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Die Kosmologie, also die Lehre von Aufbau und Entwicklung des Weltalls, fasziniert Laien wie Fachleute gleichermassen. Dennoch ist das moderne Weltbild in allen Details nicht einfach zu verstehen, es braucht einiges an Vorstellungsvermögen, Geometrie und Mathematik, um sich darin zurechtzufinden. Vereinfachende Modellvorstellungen können helfen zu verstehen, worum es in der modernen Kosmologie grundsätzlich geht und wo der aktuelle Stand der Forschung ist.
 Im für uns einsehbaren Weltall gibt es viele Milliarden Galaxien (Milchstrassen). Jede besteht aus 100 Milliarden Sonnen. © STScI. |
Naturwissenschaften wie die Astronomie und Kosmologie beschreiben die Natur. Es geht in der Astronomie im Allgemeinen und in der Kosmologie im Besonderen nicht darum, den Sinn des Universums oder die Aufgabe des Menschen darin zu ergründen. Da viele Sprachen zwischen dem Sternen-Himmel und dem religiösen Himmel nicht unterscheiden, fällt vielen die Unterscheidung gedanklich schwer. Man ist nicht gewohnt, über das Weltall nachzudenken. Es erstaunt immer wieder, wie z.B. in Quizsendungen kluge Leute, die vorher gewusst haben, wer 1956 Präsident von Italien war, schliesslich scheitern, wenn nach dem grössten Planeten im Sonnensystem gefragt wird.
Während die Astronomie der Planeten und Nachbarsterne noch fasziniert, wird die Stimmung im Publikum einer Volkssternwartenführung gereizter, wenn das Gespräch auf Galaxien und damit rasch auf das Thema Kosmologie und Urknall kommt. Da in der Kosmologie neben dem Himmel noch zusätzlich die Entstehung der Welt (Genesis) hinzukommt, fühlen sich ein paar Leute in ihren religiösen Gefühlen gestört. Es ist jedoch nicht das Ziel der Astronomie und Kosmologie, religiöse Weltbilder zu beweisen oder zu widerlegen.
Man führt in der Astronomie und Astrophysik gewisse Beobachtungen durch und versucht diese zu interpretieren. Diese Interpretationen werden in Form eines alle vorliegenden Beobachtungen erklärenden physikalischen Modells des Kosmos dargestellt. Wenn neue Beobachtungen möglich werden, muss das Modell verfeinert werden. Gewisse Erklärungsversuche (Theorien) werden dann bestätigt oder widerlegt. Mit dem Fortschritt in der Beobachtungstechnik ist die Spanne möglicher Theorien in den vergangenen Jahrzehnten immer enger geworden, so dass alle heute noch mit der Beobachtung nicht im Widerspruch stehenden Theorien sehr "urknall-artig" sind. Die Entwicklung bleibt spannend und zeigt ein Universum, das im Wesentlichen von Dingen und Kräften beherrscht wird, die sich unserer Alltagserfahrung völlig entziehen.
Die grundlegendsten Beobachtungstatsachen, auf die unsere Vorstellung von Anfang und Geschichte des Weltalls aufbaut und die jedes Modell beinhalten muss, sind:
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a) Die Distanz zwischen den Galaxienhaufen wird immer grösser (Rotverschiebung). b) Aus allen Richtungen kommt gleichmässig eine Mikrowellenstrahlung, so wie sie ein „schwarzer“ Körper der Temperatur 2.7 Kelvin (-270 Grad) ausstrahlen würde (sogenannter Mikrowellenhintergrund). c) Wasserstoff und Helium sind die häufigsten Elemente im Kosmos. d) Die physikalischen Gesetze gelten mit grosser Genauigkeit im ganzen beobachtbaren Kosmos. Ob sich gewisse Naturkonstanten mit der Zeit ändern, wird gegenwärtig untersucht. Man muss da noch etwas Geduld haben, bis eindeutige Resultate vorliegen. e) Sehr kleine Unregelmässigkeiten in diesem Mikrowellenhintergrund erlauben es, Kosmologien zu testen und sind Voraussetzung dafür, dass sich aus dem ursprünglich mit heissem Wasserstoff- und Heliumgas angefüllten Kosmos Galaxien bilden konnten. f) Endlichkeit des beobachtbaren Weltalls (= endliches Alter). Galaxien kommen nur bis zu einer bestimmten Distanz vor. |
An der Erforschung des Kosmos arbeiten Hunderte von Wissenschaftlern weltweit, die sich auch gegenseitig konkurrenzieren. Parallel zum allgemeinen technischen Fortschritt haben auch die Möglichkeiten zur Beobachtung des Weltalls rasant zugenommen. Vorhersagen von Theorien über das Universum, die zu Einsteins Zeiten noch hoffnungslos weit jenseits der technischen Möglichkeiten unüberprüfbar waren, können heute gemessen werden.
Doch wie muss man sich ein Weltall vorstellen, das zu diesen Beobachtungen passt? Wichtig dabei ist auch, dass wir uns bewusst sind, dass das Licht mit endlicher Geschwindigkeit unterwegs ist. Jeder Blick zu den fernen Galaxien ist auch ein Blick zurück in die ferne Vergangenheit. Das Fernste und damit auch die fernste Vergangenheit, die die Instrumente der Astronomen beobachten können, sind die Gaswolken zum Zeitpunkt, als das Weltall zum ersten Mal durchsichtig wurde.
Ein einfaches Modell soll den Einstieg erleichtern. Machen wir uns eine Vorstellung von einem Weltall, das immer grösser wird:
 Die Distanz zwischen den Galaxiehaufen (hier als Punkte symbolisiert) wird immer grösser. Für jeden Beobachter sieht es so aus, als würden sich alle Galaxiehaufen von ihm entfernen. Je weiter entfernt ein Haufen ist, desto schneller. Simulation vom Autor. |
Stellen wir uns vor, dass wir in einem Backofen einen langsam aufgehenden Kuchen - mit Rosinen drin - haben. Der Kuchen sei unendlich gross (das Weltall hat keinen Rand, also soll unser Kuchen auch keiner haben. Der Mikrowellenhintergrund ist KEIN geometrischer Rand; davon später). Die Rosinen seien einfach nur Beobachter; einer davon seien wir. Der Weltall-Kuchen geht gleichmässig und beliebig weit auf. Die Distanz zwischen den Rosinen wird dadurch dauernd grösser. Oder anders gesagt: Es gibt mit der Zeit immer weniger Rosinen pro Volumeneinheit Kuchen.
Unser Kuchen hat noch weitere Eigenschaften. Wenn seine Temperatur unter einen bestimmten Wert gesunken ist, wird er aufgrund einer später zu diskutierenden chemischen Reaktion durchsichtig. Die Lichtgeschwindigkeit betrage im Kuchen einen Zentimeter pro Minute.
Um 12 Uhr sei die Temperatur im Kuchen überall so, dass er aufgrund der chemischen Reaktion schlagartig durchsichtig wird. Da aber die Lichtgeschwindigkeit endlich ist, können wir um 12 Uhr von unserer Rosine aus nicht gleich alle Rosinen im Kuchen sehen, obwohl jetzt der ganze Kuchen durchsichtig ist. Um 12.01 sehen wir nur einen Zentimeter weit, um 12.15 Uhr 15 cm weit in alle Richtungen usw. Auf einer willkürlich ausgewählten Rosine haben wir den Eindruck, dass wir in der Mitte einer Kugel aus durchsichtigem Teig sitzen und an eine Wand aus undurchsichtigem Teig blicken. Diese scheinbare Kugel aus durchsichtigem Teig wird laufend grösser. Wichtig ist auch, dass natürlich jede Rosine für sich denselben Eindruck hat, da ja der ganze Kuchen auf einmal um 12 Uhr durchsichtig geworden ist. Keine Rosine sitzt an einer besonderen Stelle.
Der Zeitpunkt, zu dem der Kuchen durchsichtig wurde, entspricht demjenigen Zeitpunkt, als im Weltall der Wasserstoff neutral wurde. Vorher war er ca. 3000 Grad heiss, ionisiert und deshalb undurchsichtig. Wie jede Rosine wegen der endlichen Lichtgeschwindigkeit glaubt, in einer grösser werdenden Kugel aus durchsichtigem Teig zu sitzen, sehen wir uns scheinbar im Zentrum einer Kugel aus durchsichtigem Raum, begrenzt durch die undurchsichtigen Wolken des ionisierten Wasserstoffs der fernen Vergangenheit. Der Abstand zwischen den Rosinen wird immer grösser, wie auch der Abstand zwischen zwei Galaxienhaufen immer grösser wird. Dies entdeckte bereits E. Hubble und seine Mitarbeiter in den 20er Jahren des 20. Jahrhunderts.
Eine Eigenschaft des Universums mit konstanter Ausdehnungsrate (gelehrter gesagt: mit zeitunabhängiger Hubblekonstante) ist es, dass mit der Zeit für eine bestimmte Rosine jede andere Rosine verschwunden sein wird. Denn irgendwann wird der Abstand zwischen den beiden so gross, das der Abstand mit mehr als der Lichtgeschwindigkeit zunimmt. In unserem Kuchenuniversum kann es mit der Zeit ganz schön einsam werden.
In Wirklichkeit ändert sich die Ausdehnungsrate mit der Zeit. Vielleicht sogar derart, dass sich die Expansion eines Tages in eine Kontraktion umkehrt. Jedenfalls hatte man das bis vor ein paar Jahren noch gehofft.
Neuste Messungen mit Hilfe von Supernovae in fernen Galaxien deuten heute darauf hin, dass die Sache im wirklichen Universum noch schlimmer als im Kuchen ist. Das wirkliche Weltall scheint sogar beschleunigt zu expandieren, was das Horizontproblem noch verschlimmert.
Im undurchsichtigen Zustand leuchte unser Teig in einem rötlichen Licht. Mit der chemischen Reaktion, die ihn durchsichtig macht, verliert er seine Fähigkeit zu leuchten. Da jede Rosine auch nach 12 Uhr sich im Zentrum einer durchsichtigen von undurchsichtigem, leuchtendem Teig umgebenen Kugel sieht, wäre es vernünftig anzunehmen, dass die Rosinen sich in einem hellen Raum befinden. Fragen wir eine beliebige Rosine um 12:30 Uhr, wie hell sie es habe, dann kommt die Antwort, dass sie im Dunkeln sei.
Die Antwort liegt darin, dass das Licht während der Reise durch den durchsichtigen Teig der Ausdehnung unterworfen ist. Die Wellenlänge des Lichts wird während seiner Laufzeit genau so auseinandergezogen, wie der Abstand zwischen zwei Rosinen mit der Zeit zunimmt. Das Licht des undurchsichtigen Teigs, das die Rosinen noch um 12.30 beleuchten soll, war bereits eine halbe Stunde unterwegs, da es seit 12.00 keinen leuchtenden Teig mehr gibt. Die andauernde Expansion des Teiges hatte also eine halbe Stunde lang Zeit, die Wellenlänge des Lichts so weit zu strecken, dass sie im unsichtbaren Infrarotlicht liegt. Und tatsächlich, im Infraroten sehen die Rosinen noch den Teig.
Die Rosinen selbst sollen ein wenig grünes Licht aussenden. Aufgrund des gleichen Effekts wird auch das Licht, das eine Rosine von der anderen empfängt, gedehnt, während es unterwegs ist. Auch dieses Licht wird zum roten und infraroten Teil des Spektrums verschoben. Je länger das Licht von einer Rosine zur anderen unterwegs ist, desto stärker ist dieser Effekt. Die Nachbarrosinen erscheinen noch einigermassen grün, die etwas entfernteren gelb und die noch weiter entfernten rot. Am extremsten rotverschoben (bereits Infrarot) erscheint der undurchsichtige Teig.
In einem Punkt, der zunächst als Schwäche des Modells erscheinen mag, beschreibt es die Situation treffend: Um 12 Uhr wird der ganze Kuchen plötzlich durchsichtig. Wäre das ein Vorgang, der sich irgendwie langsam ausbreitet, würden sich die Rosinen in der Zeit nach 12 Uhr nicht mehr in einer Kugel aus durchsichtigem Teig glauben, sondern in einer verzerrten Blase. Wäre das im wirklichen Universum so, würde die Mikrowellenstrahlung nicht mit derselben Wellenlänge aus allen Richtungen kommen. Das tut sie aber mit grosser Genauigkeit. Als das Weltall vor 13 - 14 Milliarden Jahren durchsichtig wurde, herrschte an Stellen im Raum sehr genau dieselbe Temperatur, die gar nie miteinander wechselwirken konnten (d.h. allfällige Temperaturunterschiede ausgleichen). Dies nennt man das Horizontproblem.
 Die Beobachtung von Supernovae (Sternexplosionen) in Milliarden Lichtjahre entfernten Galaxien brachte den ersten Hinweis auf eine beschleunigte Ausdehnung des Weltalls. © STScI |
Unsere Modellvorstellung von der Dynamik des Weltalls ist noch etwas naiv. Die fixe Ausdehnungsrate ist etwa so vereinfachend, wie man im Schulphysikunterricht die Schwerkraft als von der Höhe unabhängig annimmt. Für die Modellkanone im Schullabor lässt sich mit dieser Näherung sicher gut rechnen, aber für Raketen und Satelliten führt diese Vereinfachung nicht zum Ziel. Die Schwerkraft nimmt proportional zum Quadrat des Abstandes Erdmitte – Beobachter ab. Wollen wir die Bahn des Mondes berechnen, müssen wir dies berücksichtigen. Eine analoge Situation haben wir, wenn wir die Rotverschiebung des Mikrowellenhintergrundes nicht nur grundsätzlich einsehen wollen, sondern auch nachrechnen möchten.
Was könnte also die Ausdehnungsrate unseres Kuchens mit der Zeit beeinflussen? Die Rosinen symbolisieren die Galaxienhaufen oder allgemein die Materie im Weltall. Als solche ziehen sie sich gegenseitig mit dem schon oben erwähnten Gesetz an. Diese Kraft zwischen den Rosinen hindert den Kuchen am Aufgehen und hat das Bestreben, alles wieder in einem Kollaps enden zu lassen.
Es gibt noch den Teig, der den Raum (das Vakuum) selbst repräsentiert. Die Eigenschaften des Teiges selbst ändern sich nicht mit der Ausdehnung, wie die Eigenschaften des Vakuums von grundlegenden physikalischen Gesetzen der Quantenmechanik und der Relativitätstheorie bestimmt werden.
In unserem kosmischen Teig habe es Backpulver, das dafür sorgt, dass sich der Teig beständig ausdehnen möchte. Der Teig setzt also den Rosinen eine Art Antigravitation entgegen. Die Gravitation der Rosinen wird mit der Ausdehnung des Raums immer schwächer, da der Abstand zwischen den Rosinen immer grösser wird. Da diese "Antigravitation" eine Eigenschaft des Raums selbst ist, ändert sich ihre Stärke nicht.
Um 12 Uhr überwiegt die Schwerkraft der Rosinen. Wie ein hochgeworfener Stein langsamer wird, bremsen sie die Ausdehnung. Die Bremskraft der Rosinen wird aber immer schwächer, die Antigravitation des Backpulvers im Teig nicht. Wenn es die Rosinen nicht schaffen, die Ausdehnung in einen Kollaps umzukehren, bevor ihre Anziehungskraft schwächer wird als die Antigravitation des Backpulvers im Teig, wird die Antigravitation irgendwann überwiegen und den Kuchen sich beschleunigt ausdehnen lassen.
Man kann nun die Dynamik des Weltalls als Differenzialgleichungen für die Distanz zwischen zwei Punkten im Raum R darstellen. R0 sei die Distanz heute. Diese Gleichungen wurden von Friedman und Lemaitre in den 20er Jahren des 20. Jahrhunderts auf der Basis der allgemeinen Relativitätstheorie aufgestellt.
» Siehe Arbeit von P. Plionis.
Wir begnügen uns hier mit der Diskussion von Konsequenzen: In einem euklidischen Raum (Winkelsumme im Dreieck 180 Grad) wird die Dynamik durch die oben beschriebenen Effekte beschrieben.
Aus Formel 26 (eine Lösung der Friedmann – Lemaitre – Gleichungen) auf der Internetseite von M. Plionis wollen wir sehen, wie sich das Weltall ausgedehnt hat und in "näherer" Zukunft noch ausdehnen wird. Die Parameter wurden so gewählt, wie sie gegenwärtig am besten zu den Beobachtungen passen.
 Ausdehnung des Weltraums, wie sie am Besten zu den Beobachtungen passt. X-Achse: Jahre nach dem Urknall, Y-Achse: Abstand zweier Punkte im Raum relativ zu ihrem heutigen Abstand. Wer mit logarithmischen Graphen Mühe hat, kann sich hier auch eine normale Version ansehen (Hier). |
X- und Y-Achse sind logarithmisch gezeichnet. In einer solchen Darstellung sieht man besser, was zu Beginn passierte. Die X-Achse zeigt die Zeit in Jahren, die Y-Achse das Anwachsen des Abstandes zwischen zwei Punkten im Raum. Dieser wurde so gewählt, dass er heute dem Wert 1 entspricht. Mann kann dafür 100 Millionen Lichtjahre einsetzen oder 1 Millimeter, was der Wellenlänge des Mikrowellenhintergrundes entspräche. Die Kurve hat rechts oben einen Knick. Dies ist der Übergang von der Dominanz der Schwerkraft der Materie zur Dominanz der abstossenden Kraft im Raum.
Der Mikrowellenhintergrund wurde von einem Gas abgestrahlt, das 3000 Grad heiss war. Ein solches Gas strahlt im roten und nahen infraroten Licht, also ca. bei einem Mikrometer Wellenlänge. Heute beobachten wir diese Strahlung bei ca. einem Millimeter Wellenlänge. Also muss dieses heisse Gas zu einer Zeit existiert haben, als eine heutige Distanz zwischen zwei Punkten 1000 Mal kleiner war. Die Graphik oben sieht den Zeitpunkt des Abstrahlens einige hunderttausend Jahre nach dem Urknall.
Während das primitive Kuchen-Modell keinen definierten Anfang hatte, hat nun das verbesserte Modell einen Anfang aus einem Punkt (Singularität). In diesem Zeitpunkt 0 war die Ausdehnungsrate unendlich. Das neue Modell hat nun einen Urknall. Es ist jedoch anzunehmen, dass das auf Einsteins allgemeine Relativitätstheorie zurückgehende physikalische Modell bei solch extrem hohen Dichten und Temperaturen nicht mehr zutreffend ist. Etwas, das aus einem Punkt kommt oder in einem Punkt kollabiert (Singularität), wird in der Physik so gewertet, dass das Modell die Wirklichkeit nur näherungsweise beschreibt. Man ist bei einer Singularität vor der Situation, die Aufgabe zu lösen, was null geteilt durch null geben soll. Eine noch schlecht verstandene Kombination aus Gravitation und Quantenmechanik wird in Zukunft zur Beschreibung des Zustandes und Entwicklung des Kosmos unter solch extremen Bedingungen benötigt.
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