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 Fertiger Hauptspiegel des Weltraumteleskops. |
Optische Hauptkomponente ist ein Spiegel von 2.4 Metern Duchmesser. Er bestimmt das Auflösungsvermögen, d.h. wie viele Details man auf einem Himmelskörper erkennen kann. Im sichtbaren Wellenlängenbereich beträgt es 0.05 Bogensekunden. Auf dem Mond kann man mit dieser Auflösung noch Details von 100 Meter Grösse erkennen oder auf dem Mars bei extremer Erdnähe solche von 14 Kilometer Ausdehnung. Neben dem reinen Auflösungsvermögen ist auch die Lichtstärke und die Ausrichtungsgenauigkeit des Teleskops von Bedeutung. Dies erlaubt es über viele Tage die Detektoren zu belichten und so selbst extrem lichtschwache Objekte abzubilden.
 Wirkung der Atmosphäre, Vergleich Bodenteleskop - Weltraumteleskop. |
Eine Besonderheit des Weltraumteleskops Hubble ist, dass es im Weltraum gewartet wurde. Dank diesen Service-Missionen des Space-Shuttle konnte das Weltraumteleskop von Fortschritten in der Detektortechnologie profitieren. Jedoch auch das in seiner Lebensdauer beschränkte Lagekontrollsystem − insbesondere die Stabilisierungskreisel − konnten ersetzt werden. Dieses System ist es auch, das die Lebensdauer des Teleskops einschränkt und zukünftige Wartungsmissionen notwendig macht, um auch in mittelfristiger Zukunft weiter von diesem Observatorium in der Erdumlaufbahn profitieren zu können.
Seit dem Start hat das Teleskop rund 1'000'000 Aufnahmen gemacht. Bilder, die immer wieder Aufsehen erregten und oft durch ihre Schönheit faszinierten. Wissenschaft geht jedoch über die Schönheit von Bildern hinaus. Teleskop und Instrumente müssen so gewählt werden, dass bestimmte Fragen beantwortet werden können. Wie der Name bereits vermuten lässt, ist das Hubble-Teleskop besonders für die Erforschung des Kosmos als Ganzes konzipiert; es soll und hat auch Antworten auf die Frage der Entwicklung des Weltalls gegeben. Das Teleskop hat in der Erforschung des Sonnensystems und Objekten in unserer Galaxis − z.B. in Sternentstehungsgebieten − ebenfalls viele wegweisende Beobachtungen gemacht. In der Fülle der Erkenntnisse greifen wir hier die Beobachtungen und Fortschritte im Zusammenhang mit der Kosmologie heraus.
 Albert Einstein | |
 Alexander Friedmann |
Diese Weltmodelle beschreiben, wie sich der Raum selbst mit der Zeit ausdehnt, gleich bleibt oder zusammenzieht. Das bedeutet konkret, dass der mittlere Abstand zwischen den grössten Objekten, den Galaxienhaufen, sich im Laufe der Zeit ändert, wenn immer mehr Raum entsteht oder verschwindet. Wichtig ist auch die Feststellung, das Gegenstände (Menschen, Planeten, Sterne und Galaxien) genügend inneren Zusammenhalt besitzen, um nicht grösser oder kleiner zu werden.
Die Gleichungen der Weltmodelle von Albert Einstein (1879-1955), ausgearbeitet von Alexander Friedmann (1888-1925), benötigten um Vorhersagen machen zu können folgende Parameter: die heutige Ausdehnungsrate (Hubble-Konstante), die mittlere Materiedichte, die mittlere Energiedichte des Strahlungsfeldes im Weltall, die Krümmung der Raumzeit und (so etwas wie) die Energiedichte des Vakuums, das Einstein Kosmologisches Glied nannte und man heute Dunkle Energie nennt. Sind diese bekannt, kann die ART überprüfbare Beobachtungsvorhersagen machen.
Vorraussetzung ist, dass das Weltall im ganz Grossen homogen und isotrop ist. Kein Punkt im Weltall ist irgendwie bevorzugt. Alle über das ganze Weltall verstreuten (hypothetischen) Beobachter sehen das Gleiche und die Eigenschaften des Weltalls hängen nicht von der Blickrichtung des Beobachters ab. Dies nennt man das kosmologische Prinzip.
Die Entwinklung der Astronomie war zwischen 1915 und 1929, als zum ersten Mal über den Kosmos im Licht der allgemeinen Relativität nachgedacht wurde, bei weiten nicht in der Lage, schlüssige Beobachtungen zu liefern. Die neuste Erkenntnis in jener Zeit war, dass der Andromedanebel eine eigene Galaxie und nicht etwa ein Nebel in unserer Milchstrasse war.
Es war damals Mode, den Kosmos als ewig gleich anzusehen. Jedoch Einsteins und Friedmanns Gleichungen sagten im Allgemeinen einen dynamischen Kosmos voraus, der sein Volumen ändern konnte. Mit Friedmanns Gleichung konnte man der Abstand zwischen Probekörper oder die Volumenänderung als Funktion der Zeit berechnen. Die Friedmanngleichung ist jedoch eine Differentialgleichung, d.h. eine Gleichung, in die man nicht Zahlen sondern ganze Funktionen einsetzt. Eine Vielzahl möglicher Szenarien für den Kosmos erfüllt die Friedmangleichung. Nur mit genauer Vermessung des Zustandes heute könnte man die unseren Kosmos beschreibende Lösung der Friedmangleichung finden. Um 1920 war an solche Messungen noch nicht zu denken, jedoch viele möglichen Lösungen der Friedmangleichung sagten eine unendliche Dichte des Kosmos vor endlicher Zeit voraus.
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| Stellen wir uns ein Gitter aus gelben frei schwebenden Punkten vor. Wir haben sie so angeordnet, dass sie das gelbe Gitter in der Graphik bilden. Aussen herum haben wir ein starres Gitter (z.B. aus Eisenstangen) aufgebaut. Beobachten wir das Experiment über Jahrmilliarden, so dehnt sich das gelbe Gitter aus. Im realen Weltall können Sie sich Galaxiehaufen an den Gitterpunkten des gelben Gitters vorstellen. Hier gibt es mehr dazu. Graphik von R. Brodbeck. |
Einstein konnte sich mit einem dynamischen Kosmos, der möglicherweise noch vor endlicher Zeit entstanden ist, zunächst nicht anfreunden und brachte sich damit um die Vorhersage des Urknalls. Er argumentierte damals, dass die Energiedichte des Vakuums (sog. Kosmologisches Glied, eine zu messende Grösse um die richtige Lösung der Friedmanngleichung zu finden) die Schwerkraft der Materie gerade aufhebt und somit die Schwerkraft nur ein lokales Phänomen um massive Körper sei, jedoch für den Kosmos als Ganzes keine Rolle spiele. Das Weltall könne deshalb ewig gleich sein.
 Hooker-Telescope um 1930. Mit diesem Teleskop arbeitete Edwin Hubble. © Mt. Wilson Observatory. |
Hubble zeigte 1924, dass die Spiralnebel nicht zu unserer Milchstrasse gehören, sondern eigene Galaxien sind. Damit beendete er einen sehr langen Streit darüber. Er fand eine Methode (Delta-Cepheiden-Sterne) um die Entfernung zu Galaxien abschäzen zu kö,nnen. 1929 konnte er dank der Beobachtungsarbeit von Vesto M. Slipher (Flagstaff) und Milton Humason (Mt. Wilson) feststellen, dass das Spektrum der Galaxien zum langwelligen roten Licht hin verschoben ist. Der Effekt der Rotverschiebung für entferntere Galaxien ist stärker als für nahe. Hubble konnte zeigen, dass die Rotverschiebung proportional zur Distanz ist. War nun der sich aufblähende Kosmos gemäss allgemeiner Relativität (nach Einstein, Friedmann u.a.) nachgewiesen? Er würde die Wellenlänge des Lichts strecken, während es unterwegs ist. Einstein anerkannte diese Beobachtung und bezeichnete sein Kosmologisches Glied voreilig als grosse Eselei. Das Weltall würde nach ART vor endlicher Zeit unendlich dicht gewesen sein, wenn man die Parameter nicht sehr speziell wählt. Hatten Hubble, Slipher und Hummason den Urknall entdeckt und war das im grossen ewig gleiche Weltall somit nur ein Traum?
Dies war die Situation vor dem zweiten Weltkrieg; zu einer Zeit, zu der man beispielsweise noch nichts von Kernfusion wusste. D.h. man konnte noch nicht erklären, woher die Sterne (=Sonnen) ihre Energie beziehen. Ohne weitere Fortschritte in der Physik und Astronomie musste die Rotverschiebung ferner Galaxien vorerst unerklärbar bleiben.
 George Gamow | |
 Sir Fred Hoyle |
Eine andere Seite zweifelte die Interpretation von Hubbles Entdeckung als Raumausdehnung an. Auf dem langen Weg zwischen uns und einer Galaxie könnten die Lichtquanten Energie verlieren (=röter werden), logischerweise je länger sie unterwegs waren, desto länger hatte dieser unbekannte Energieverlust Zeit zu wirken. Dies wurde unter dem Titel "Lichtermüdung" bekannt. (*)
Auf der Seite des von Fred Hoyle abwertend "Urknall" genannten dichten und heissen Anfang mit anschliessender Expansion gemäss ART machte sich der Physiker George Gamow, Ralph Alpher und Robert Herman stark. Sie erkannten, dass wenn die Welt einmal so heiss und dicht war, dass per jüngst entdeckter Kernfusion ein Teil des ursprünglichen Wasserstoffs kurz nach dem Urknall in Helium verwandelt wurde, müsste aus dieser heissen Urzeit noch ein extrem rotverschobenes Strahlungsfeld im Bereich der Mikrowellen übrig sein. Dieses würde aus allen Richtungen gleichmässig strahlen und ein paar Kelvin warm sein. Wenn die Konkurrenten Steady-State oder Lichtermüdung recht hätten, würde man keinen solchen Mikrowellenhintergrund sehen dürfen. Allerdings gibt es eine sehr komplizierte Variante der Steady-State State, die auf komplizierte Weise versucht, die Sache zu rettten (QSSC, Quasi-Static-Steady-State-Cosmology von G. Burbidge).
| Steady-State | Lichtermüdung | Urknall | Verträglichkeit mit Relativität (Friedmanngleichung) | Bei Aufgabe des Massenerhaltes möglich. | Kosmologisches Glied und Materiedichte müssen sich kompensieren | Die meisten Lösungen der Fiedmanngleichung haben einen Urknall vor endlicher Zeit. |
| Rotverschiebung, je weiter entfernt die Lichtquelle ist desto mehr? | Ja | Ja | Ja | |
| Wasserstoff und Helium sehr häufig? | Ja | Keine Erklärung | Ja | |
| Mikrowellenstrahlung? | Nein | Nein | Ja | |
| Auch in grosser Entfernung sind junge und alte Galaxien zu beobachten? | Ja | Keine Aussage über Galaxienentstehung | Nein | |
| Standardereignisse wie Supernovae scheinen in entfernteren Galaxien langsamer abzulaufen als in nahen? | Ja | Nein | Ja | |
| Zusätzliche unbekannte Physik notwendig? | Ja | Ja | Ja | |
| Vorhersagen verschiedener Theorien, die um 1950 diskutiert wurden. Heute stimmt nur die Urknall-Theorie mit allen Beobachtungen überein. Damals waren die notwendigen Beobachtungen zur Entscheidung zwischen den verschiedenen Erklärungen der Rotverschiebung technisch noch nicht möglich. Vollständigkeitshalber muss man erwähnen, dass die QSST-Theorie (Erweiterung von Steady-State) auch überall mehr oder weniger ein Ja haben müsste. Sie braucht allerdings eine nicht durch Beboachtungen gestützte Erweiterung der ART und hat mit dem gemessenen Spektrum der Fluktuationen im Mikrowellenhintergrund schwerwiegende Probleme mehr. Diskussion der Fehler der QSST hier. | ||||
1965 fiel mit dem Nachweis des Mikrowellenhintergrundes durch A.A. Penzias und R.W. Wilson die Vorentscheidung. Die anderen Modelle konnten den Mikrowellenhintergrund nicht erklären. Es blieb den Urknallgegnern nur die Messungen oder deren Interpretation als kosmisches Phänomen anzuzweifeln.
Auf Urknallseite hatte man durch den Mikrowellenhintergrund an Glaubwürdigkeit stark gewonnen. Allerdings hatte man auch hier mit Problemen zu kämpfen. An die Urknall-Leute wurde nun die Frage gestellt, wie lange es her sei, seit die Welt so dicht und heiss war, wie sie sagen. Leider erwies sich die Entfernungsmessung zu ausreichend weit entfernten Galaxien als Problem. Um das Weltalter abschätzen zu können, musste man die Distanz zu Galaxien und ihre Rotverschiebung unabhängig voneinander messen. Sehr nahe Galaxien sind ungeeignet, da die Rotverschiebung vom Dopplereffekt zufälliger Relativbewegungen verfälscht wird.
Das Unvermögen der 70er und 80er Jahre, das Weltalter mit der Präzision anzugeben, wie man es sonst von den Astronomen gewohnt ist, bedeutete ein Glaubwürdigkeitsverlust in der Öffentlichkeit für die Urknalltheorie als Ganzes und rückte den Urknall in das Schussfeld von Wissenschaftskritikern und Hobbygelehrten sowie einem kleinen harten Kern von Steady-State-Leuten. Schützenhilfe bekamen die Urknallkritiker von der Seite des christlichen Fundamentalismus, der im Urknall so etwas wie die "Genesis für Ketzer" sah und auch heute noch sieht. |
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Das Projekt Hubble-Teleskop sollte ab 1990 helfen, die Entfernungsmessung von Galaxien zu verbessern, indem es in entfernteren Galaxien noch die hellsten Einzelsterne ausmachen kann. Leider verhinderte ein Fehler im Schliff des Hauptspiegels, dass das Teleskop in den ersten Jahren seine volle Leistungsfähigkeit entfalten konnte. Noch vor 10 Jahren schrieb Hubert Goenner, Professor an der Uni Göttingen, in seiner Einführung in die Relativitätstheorie zur Situation, eine konkrete Lösung der Friedmangleichung aus Beobachtungen abzuleiten und so die ART in der Kosmologie als Ganzes zu testen: Leider ist die Beobachtungssituation weit davon entfernt, einen Test des kosmologischen Modells zu ermöglichen. Glücklicherweise hat sich in den Jahren danach vieles zum Besseren gewandt. |
 Supernova in einer 5-8 Millarden Lichtjahre entfernten Galaxie. Hubble-Teleskop.© STScI. |
Als Einzelkämpfer ist man in der beobachtenden Kosmologie heute verloren. So wäre die sensationellen Beobachtungsfortschritte der Kosmologie in den vergangenen Jahren ohne weitere bahnbrechende Beobachtungsinstrumente nicht möglich gewesen. Zu diesen zählen die Satelliten COBE und WMAP, die den Mikrowellenhintergrund sehr detailliert vermessen. Sie zeigen einen bis auf 0.001% Variation aus allen Richtungen kommende völlig gleiche Mikrowellenstrahlung der Temperatur 2.725 Kelvin (-270.435°C). Selbst die kleinen Schwankungen sind genau so gross, wie man es zur Erklärung der Galaxienbildung braucht. Dies ist das entgültige Aus für Steady-State.
Jedoch auch die Basis aller Distanzmessung, die trigonometrische Distanzmessung von Sternen in unserer Nachbarschaft innerhalb der Milchstrasse durch den europäischen Satelliten HIPPARCOS, hatte auch Auswirkungen auf die Messung der Entfernung zu anderen Galaxien. Beispielsweise liest man in Büchern vor HIPPARCOS, dass der Andromedanebel 2.2 Millionen Lichtjahre entfernt sei. Nun konnte die Entfernungsmessung erheblich verbessert werden. Die wirkliche Entfernung liegt bei 2.9 - 3.0 Millionen Lichtjahren.
Auch die Grosssternwarten auf dem Erdboden profitierten vom technischen Fortschritt im Bereich Bildstabilisierung und Detektorempfindlichkeit. Von erdgebundenen Teleskopen stammen die zahlreichen Beobachtungen von Supernovaexplosionen in fernen Galaxien. Sie zeigen, dass das Komologische Glied keine Eselei ist, sondern wir tatsächlich in einem sich immer schneller ausdehnenden Weltall leben.
Als "Nebenprodukt" liefern diese Supernovaexplosionen auch einen einfachen Beobachtungsbeweis, dass es die Lichtermüdung nicht gibt. In unserer Galaxis oder in einer Nachbargalaxie dauert der Lichtabfall einer solchen Supernova um eine Grössenklasse (ein Faktor 2.5) typischerweise 14 Tage. In Galaxien, die einige Milliarden Lichtjahre entfernt sind, dauert es scheinbar drei Wochen. Der ursprünglich zwei Lichtwochen lange Lichtstrahl wurde während seiner Reise durch die kosmische Raumausdehnung gestreckt. Wäre die Lichtermüdung die Ursache der Rotverschiebung, so wäre die Supernova zwar röter, würde jedoch gleich lang dauern wie eine Supernova in der Nähe.
 Der Schweizer Astronaut Claude Nicollier (rechts) rüstet das Weltraumteleskop Hubble mit einem neuen Fine Guidance Sensor aus. © NASA. |
Wie gut die heute favorisierte Lösung Friedmanngleichung ist, und ob heute noch nicht messbare Effekte den "Big Rip" verhindern werden, wird zukünftige Forschung zeigen. Neue Impulse erhofft man sich von der Gravitationswellen-Astronomie. Auch der europäische Satellit Plank, der den Mikrowellenhintergrund noch genauer untersuchen soll, wird die Kosmologie weiter voranbringen. Das James-Webb-Weltrauminfrarotteleskop, das als Nachfolger des Hubble-Teleskops gilt, soll das Entstehen der allerersten Galaxien verfolgen können.
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Die Audehnung des Raums im Laufe der Zeit. Die Graphik zeigt wie sich die Distanz (z.B. zwischen zwei Galaxiehaufen) entwickelt im Vergleich zur Gegenwart (Abstand=1). Weiss ist die Lösung der Friedmangleichung für die heute verwendeten Werte:
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