). Das deutet darauf hin, dass der Außenbereich der Galaxien von einem "Halo" dunkler Materie durchsetzt ist, der bis zu 10 mal mehr Materie enthält, als in der Galaxie selbst sichtbar ist.

Argument Nummer 3: Neben den "flachen" Spiralgalaxien gibt es noch die elliptisch oder rund geformten Elliptischen Galaxien (s. Klassifizierung). Diese Galaxien sind von einer Blase aus extrem heißem Gas (mehrere Millionen Grad) umgeben, das vermutlich von Jets riesiger Schwarzer Löcher (Bild links, NASA) aus den Kernen der Galaxien herausgeschleudert wurde. Dieses Gas ist aufgrund der hohen Temperatur so schnell, dass die Gravitation der Galaxie nicht ausreichen würde, diese Blase zu erhalten. Um die Stabilität dieser Blasen zu erklären, müsste auch in den elliptischen Galaxien zehn mal mehr Materie vorhanden sein, als sichtbar ist.

Argument Nummer 4: Beobachtet man sehr weit entfernte Objekte, deren Licht auf dem Weg zu uns durch näherliegende Galaxienhaufen hindurchgegangen ist, so wird das Bild dieser Objekte durch die Gravitation des Galaxienhaufens verzerrt. Die beobachtete Verzerrung ist viel stärker, als alleine auf Grund der sichtbaren Materie des Galaxienhaufens möglich. Es muss also in dem Haufen eine große Menge Dunkler Materie vorhanden sein. Das Bild links zeigt den sehr weit entfernten Quasar QSO 2237 (NASA), dessen Licht vom Kern einer im Lichtweg liegenden Spiralgalaxie abgelenkt und zu vier Bildern des Quasars gebündelt wird, die den hellen Galaxienkern umgeben! Aus solchen Bilder lässt sich eine Massekarte der ablenkenden Galaxienmasse erstellen, und die Gesamtmasse der Galaxie bestimmen.

Argument Nummer 5: Die Dichteschwankungen der sichtbaren Materie kurz nach dem Urknall waren so gering, dass ihre Gravitation nach heutigen Vorstellungen nicht ausgereicht hätte, eine Kondensation (Zusammenballung) zu Galaxien auszulösen. Auch hierzu wäre wohl ein großer Anteil nicht sichtbarer Materie erforderlich gewesen. So könnte es am Ende noch sein, dass wir dieser geheimnisvollen Dunklen Materie letztlich unsere Existenz verdanken!

 

 

Das könnte dann etwa so aussehen: grob 73% Dunkle Energie, 23% kalte/heiße Dunkle Materie, und lediglich 4% "normale" Materie, von der wiederum nur 1/10 sichtbar ist. Das würde bedeuten, dass weit weniger als 0,5%  der Materie im Universum für uns sichtbar ist! Eines der wichtigsten Ziele der Jahre nach der Jahrtausendwende wird unter Anderem die Suche nach dieser geheimnisvollen "Dunklen Materie" und "Dunklen Energie" sein. Man sollte allerdings den euphorischen Beschwörungen der Urknall-Theorie trotz deutlicher Hinweise auf deren Richtigkeit immer noch etwas reserviert gegenübertreten, denn die oben erwähnten "Dunklen Zutaten" (besonders die Dunkle Energie) sind schon recht merkwürdig, und noch keinesfalls bewiesen. Es gibt auch ganz andere, multidimensionale Theorien (z.B. die Stringtheorie), die das Universum auf ganz andere Weise ebenfalls erklären könnten!

Dunkle Energie nur eine "Fata Morgana"?

Bei der Besprechung der Dunklen Materie und Dunklen Energie hatten wir oben bereits darauf hingewiesen, dass es sehr zwingende Gründe für die Existenz der Dunklen Materie gibt, dass aber die Dunkle Energie eine äußerst fragwürdige Konstruktion ist. Nun sind wir natürlich keine Experten, und unsere Vorstellungen daher eher vorlaute Anmerkungen. Um so erfreulicher ist es, dass nun auch ernst zu nehmende Experten(!) ebenfalls Zweifel anmelden, wie einem Bericht in "Sterne und Weltraum 1/2008 zu entnehmen war.

Rekapitulieren wir kurz: Im Universum gibt es einen Zusammenhang zwischen der Rotverschiebung und der Entfernung eines Objekts. Es war eine Sensation, als 1998 mehrere Forscher feststellten, dass Supernovae vom Typ Ia, die man in entfernten Galaxien beobachten konnte, dunkler erschienen, als sie das aufgrund ihrer Rotverschiebung erscheinen sollten. Die einfachste Erklärung hierfür wäre die Annahme, dass sich die Objekte schneller von uns entfernten, als zuvor angenommen (Größere Geschwindigkeit = größere Rotverschiebung).

Als Einstein 1917 die Formel für die zeitliche Entwicklung des Universums aufstellte, kannte er die später von Hubble beschriebene Expansion des Universums noch nicht, und um einen stationären Kosmos zu erklären brauchte er eine Kraft, die der Gravitation entgegenwirkt. Diese Kraft führte er in Form eines Faktors Lambda in seine Gleichung ein. Später hat er diese Konstante Lambda als „seine größte Eselei“ bezeichnet, und verworfen. Heute jedoch kann dieser Faktor sehr gut dazu verwendet werden, eine Beschleunigung der Expansion des Universums darzustellen. Nach dem sich daraus ergebenden Modell bestehen 73% des Universums aus einer geheimnisvollen Dunklen Energie, zu 23% aus Dunkler Materie, und nur 4% sind für uns sichtbar. Man hat also mit der Dunklen Energie einen Begriff aus dem Hut gezaubert, der die gesamte Kosmologie über den Haufen wirft, einzig und alleine um die beobachteten Abweichungen bei den Supernovae Ia zu erklären! Zudem ist ein Nachweis der Dunklen Energie nicht gelungen, und wohl vorerst auch kaum möglich, das hatte damals unseren Widerspruch herausgefordert!

Nun hat eine Forschergruppe eine ganz andere Erklärung für die „Dunkle Energie“ vorgeschlagen. Nach der modernen Kosmologie ist das Universum zwar homogen und isotrop, d.h. überall und in allen Richtungen gleichmäßig, das gilt aber nur für große Längenskalen. In engeren Bereichen sitzen Beobachter sehr wohl in Konzentrationen von Masse (Galaxienhaufen etc.). In solchen Massekonzentrationen bewirkt die Masse eine Raumzeitkrümmung, in der Uhren aufgrund der Zeitdilatation „langsamer“ laufen. Und das wiederum führt dazu, dass das Licht von Sternen eine größere Rotverschiebung aufweist, eine altbekannte Tatsache, hier mit überraschenden Folgen: Als sich vor Milliarden Jahren das Universum bildete, war es tatsächlich noch homogen und isotrop, und alle Uhren im Kosmos liefen noch nahezu gleich. Als sich im expandierenden Kosmos Massekonzentrationen bildeten, liefen auch die Uhren und damit die beobachtete Rotverschiebung auseinander.

Es ist nicht leicht, dieses neue Modell zu berechnen, das völlig ohne die merkwürdige Dunkle Energie auskommt, aber erste Versuche waren vielversprechend, und ergaben folgende Werte: Hubble-Konstante nur 62 statt 73 km/s/Mpc, und damit ein Alter des Universums von 14,7 statt 13,7 Milliarden Jahren, in Übereinstimmung mit neuesten Messungen! Das Verhältnis von Dunkler zu sichtbarer Materie ist nur grob 3:1 statt zuvor 6:1, auf die ominöse Dunkle Energie kann verzichtet werden, die damit endgültig zur Fata Morgana erklärt werden könnte, ein Ergebnis, das uns sehr gefallen würde!


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Die Hintergrundstrahlung


 

Alles Zufall, oder was? Paradoxerweise ergeben sich große Durchbrüche in der Wissenschaft gelegentlich völlig ungeplant! Ein Paradebeispiel hierfür ist die Entdeckung der kosmischen Hintergrundstrahlung: Was anfangs als unerklärliches, lästiges "Rauschen" in einer nagelneuen Hornantenne begann, sollte sich später als eine der wichtigsten Entdeckungen der Kosmologie herausstellen! Die kuriose Entdeckungsgeschichte und die Bedeutung der Hintergrundstrahlung für die Wissenschaft wollen wir hier genauer darstellen.

Zu Beginn des 19. Jahrhunderts kam es zu wissenschaftlichen Entdeckungen die allmählich klar machten, dass das Universum sehr groß ist. Edwin Hubble entdeckte 1929, dass sich alle Galaxien voneinander entfernen, und zwar umso schneller, je weiter sie voneinander entfernt sind (Rotverschiebung). Um diese Expansionsbewegung des Universums zu erklären, gab es damals mehrere Theorien. Eine nahe liegende Erklärung ist die Urknalltheorie, denn verfolgt man die Expansionsbewegung rückwärts, so müsste vor 10 bis 20 Milliarden Jahren das Universum in einem "Urknall" bzw. "Big Bang" aus einem punktförmigen "Nichts" entstanden sein. Allerdings besaß man damals keine eindeutigen Beweise für diese Theorie, und die Wissenschaftler standen somit vor einem großen Problem. Auch alternative Theorien wurden entwickelt, wie beispielsweise die 1948 veröffentlichte "Gleichgewichtstheorie" (Steady-State-Theorie). Ihre Kernidee war, dass die Expansion des Universums dadurch zustande kommt, dass überall im gesamten Raum ständig neue Materie entsteht, sich das Universum aber ansonsten in Aussehen und Form nicht verändert. Damit wurde die (zumindest in den Anfängen) unangenehme Vorstellung, das Universum sein in einem Urknall quasi aus einem "punktförmigen Nichts" entstanden, vermieden.


Wo sind die Beweise? So suchten die Vertreter der Urknalltheorie fieberhaft nach schlagenden Argumenten für ihre Vorstellungen, und in den 1940ern wurde von George Gamow, Ralph Alpher und Robert Herman auf Grund theoretischer Überlegungen die Existenz einer Hintergrundstrahlung als Folge des Urknalls vorausgesagt, die vollkommen gleichmäßig aus allen Himmelsrichtungen kommen sollte. Etwa 400.000 Jahre nach dem Urknall wären Materie und Strahlung entkoppelt, und das zu diesem Zeitpunkt ca. 3000 Grad heiße Universum wäre damit für Strahlung durchsichtig geworden. Durch die Expansion des Universums (Rotverschiebung) wäre die Strahlung von ursprünglich 3000 Grad heute auf 2,7 Grad "abgekühlt", und käme als Mikrowellenstrahlung von ca. 1,9mm Wellenlänge aus allen Richtungen des Universums gleichmäßig zu uns. Allerdings fehlte ihnen der Beweis für diese Theorie, denn eines solche Strahlung hatte leider noch niemand gemessen.....

Von Hornantennen und Vogelsch..... Einige Jahre später arbeiteten die Physiker Penzias und Wilson an einer empfindlichen Hornantenne (Bild links, NASA) an den Bell Laboratories in New Jersey (USA). Sie hatten ein klar definiertes Forschungsprogramm und sollten mit ihrer nagelneuen Hornantenne im Mirkowellenbereich verschiedene Experimente durchführen. Ihre Arbeit wurde allerdings durch ein ununterbrochenes, rauschendes Hintergrundgeräusch gestört, was ihre Experimente unmöglich machte. Dieser Effekt wurden auch von anderen Wissenschaftlern beobachtet, bisher jedoch als unerklärbar beiseite geschoben. Penzias und Wilson gaben allerdings nicht so schnell auf, und gingen diesem Phänomen hartnäckig auf den Grund. Um die Ursache für dieses merkwürdige Geräusch herauszufinden, schreckten sie vor keinem Aufwand zurück und begannen alle möglichen Fehlerquellen nacheinander zu untersuchen und auszuschließen. Der Schriftsteller und Journalist Bill Bryson schrieb darüber: "Sie überprüften sämtliche elektrische Geräte. Sie bauten Instrumente um, prüften Stromkreise, spielten mit Kabeln herum, staubten Stecker ab. Sie kletterten in die Antennenschüssel und brachten Klebeband auf allen Schweißnähten und Nieten an. Sie kletterten noch einmal in die Schüssel, dieses Mal mit Besen und Bürsten, und schrubbten alles ab, was sie in einem späteren Fachaufsatz als "weißes dielektrisches Material" (zu deutsch: Vogelsch....) bezeichneten, aber was sie auch versuchten, es nützte nichts."

Das Rauschen kam nach wie vor, tagsüber und auch nachts, zu allen Jahreszeiten von allen Stellen des Himmels. Nach dem Ausschließen aller möglichen Fehlerquellen musste man davon ausgehen, dass das Rauschen eine Strahlung aus dem Universum ist. Es war, als ob der "leere Raum" eine Radiostrahlung aussandte. Da sich Penzias und Wilson dies nicht erklären konnten, sprachen sie mit Kollegen. Sie erfuhren, dass bereits 1949 die Existenz einer Hintergrundstrahlung als Folge des Urknalls vorausgesagt worden war, dass man diese Theorie allerdings noch nicht belegen konnte. Daraufhin veröffentlichten die beiden Physiker 1964 ihre Entdeckung, was die Bestätigung der theoretischen Vorhersage der Hintergrundstrahlung lieferte.  Daher konnte sich die Urknall-Theorie als gängige Vorstellung vom Beginn des Universums durchsetzen. Für ihre bahnbrechende Entdeckung wurden Penzias und Wilson 1978 mit dem Physiknobelpreis ausgezeichnet.

Entscheidende Fragen: In der Folge zeigten weitere Überlegungen, dass die Hintergrundstrahlung nicht aus allen Richtungen ganz exakt gleich kommen sollte. Wenn Strahlung und Materie völlig gleichmäßig verteilt gewesen wären, so hätten sich keine Sterne und Galaxien bilden können. Zunächst Sterne und später Galaxien konnten sich nur durch Anlagerung von Materie an bereits kurz nach dem Urknall vorhandene Bereiche mit etwas höherer Dichte bilden. Ja, es stellte sich sogar heraus, dass die exakte Größe und Stärke dieser Inhomogenitäten ganz entscheidend für die weitere Entwicklung des Universums und die Menge an Dunkler Materie ist, alles Fragen, die bisher mit keiner anderen Methode befriedigend geklärt werden konnten. Damit rückte die genaue Untersuchung der Hintergrundstrahlung voll in das Blickfeld der Kosmologen!

Die berechneten Inhomogenitäten der Hintergrundstrahlung sollten zunächst bei kleinen Schwankungen um ca. 1:1000 liegen, das wäre noch relativ leicht zu messen. Dann kam aber die Dunkle Materie hinzu, was die Schwankungen auf 1:100.000 reduzierte. Solche geringen Änderungen erfordern Messgeräte, die die Temperatur der Mikrowellenstrahlung auf einige Millionstel Grad(!) genau bestimmen können, was eine unvorstellbare Herausforderung darstellt! Auch müssen alle Störquellen beseitigt oder herausgerechnet werden, was eigentlich eine Stationierung der Messgeräte möglichst weit weg von Erde und Mond im Weltall erforderlich macht.

 

Temperaturschwankungen der Hintergrundstrahlung (NASA).

Links: Sensationelles Bild vom Satellit COBE.

Rechts: Nochmals erheblich besser aufgelöstes Bild vom Satellit WMAP.

 

Wegen der enormen Bedeutung für die Kosmologie wurde die Raumsonde COBE zur Vermessung der räumlichen Verteilung und Stärke der Hintergrundstrahlung gebaut, und ins All geschossen. Ganze neun(!) Minuten nach Beginn der Messungen war bereits die erste Sensation perfekt: Es wurde die vom Urknallmodell vorhergesagte perfekte thermische Verteilung der Wellenlängen der Hintergrundstrahlung (s. Messkurve unten rechts) bestätigt, was den beteiligten Physikern bei der Präsentation im Januar 1990 Standing Ovations einbrachte! Im April 1992 folgte die zweite Sensation: In der Hintergrundstrahlung konnten tatsächlich die erwarteten kleinsten räumlichen Schwankungen der Temperatur von nur einem Hunderttausendstel Grad(!) gegen den Mittelwert von ca. 2,725 Grad nachgewiesen werden (s. Bild oben links). Auch das war von der Urknall-Theorie vorhergesagt worden.

Mangelnde Messgenauigkeit: Da die Entwicklung des gesamten Universums unglaublich empfindlich auf Änderungen in den Parametern der Hintergrundstrahlung reagiert, waren die Daten von COBE noch nicht genau genug, um ein endgültiges Weltmodell festzulegen. Deshalb startete man 2001 die Sonde WMAP, die mit genaueren Messgeräten erneut die räumliche Verteilung der kosmischen Mikrowellenstrahlung messen sollte. Die Sonde wurde im Lagrange-Punkt L2 stationiert, das ist ein Punkt etwa 1,5 Millionen Kilometer von der Erde weg, genau in Gegenrichtung zur Sonne, wo sich die Schwerkräfte von Erde und Sonne mit den auftretenden Fliehkräften so addieren, dass eine Kreisbahn der Sonde um die Sonne synchron mit der Erde möglich wird. Dabei stand WMAP nicht direkt im Punkt L2, sondern bewegt sich auf einer relativ engen, komplizierten Bahn um den Lagrange-Punkt, von wo aus sie weit entfernt von irdischen Störquellen mit unvorstellbarer Präzision ihre Messungen machen konnte. Die Winkelauflösung von WMAP betrug 0,3 Winkelgrad bei messbaren Temperaturunterschieden von einigen Millionstel Grad! Die so gewonnenen Daten wurden noch durch einzelne Messungen von Höhenballons von der Erde aus bestätigt, und gaben nun ein genügend präzises Bild (s. Bild oben rechts), um sich erstmals in der Geschichte der Kosmologie auf ein genaues Modell des Universums festzulegen, und das sieht in etwa so aus:

 

  • Das Universum enthält  4% Materie, 23% Dunkle Materie, 73% Dunkle Energie

  • Das Universum ist "flach" (Euklidsche Geometrie des Raums)

  • Wegen der Dunklen Energie erfolgt eine ewige Expansion des Raums

  • Das Alter des Universums beträgt nun recht genau 13,7 Milliarden Jahre

  • Erste Sterne bildeten sich bereits 300-400 Millionen Jahre nach dem Urknall

          Rechts das von COBE aufgenommene Spektrum der Hintergrundstrahlung

 

Wie wichtig die Entdeckung der Hintergrundstrahlung und die weiteren Arbeiten zu deren Untersuchung waren, zeigt auch die Tatsache, dass zweimal der Nobelpreis für Physik verliehen wurde, so 1978 an Penzias und Wilson, und 2006 an die Macher von COBE! Deren Arbeit (und der Mitwirkung von vielen anderen Wissenschaftlern) ist es zu verdanken, dass die Kosmologie von einer spekulativen zu einer fundierten Wissenschaft wurde, auch wenn sich dem Unkundigen immer noch die drängende Frage stellt, ob das nun wirklich so alles in Ordnung ist, aus diesem Grund haben wir auch auf der Homepage an anderer Stelle leicht von obigen Zahlen abweichende Werte nicht(!) korrigiert, wer endgültig Recht hat wird (trotz zweier Nobelpreise) wohl erst die Zukunft zeigen. Erste Zweifel ergeben sich z.B. schon an der Existenz der "Dunklen Energie", s. oben, und das würde zu einem ganz anders aussehenden Universum führen:

 

  • Das Universum enthält  25% Materie, 75% Dunkle Materie, keine Dunkle Energie

  • Das Universum ist "flach" (Euklidsche Geometrie des Raums)

  • Das Alter des Universums beträgt eher 14,7 Milliarden Jahre

  • Das Universum expandiert nicht beschleunigt

Wir sehen also:

Es bleibt spannend!

 

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