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<blockquote data-quote="H2SO4" data-source="post: 91613" data-attributes="member: 2506"><p><span style="color: red">Der Kosmos:</span></p><p></p><p>Die Galaxienflucht</p><p></p><p>Wir wissen heute aufgrund vieler Beobachtungsdaten, dass unser Universum irgendwann in der Vergangenheit einen Anfang hatte. Es existiert nicht seit ewigen Zeiten, sondern ist mit 13,7 Milliarden Jahren sogar als noch recht jung zu bezeichnen. Bis zu Einsteins revolutionären Gedanken nahm man Raum und Zeit als unveränderliche Größen hin, ja man sah das gesamte Universum als beständige, sich in alle Ewigkeit nie ändernde Einrichtung. Für uns fast unbegreiflich, bestand das gesamte Universum bis in die frühen Jahre des 20. Jahrhunderts lediglich aus der Milchstraße, zu der auch die seltsamen "Nebelflecke" gehörten. Erst als man diese als eigenständige Sternsysteme - weit entfernte Galaxien - erkannte, begann man die ungeheure Ausdehnung des Kosmos zu erahnen.</p><p></p><p>Der erste Schrecken über Einsteins neue Erkenntnisse war noch nicht ganz überwunden (er glaubte selbst anfangs noch an ein statisches, unveränderliches Universum),</p><p></p><p>Edwin Hubble entdeckte Edwin Hubble (1889 bis 1953) 1929 aufgrund seiner Messungen der Rotverschiebungen, dass sich (fast) alle Galaxien im Universum von uns und voneinander entfernen. Das gab bereits einen ersten Hinweis auf einen gemeinsamen Ursprung. Hubble hatte sich inzwischen einen Namen gemacht, als er 1923 am Mount-Wilson-Observatorium nachwies, dass die Andromeda- Galaxie M 31 weit außerhalb der Milchstraße liegt und ein eigenständiges Sternsystem ist. Erstmals konnte er auch die Entfernung zur Andromeda- Galaxie bestimmen, wenn auch aufgrund der damaligen Ungenauigkeit der Abstand mit 1,5 Millionen Lichtjahren viel zu gering war.</p><p>Aus den Messungen der Rotverschiebungen leitete Hubble auch seinen wichtigsten Beitrag ab, die Hubble- Konstante. Durch sie war jetzt klar geworden, dass wir in einem expandierenden Universum leben.</p><p></p><p>Grund für die Flucht der Galaxien voneinander ist nicht eine gemeinsame, gerichtete Eigenbewegung. Vielmehr werden sie quasi durch den sich ausdehnenden Raum mitgerissen. Um sich dies besser verdeutlichen zu können, wird vielfach das Beispiel eines Hefeteigs mit Rosinen verwendet. Wenn der (Raum-)Teig aufgeht, sich also ausdehnt, werden die (Galaxien-)Rosinen dabei mitgenommen und alle entfernen sich voneinander. Es ist bei einer solchen RaumTeig- Expansion nicht möglich, dass sich zwei GalaxienRosinen einander nähern! Doch gibt es auch Ausnahmefälle im All, nämlich dann, wenn sich zwei Galaxien gravitationsbedingt nähern und sogar kollidieren können. Das steht beispielsweise unserer Milchstraße in etwa 3 Milliarden Jahren bevor, wenn sie mit der Andromeda- Galaxie verschmelzen wird.</p><p></p><p>1948 veröffentlichte der Wissenschaftler George Gamow (1904 bis 1968) seine Theorie eines heißen Anfangs des Weltalls, nach der alles in einem heißen Urbrei (er nannte dies Ylem) begann, der irgendwann expandierte.</p><p></p><p>George Gamov Den entscheidenden Beweis für den Urknall lieferten dann 1965 zwei US- Ingenieure (Arno Penzias und Robert Wilson), als sie die so genannte 3 [K]- Hintergrundstrahlung (exakter: 2,725 [K], entsprechend rund -270 [°C]) entdeckten (zur Strahlung eines Körpers siehe auch Schwarzer Körper).</p><p></p><p>Gamow hatte in seiner Theorie bereits vorhergesagt, dass aus dem von Strahlung dominierten Urbrei auch heute noch Reste vorhanden sein sollten. Die hier nun entdeckte neue Strahlung im Mikrowellenbereich kam aus allen Himmelsrichtungen mit gleicher Intensität (obwohl heute bekannt ist, dass die Strahlung entsprechend dem weiter unten beschriebenen Standardmodell in verschiedenen Richtungen um einige Tausendstel [K] differiert). Möchten Sie diese Strahlung einmal sehen? Schalten Sie den Fernseher ein, ohne dass ein Sender eingestellt ist. Etwa 1% des "Schneegeflimmers" auf dem Bildschirm stammt aus der kosmischen Hintergrundstrahlung!</p><p></p><p>Feinste Unterschiede der Hintergrundstrahlung Nebenstehendes Bild zeigt, wie der Satellit COBE (Cosmic Background Explorer) 1992 die feinen Unterschiede - bis zu einem Hunderttausendstel [K] - der Hintergrundstrahlung "sah". Wärmere Regionen erscheinen rot, kältere blau. In dieser Ansicht zieht sich die galaktische Ebene horizontal durch die Bildmitte. Dieses Bild ist eine Zeitreise in die jüngste Vergangenheit des Universums, weiter können wir nicht zurück blicken. Der Mikrowellenhintergrund (CMB, Cosmic Microwave Background) und die Galaxienflucht sind neben einigen anderen überzeugende Argumente dafür, dass alles, was unser Universum enthält, einmal in einem winzig kleinen Raumgebiet komprimiert war und es dort einen Beginn der Expansion gab.</p><p></p><p>Im Jahre 2001 wurde die Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) in eine Sonnen- Umlaufbahn gebracht. Die Empfindlichkeit und das Auflösungsvermögen dieses Geräts waren gegenüber COBE deutlich gesteigert worden, WMAP hatte bei einer Auflösung von 0,3° × 0,3° eine Empfindlichkeit von max. 20 [µK], das sind 20 Millionstel [K]! Rot in diesem Bild des Himmels bedeutet wärmer, blau kälter. Nun mag man auf den ersten Blick denken "Aha, ein nettes Bild, aber was sehe ich hier?" Zunächst einmal ist das die Ansicht des Universums, als es gerade 379 000 Jahre alt war. Zu diesem Zeitpunkt war der Kosmos bereits auf etwa 3000 [K] abgekühlt. Bis hin zu dieser Temperatur lag alle Materie vollständig ionisiert vor, d.h. es existierten noch keine Atome, sondern Protonen, Neutronen und Elektronen führten ein eigenständiges Leben. Das aber war von der Strahlung beherrscht! Die Photonen der Strahlung kollidierten ständig mit den Teilchen, wurden von ihnen absorbiert, sogleich wieder emittiert und erneut absorbiert usw. Diese Streuung der Photonen "glättete" das noch junge Universum, geringe Schwankungen der Dichte und Temperatur wurden sogleich ausgeglichen.</p><p></p><p>Nun aber, ab 3000 [K], änderte sich schlagartig alles! Die Protonen konnten jetzt die Elektronen einfangen und Atome bilden (überwiegend Wasserstoff und Helium). Die Streuung der Photonen an den geladenen Teilchen hörte damit schlagartig auf und das Universum wurde durchsichtig. Denn nun konnten die Photonen frei ihrer Wege ziehen und sich ungehindert bewegen. Genau diesen Moment der kosmischen Geschichte sehen wir auf dem Bild. Sterne oder Galaxien konnten zu diesem frühen Zeitpunkt noch gar nicht existieren und sind deshalb auch nicht zu sehen. Wieso aber sind die feinen Temperaturunterschiede so wichtig für uns, dass man solch kostspielige und empfindliche Geräte wie die WMAP entwickelte? Nun, der Theorie zufolge sollten im jungen Kosmos geringe Schwankungen der Dichte bzw. Temperatur auftreten, die so genannten Fluktuationen. Wie schon gesagt, wurden sie durch den Strahlungsdruck lange Zeit geglättet. Nach der Rekombination, der Vereinigung von Elektronen und Protonen war das nicht mehr der Fall und die Fluktuationen "froren" aus. Aus den etwas dichteren, heißeren Zonen sollten sich später die Galaxienhaufen bilden, die etwas dünneren Gebiete wurden dann zu den großen Leerräumen, die wir heute beobachten. Doch zunächst wollen wir sehen, wie und woraus das Universum überhaupt entstehen konnte.</p><p></p><p>Geburt aus dem Nichts?</p><p></p><p>Was war vor dem Urknall, was also vor dem Beginn unseres Universums? Das ist eine der am häufigsten gestellten Fragen, auf die es keine nachprüfbare Antwort geben kann. Lassen wir zunächst vor unserem geistigen Auge den Film der kosmischen Entwicklung rückwärts laufen. Das All zieht sich dabei immer mehr zusammen, bis alles schließlich in einem winzigen, fast unendlich kleinen Punkt verschwindet, der Singularität. Diese würde entstehen, wenn wir alles bis zum Zeitpunkt Null zurück rechnen. Die Frage ist dabei, gibt es überhaupt Singularitäten im Kosmos? Wenn ja, erübrigt sich die Suche nach dem DAVOR, denn wir wissen nicht, durch welchen Prozess solch eine Singularität entstehen könnte. Es gibt aber viele andere Möglichkeiten, die von verschiedenen Wissenschaftlern in Betracht gezogen werden und die z.T. auch gleich eine Aussage über die künftige Entwicklung mitliefern:</p><p></p><p> * Gabriele Veneziano/Maurizio Gasperini gehen von der Superstringtheorie aus und postulieren ein Stringvakuum als einfachsten Grundzustand. Wie wir wissen, ist das Quantenvakuum Fluktuationen ausgesetzt, und irgendwann könnte sich eine höchst kritische Energiedichte ausbilden. Das kann zu einem Kollaps führen und zum Abschnüren eines Universums. Nach diesem Modell könnte es unzählige Kosmen geben.</p><p> * Albert Einstein ging noch von einem statischen Universum aus. Es war immer da und bleibt ewig so, wie es ist. Einstein verwarf diesen Gedanken jedoch nach Hubbles Entdeckungen.</p><p> * Fred Hoyle, Thomas Gold und Hermann Bondi vertraten weiterhin die Steady State Theorie, die ebenfalls von einem nahezu unveränderlichen All ausgeht. Da die Galaxien auseinander driften, postulieren sie ein "Schöpfungsfeld", welches die Expansion verursacht und aus dem genau soviel Materie erschaffen wird (aus der neue Galaxien gebildet werden), wie Galaxien aus dem Universum durch die Expansion verschwinden. Nach einer Neufassung dieser Theorie, der Quasi-Steady-StateTheorie, an der auch Geoffrey Burbidge beteiligt war, gibt es kein umfassendes Schöpfungsfeld mehr und auch keine gleichmäßige expansive Entwicklung (Big Stream) des Universums, sondern lokale Schöpfungsfelder, die spontan Materie (Wasserstoffatome) hervorbringen. Übrigens stammt der Begriff Big Bang (Urknall) von Fred Hoyle, der ihn allerdings mehr als Schimpfwort für die Gegner seiner Theorie verstand.</p><p> * Stephen Hawking, Alexander Friedmann und Roger Penrose offerieren uns den Urknall (Big Bang). Wie der Fantasy- Autor Terry Pratchett formuliert:</p><p></p><p> Am Anfang war das Nichts - und das ist dann explodiert</p><p></p><p> Der Kosmos entstand demnach aus einer Singularität, wie schon angedeutet und expandiert seitdem. Ist die Massendichte des Universums groß genug, wird aufgrund der Eigengravitation die Expansion irgendwann gestoppt und umgedreht. Das All implodiert wieder bis zur Singularität im so genannten Big Crunch ("Grosses Knirschen").</p><p></p><p> Eine andere Version des Urknalls geht vom Big Whimper ("Grosses Wimmern") aus. Die Eigengravitation des Kosmos ist zu klein, um die Expansion anzuhalten, so dass es ewig expandiert und den Kältetod stirbt.</p><p> * Ein anderes Modell, der Big Bounce ("Großer Aufprall") wurde von W. Priester, H.-J. Blome, J. Hoell 1989 entwickelt. Hier geht man von einem unendlich ausgedehnten, homogenen und materiefreien Anfangsuniversum aus, bestehend aus einem hochenergetischen Quantenvakuum. Dieser vakuumdominierte Kosmos kontrahiert irgendwann bis zu einem kleinen, aber endlichen Volumen, um daraufhin zu expandieren. Nun bildet sich unser gewohntes, strahlungs- und materiedominiertes Universum aus.</p><p> * Geht das herkömmliche Urknallmodell vom Big Crunch oder Big Whimper aus, findet Robert Caldwell eine weitere Variante des Big Rip ("Großes Zerreißen"). Unser aktuelles Wissen deutet mit hoher Wahrscheinlichkeit darauf hin, dass der Kosmos ewig expandieren wird (Big Whimper- Modell). Nach dem Big Rip könnte die Expansion jedoch zeitlich begrenzt sein, wenn eine exotische Form der schon befremdend genug anmutenden Dunklen Energie, die so genannte Phantom- Energie, künftig bis zu schier unendlich hohen Energiedichten anwächst. Die Folge davon wäre ein Zerreißen von allem, was sich im Universum befindet: Galaxien, Sterne, Planeten, Menschen, Hühner, ja selbst Atome und Elementarteilchen würden zerrissen! Einfach deshalb, weil diese Phantomenergie alle anderen Naturkräfte übertrumpft. Ein solches Ende des Universums könnte in etwa 50 Milliarden Jahren bevorstehen.</p><p> * Das Zyklische Universum nach Paul Steinhardt geht nicht von einer Singularität aus, sondern dass unser Kosmos eine Bran (abgeleitet von Membran) darstellt, die sich in einem aus 4 Raum- und einer Zeitdimension bestehendem Bulk- Universum bewegt. Diese Bran könnte mit einer anderen zusammenprallen, was eine Art Urknall auslöst. Nun expandieren beide Branen und entfernen sich gleichzeitig bis zu einer maximalen Distanz, um daraufhin wieder mit einer neuen Annäherungsphase zu beginnen.</p><p> * Ebenfalls von Paul Steinhardt stammt die Theorie des Ekpyrotischen Universums. Ähnlich wie im vorstehenden Modell kollidieren zwei Branen, bleiben jedoch aneinander "kleben" und die ernorme, freigesetzte Energie bildet den Urzustand unseres Universums.</p><p> * Ein Universum kann gewissermaßen auch aus sich selbst entstehen, meinen Richard Gott III und Li-Xin Li. Nämlich dann, wenn die Zeit nicht immer in derselben gewohnten Richtung - linear - geflossen ist, sondern einmal kreisförmig verlief, in sich geschlossen. War das der Fall, so ist irgendwann diese Zeitschleife aufgebrochen und verläuft seitdem linear in die Zukunft. Das Universum hätte damit einen Anfang gehabt, wäre aus sich selbst entstanden und nicht aus einem Anfangszustand.</p><p></p><p>Es gibt noch eine ganze Reihe weiterer Ideen zur Entstehung und Zukunft des Universums, die genannten sollen zur Orientierung aber genügen. Alle Modelle basieren auf der Allgemeinen Relativitätstheorie oder gehen von einer noch nicht gefundenen Theorie der Quantengravitation aus. Mehr oder weniger sind das alles Spekulationen, wenn auch auf hohem wissenschaftlichen Niveau, jedoch ist keine der gemachten Aussagen in irgendeiner Form nachprüfbar. Was wir aber machen können, ist eine fundierte Analyse der WMAP- Daten, die uns wenigstens etwas über die Frühzeit unseres Universums verrät. Eines steht jedenfalls fest: Alle gemachten Beobachtungen weisen darauf hin, dass einst unser gesamtes Universum aus einem winzig kleinen Raumgebiet entstand.</p><p>Der 'wahre' Auslöser des Urknalls</p><p></p><p>Musik im Kosmos</p><p></p><p>Wie bereits oben gezeigt, entdeckte Cobe Schwankungen in der kosmischen Hintergrundstrahlung. Noch aufregender sind die Details winziger lokaler Schwankungen, die der Satellit WMAP fand. In nachstehendem Bild sehen wir eine höhere Auflösung einer WMAP- Aufnahme:</p><p></p><p>Die Schwankungen des Mikrowellenhintergrundes entsprechen den Erwartungen des kosmologischen Standardmodells. Ende der 1960er Jahre erkannte Philip James Edwin Peebles, dass der CMB feine Schwankungen aufweisen müsste. Unabhängig davon kamen zur selben Zeit die Moskauer Astrophysiker Yakov Borisovich Seldowitsch und Rashid A. Sunjajew zur selben Voraussage. Die feinen Schwankungen, Fluktuationen der Dichte des frühen, sehr heißen Plasmas aus Photonen und den Elementarteilchen, pflanzten sich wie in einem normalen Gas fort. Das waren sich ausbreitende Folgen von Verdichtungen und Verdünnungen. Wenn so etwas in der uns umgebenden Luft stattfindet, so nennen wir dies Schall, und nichts anderes durchlief damals den Kosmos. Zur Zeit der Rekombination, als die Photonen nicht mehr an der Materie streuten, wurde das von den Schallwellen erzeugte Muster im CMB fixiert, quasi eingefroren.</p><p></p><p>Die Entwicklung des UniversumsDer charakteristische Klang eines Musikinstrumentes entsteht, weil zur Grundschwingung eines Tones zahlreiche Obertöne entstehen. Das sind Schwingungen mit z.B. ½ oder ¼ der Grundwellenlänge, also einem ganzzahligen Vielfachen. Auch die Schallwellen im Universum wiesen solche Obertöne auf. Wenn sich Schall in einem Medium ausbreitet, so geschieht dies durch Stöße einzelner Teilchen. Ist die Wellenlänge kleiner als die Distanz der einzelnen Teilchen, kommt die Welle zum Erliegen, da sie sich nicht mehr fortpflanzen kann. In der Luft sind diese Abstände winzig klein, im frühen Kosmos, der durch eine inflationäre Phase ungeheuer aufgebläht war (dazu später mehr), waren die Teilchenabstände bereits auf 10 000 Lichtjahre angewachsen. Zu dieser Zeit, der Rekombination, manifestierten sich die Schallwellen in der Hintergrundstrahlung. Die Größe der heißen und kalten Flecken verraten den Kosmologen nun die Frequenzen der Schallwellen. Die größten Strukturen zur Zeit der Rekombination hatten Durchmesser von 1 Million Lichtjahren und sind durch die Expansion auf heute 1 Milliarde Lichtjahre angewachsen. Diese heißen und kalten Flecken entsprechen der Grundschwingung, während kleinere Details auf die Obertöne schließen lassen.</p><p></p><p>Aus diesen auf den ersten Blick so unscheinbaren Flecken können die Kosmologen noch viel mehr ableiten. Durch die Schallwelle und uns als Beobachter wird ein Dreieck aufgespannt, und man kann daraus errechnen, wie groß die Winkelsumme ist. Wozu? Nun, nur die Winkelsumme in einem euklidischen Dreieck beträgt exakt 180°, ist die Raumzeit des Universums dagegen positiv oder negativ gekrümmt ist sie kleiner oder größer. Das ist direkt abhängig von der Energiedichte des Kosmos, die den Messungen nach nahe der kritischen Dichte von 10-29 [g/cm3] liegt. Demnach leben wir in einem offenen, ewig expandierenden Universum, denn unser Kosmos ist euklidisch!</p><p></p><p>In der zu sehenden Bildsequenz werden verschiedene Entwicklungsphasen des Universums dargestellt. Die Hintergrundstrahlung kennen wir schon. Aus den Fluktuationen bilden sich nun materieverdichtete Zonen und verdünnte Räume. Die Schwerkraft sorgt dafür, dass sich nun mehr und mehr Materie in bestimmten Strukturen anordnet und die verdünnten voids, die riesigen Leerräume, immer mehr leergefegt werden. Galaxienhaufen strukturieren sich, erste Sterne zünden bereits 200 Millionen Jahre nach dem Urknall und Galaxien bilden sich aus.</p><p></p><p>Die Strukturen der Hintergrundstrahlung haben den Kosmologen noch eine weitere Bestätigung ihres Modells der Entwicklung des Universums geliefert. Wir wissen heute, dass die Masse der leuchtenden Materie - also Sterne, Galaxien oder Gaswolken - den geringsten Anteil am Aufbau des Universums hat. Dabei haben die Sterne noch den kleinsten Anteil, die Hauptmasse ist in den Gaswolken versammelt. Aus differenzierten Analysen der Oberton- Schallwellen konnte man nun den Aufbau des Universums sehr genau bestimmen. Die sichtbare Materie macht demnach nur etwa 4% aus. Schon lange bekannt ist die Existenz einer für uns unsichtbaren Dunklen Materie, was man z.B. durch Messungen von Bahngeschwindigkeiten der Sterne in Galaxien ableiten kann. Ihr Anteil liegt bei 23%.</p><p></p><p>Aufbau des UniversumsUnserem heutigen Verständnis nach bildete die Dunkle Materie zur Zeit der Rekombination filamentartige Strukturen aus. Weil sie seinerzeit der dominante Part im Universum war, musste sich aufgrund ihrer gravitativen Wirkung alle Materie entlang dieser Strukturen anordnen. Der Löwenanteil aber von 73% kommt den Auswertungen der WMAP- Wissenschaftler zufolge heute der mysteriösen Dunklen Energie zu. Durch die Beobachtung und genaue Entfernungsbestimmung von Supernovae in den vergangenen Jahren müssen wir uns mit dem Gedanken anfreunden, dass sich die Expansion des Kosmos weiter beschleunigt. Die treibende Kraft für diesen Effekt stellt die Dunkle Energie dar. Sie ist eines der größten Rätsel der modernen Kosmologie. Vielleicht löst sich dieses jedoch in Luft auf, wenn einer neuen Überlegung zufolge diese Dunkle Energie aus Gravitationswellen des frühen Universums besteht...</p><p></p><p>Das Standardmodell</p><p></p><p>Häufig wird die Frage gestellt, wo denn im Universum der Ort zu finden ist, an dem der Urknall stattfand. Gibt es ihn tatsächlich? Wer das vorherige Kapitel gelesen hat kann die Antwort vielleicht schon geben: Einen solchen Ort gibt es nicht. Den Urknall selbst kann keine physikalische Theorie beschreiben, aber wir wissen, dass erst mit ihm die Materie, Raum und Zeit entstanden. Welche der z.T. recht fantasievollen Spekulationen auch zutreffen mag, alles deutet darauf hin, dass unser Kosmos einmal in einem unfassbar kleinen Zustand begann. Dieses winzige Etwas expandierte irgendwann (der Begriff irgendwann ist an sich schon irreführend, da er eine Zeitangabe macht. Die Zeit entstand jedoch erst mit dem Urknall) und durch irgendeinen Auslöser. Wir befinden uns heute irgendwo mitten in diesem Geschehen, und damit ist der Ort des Urknalls überall im Universum, er ist das Universum.</p><p></p><p>Sehen wir uns aber nun die Geschichte des Kosmos ein wenig näher an, das Standardmodell zur Entstehung des Universums.</p><p></p><p>Viele Gründe sprechen heute für dieses Standardmodell:</p></blockquote><p></p>
[QUOTE="H2SO4, post: 91613, member: 2506"] [COLOR=red]Der Kosmos:[/COLOR] Die Galaxienflucht Wir wissen heute aufgrund vieler Beobachtungsdaten, dass unser Universum irgendwann in der Vergangenheit einen Anfang hatte. Es existiert nicht seit ewigen Zeiten, sondern ist mit 13,7 Milliarden Jahren sogar als noch recht jung zu bezeichnen. Bis zu Einsteins revolutionären Gedanken nahm man Raum und Zeit als unveränderliche Größen hin, ja man sah das gesamte Universum als beständige, sich in alle Ewigkeit nie ändernde Einrichtung. Für uns fast unbegreiflich, bestand das gesamte Universum bis in die frühen Jahre des 20. Jahrhunderts lediglich aus der Milchstraße, zu der auch die seltsamen "Nebelflecke" gehörten. Erst als man diese als eigenständige Sternsysteme - weit entfernte Galaxien - erkannte, begann man die ungeheure Ausdehnung des Kosmos zu erahnen. Der erste Schrecken über Einsteins neue Erkenntnisse war noch nicht ganz überwunden (er glaubte selbst anfangs noch an ein statisches, unveränderliches Universum), Edwin Hubble entdeckte Edwin Hubble (1889 bis 1953) 1929 aufgrund seiner Messungen der Rotverschiebungen, dass sich (fast) alle Galaxien im Universum von uns und voneinander entfernen. Das gab bereits einen ersten Hinweis auf einen gemeinsamen Ursprung. Hubble hatte sich inzwischen einen Namen gemacht, als er 1923 am Mount-Wilson-Observatorium nachwies, dass die Andromeda- Galaxie M 31 weit außerhalb der Milchstraße liegt und ein eigenständiges Sternsystem ist. Erstmals konnte er auch die Entfernung zur Andromeda- Galaxie bestimmen, wenn auch aufgrund der damaligen Ungenauigkeit der Abstand mit 1,5 Millionen Lichtjahren viel zu gering war. Aus den Messungen der Rotverschiebungen leitete Hubble auch seinen wichtigsten Beitrag ab, die Hubble- Konstante. Durch sie war jetzt klar geworden, dass wir in einem expandierenden Universum leben. Grund für die Flucht der Galaxien voneinander ist nicht eine gemeinsame, gerichtete Eigenbewegung. Vielmehr werden sie quasi durch den sich ausdehnenden Raum mitgerissen. Um sich dies besser verdeutlichen zu können, wird vielfach das Beispiel eines Hefeteigs mit Rosinen verwendet. Wenn der (Raum-)Teig aufgeht, sich also ausdehnt, werden die (Galaxien-)Rosinen dabei mitgenommen und alle entfernen sich voneinander. Es ist bei einer solchen RaumTeig- Expansion nicht möglich, dass sich zwei GalaxienRosinen einander nähern! Doch gibt es auch Ausnahmefälle im All, nämlich dann, wenn sich zwei Galaxien gravitationsbedingt nähern und sogar kollidieren können. Das steht beispielsweise unserer Milchstraße in etwa 3 Milliarden Jahren bevor, wenn sie mit der Andromeda- Galaxie verschmelzen wird. 1948 veröffentlichte der Wissenschaftler George Gamow (1904 bis 1968) seine Theorie eines heißen Anfangs des Weltalls, nach der alles in einem heißen Urbrei (er nannte dies Ylem) begann, der irgendwann expandierte. George Gamov Den entscheidenden Beweis für den Urknall lieferten dann 1965 zwei US- Ingenieure (Arno Penzias und Robert Wilson), als sie die so genannte 3 [K]- Hintergrundstrahlung (exakter: 2,725 [K], entsprechend rund -270 [°C]) entdeckten (zur Strahlung eines Körpers siehe auch Schwarzer Körper). Gamow hatte in seiner Theorie bereits vorhergesagt, dass aus dem von Strahlung dominierten Urbrei auch heute noch Reste vorhanden sein sollten. Die hier nun entdeckte neue Strahlung im Mikrowellenbereich kam aus allen Himmelsrichtungen mit gleicher Intensität (obwohl heute bekannt ist, dass die Strahlung entsprechend dem weiter unten beschriebenen Standardmodell in verschiedenen Richtungen um einige Tausendstel [K] differiert). Möchten Sie diese Strahlung einmal sehen? Schalten Sie den Fernseher ein, ohne dass ein Sender eingestellt ist. Etwa 1% des "Schneegeflimmers" auf dem Bildschirm stammt aus der kosmischen Hintergrundstrahlung! Feinste Unterschiede der Hintergrundstrahlung Nebenstehendes Bild zeigt, wie der Satellit COBE (Cosmic Background Explorer) 1992 die feinen Unterschiede - bis zu einem Hunderttausendstel [K] - der Hintergrundstrahlung "sah". Wärmere Regionen erscheinen rot, kältere blau. In dieser Ansicht zieht sich die galaktische Ebene horizontal durch die Bildmitte. Dieses Bild ist eine Zeitreise in die jüngste Vergangenheit des Universums, weiter können wir nicht zurück blicken. Der Mikrowellenhintergrund (CMB, Cosmic Microwave Background) und die Galaxienflucht sind neben einigen anderen überzeugende Argumente dafür, dass alles, was unser Universum enthält, einmal in einem winzig kleinen Raumgebiet komprimiert war und es dort einen Beginn der Expansion gab. Im Jahre 2001 wurde die Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) in eine Sonnen- Umlaufbahn gebracht. Die Empfindlichkeit und das Auflösungsvermögen dieses Geräts waren gegenüber COBE deutlich gesteigert worden, WMAP hatte bei einer Auflösung von 0,3° × 0,3° eine Empfindlichkeit von max. 20 [µK], das sind 20 Millionstel [K]! Rot in diesem Bild des Himmels bedeutet wärmer, blau kälter. Nun mag man auf den ersten Blick denken "Aha, ein nettes Bild, aber was sehe ich hier?" Zunächst einmal ist das die Ansicht des Universums, als es gerade 379 000 Jahre alt war. Zu diesem Zeitpunkt war der Kosmos bereits auf etwa 3000 [K] abgekühlt. Bis hin zu dieser Temperatur lag alle Materie vollständig ionisiert vor, d.h. es existierten noch keine Atome, sondern Protonen, Neutronen und Elektronen führten ein eigenständiges Leben. Das aber war von der Strahlung beherrscht! Die Photonen der Strahlung kollidierten ständig mit den Teilchen, wurden von ihnen absorbiert, sogleich wieder emittiert und erneut absorbiert usw. Diese Streuung der Photonen "glättete" das noch junge Universum, geringe Schwankungen der Dichte und Temperatur wurden sogleich ausgeglichen. Nun aber, ab 3000 [K], änderte sich schlagartig alles! Die Protonen konnten jetzt die Elektronen einfangen und Atome bilden (überwiegend Wasserstoff und Helium). Die Streuung der Photonen an den geladenen Teilchen hörte damit schlagartig auf und das Universum wurde durchsichtig. Denn nun konnten die Photonen frei ihrer Wege ziehen und sich ungehindert bewegen. Genau diesen Moment der kosmischen Geschichte sehen wir auf dem Bild. Sterne oder Galaxien konnten zu diesem frühen Zeitpunkt noch gar nicht existieren und sind deshalb auch nicht zu sehen. Wieso aber sind die feinen Temperaturunterschiede so wichtig für uns, dass man solch kostspielige und empfindliche Geräte wie die WMAP entwickelte? Nun, der Theorie zufolge sollten im jungen Kosmos geringe Schwankungen der Dichte bzw. Temperatur auftreten, die so genannten Fluktuationen. Wie schon gesagt, wurden sie durch den Strahlungsdruck lange Zeit geglättet. Nach der Rekombination, der Vereinigung von Elektronen und Protonen war das nicht mehr der Fall und die Fluktuationen "froren" aus. Aus den etwas dichteren, heißeren Zonen sollten sich später die Galaxienhaufen bilden, die etwas dünneren Gebiete wurden dann zu den großen Leerräumen, die wir heute beobachten. Doch zunächst wollen wir sehen, wie und woraus das Universum überhaupt entstehen konnte. Geburt aus dem Nichts? Was war vor dem Urknall, was also vor dem Beginn unseres Universums? Das ist eine der am häufigsten gestellten Fragen, auf die es keine nachprüfbare Antwort geben kann. Lassen wir zunächst vor unserem geistigen Auge den Film der kosmischen Entwicklung rückwärts laufen. Das All zieht sich dabei immer mehr zusammen, bis alles schließlich in einem winzigen, fast unendlich kleinen Punkt verschwindet, der Singularität. Diese würde entstehen, wenn wir alles bis zum Zeitpunkt Null zurück rechnen. Die Frage ist dabei, gibt es überhaupt Singularitäten im Kosmos? Wenn ja, erübrigt sich die Suche nach dem DAVOR, denn wir wissen nicht, durch welchen Prozess solch eine Singularität entstehen könnte. Es gibt aber viele andere Möglichkeiten, die von verschiedenen Wissenschaftlern in Betracht gezogen werden und die z.T. auch gleich eine Aussage über die künftige Entwicklung mitliefern: * Gabriele Veneziano/Maurizio Gasperini gehen von der Superstringtheorie aus und postulieren ein Stringvakuum als einfachsten Grundzustand. Wie wir wissen, ist das Quantenvakuum Fluktuationen ausgesetzt, und irgendwann könnte sich eine höchst kritische Energiedichte ausbilden. Das kann zu einem Kollaps führen und zum Abschnüren eines Universums. Nach diesem Modell könnte es unzählige Kosmen geben. * Albert Einstein ging noch von einem statischen Universum aus. Es war immer da und bleibt ewig so, wie es ist. Einstein verwarf diesen Gedanken jedoch nach Hubbles Entdeckungen. * Fred Hoyle, Thomas Gold und Hermann Bondi vertraten weiterhin die Steady State Theorie, die ebenfalls von einem nahezu unveränderlichen All ausgeht. Da die Galaxien auseinander driften, postulieren sie ein "Schöpfungsfeld", welches die Expansion verursacht und aus dem genau soviel Materie erschaffen wird (aus der neue Galaxien gebildet werden), wie Galaxien aus dem Universum durch die Expansion verschwinden. Nach einer Neufassung dieser Theorie, der Quasi-Steady-StateTheorie, an der auch Geoffrey Burbidge beteiligt war, gibt es kein umfassendes Schöpfungsfeld mehr und auch keine gleichmäßige expansive Entwicklung (Big Stream) des Universums, sondern lokale Schöpfungsfelder, die spontan Materie (Wasserstoffatome) hervorbringen. Übrigens stammt der Begriff Big Bang (Urknall) von Fred Hoyle, der ihn allerdings mehr als Schimpfwort für die Gegner seiner Theorie verstand. * Stephen Hawking, Alexander Friedmann und Roger Penrose offerieren uns den Urknall (Big Bang). Wie der Fantasy- Autor Terry Pratchett formuliert: Am Anfang war das Nichts - und das ist dann explodiert Der Kosmos entstand demnach aus einer Singularität, wie schon angedeutet und expandiert seitdem. Ist die Massendichte des Universums groß genug, wird aufgrund der Eigengravitation die Expansion irgendwann gestoppt und umgedreht. Das All implodiert wieder bis zur Singularität im so genannten Big Crunch ("Grosses Knirschen"). Eine andere Version des Urknalls geht vom Big Whimper ("Grosses Wimmern") aus. Die Eigengravitation des Kosmos ist zu klein, um die Expansion anzuhalten, so dass es ewig expandiert und den Kältetod stirbt. * Ein anderes Modell, der Big Bounce ("Großer Aufprall") wurde von W. Priester, H.-J. Blome, J. Hoell 1989 entwickelt. Hier geht man von einem unendlich ausgedehnten, homogenen und materiefreien Anfangsuniversum aus, bestehend aus einem hochenergetischen Quantenvakuum. Dieser vakuumdominierte Kosmos kontrahiert irgendwann bis zu einem kleinen, aber endlichen Volumen, um daraufhin zu expandieren. Nun bildet sich unser gewohntes, strahlungs- und materiedominiertes Universum aus. * Geht das herkömmliche Urknallmodell vom Big Crunch oder Big Whimper aus, findet Robert Caldwell eine weitere Variante des Big Rip ("Großes Zerreißen"). Unser aktuelles Wissen deutet mit hoher Wahrscheinlichkeit darauf hin, dass der Kosmos ewig expandieren wird (Big Whimper- Modell). Nach dem Big Rip könnte die Expansion jedoch zeitlich begrenzt sein, wenn eine exotische Form der schon befremdend genug anmutenden Dunklen Energie, die so genannte Phantom- Energie, künftig bis zu schier unendlich hohen Energiedichten anwächst. Die Folge davon wäre ein Zerreißen von allem, was sich im Universum befindet: Galaxien, Sterne, Planeten, Menschen, Hühner, ja selbst Atome und Elementarteilchen würden zerrissen! Einfach deshalb, weil diese Phantomenergie alle anderen Naturkräfte übertrumpft. Ein solches Ende des Universums könnte in etwa 50 Milliarden Jahren bevorstehen. * Das Zyklische Universum nach Paul Steinhardt geht nicht von einer Singularität aus, sondern dass unser Kosmos eine Bran (abgeleitet von Membran) darstellt, die sich in einem aus 4 Raum- und einer Zeitdimension bestehendem Bulk- Universum bewegt. Diese Bran könnte mit einer anderen zusammenprallen, was eine Art Urknall auslöst. Nun expandieren beide Branen und entfernen sich gleichzeitig bis zu einer maximalen Distanz, um daraufhin wieder mit einer neuen Annäherungsphase zu beginnen. * Ebenfalls von Paul Steinhardt stammt die Theorie des Ekpyrotischen Universums. Ähnlich wie im vorstehenden Modell kollidieren zwei Branen, bleiben jedoch aneinander "kleben" und die ernorme, freigesetzte Energie bildet den Urzustand unseres Universums. * Ein Universum kann gewissermaßen auch aus sich selbst entstehen, meinen Richard Gott III und Li-Xin Li. Nämlich dann, wenn die Zeit nicht immer in derselben gewohnten Richtung - linear - geflossen ist, sondern einmal kreisförmig verlief, in sich geschlossen. War das der Fall, so ist irgendwann diese Zeitschleife aufgebrochen und verläuft seitdem linear in die Zukunft. Das Universum hätte damit einen Anfang gehabt, wäre aus sich selbst entstanden und nicht aus einem Anfangszustand. Es gibt noch eine ganze Reihe weiterer Ideen zur Entstehung und Zukunft des Universums, die genannten sollen zur Orientierung aber genügen. Alle Modelle basieren auf der Allgemeinen Relativitätstheorie oder gehen von einer noch nicht gefundenen Theorie der Quantengravitation aus. Mehr oder weniger sind das alles Spekulationen, wenn auch auf hohem wissenschaftlichen Niveau, jedoch ist keine der gemachten Aussagen in irgendeiner Form nachprüfbar. Was wir aber machen können, ist eine fundierte Analyse der WMAP- Daten, die uns wenigstens etwas über die Frühzeit unseres Universums verrät. Eines steht jedenfalls fest: Alle gemachten Beobachtungen weisen darauf hin, dass einst unser gesamtes Universum aus einem winzig kleinen Raumgebiet entstand. Der 'wahre' Auslöser des Urknalls Musik im Kosmos Wie bereits oben gezeigt, entdeckte Cobe Schwankungen in der kosmischen Hintergrundstrahlung. Noch aufregender sind die Details winziger lokaler Schwankungen, die der Satellit WMAP fand. In nachstehendem Bild sehen wir eine höhere Auflösung einer WMAP- Aufnahme: Die Schwankungen des Mikrowellenhintergrundes entsprechen den Erwartungen des kosmologischen Standardmodells. Ende der 1960er Jahre erkannte Philip James Edwin Peebles, dass der CMB feine Schwankungen aufweisen müsste. Unabhängig davon kamen zur selben Zeit die Moskauer Astrophysiker Yakov Borisovich Seldowitsch und Rashid A. Sunjajew zur selben Voraussage. Die feinen Schwankungen, Fluktuationen der Dichte des frühen, sehr heißen Plasmas aus Photonen und den Elementarteilchen, pflanzten sich wie in einem normalen Gas fort. Das waren sich ausbreitende Folgen von Verdichtungen und Verdünnungen. Wenn so etwas in der uns umgebenden Luft stattfindet, so nennen wir dies Schall, und nichts anderes durchlief damals den Kosmos. Zur Zeit der Rekombination, als die Photonen nicht mehr an der Materie streuten, wurde das von den Schallwellen erzeugte Muster im CMB fixiert, quasi eingefroren. Die Entwicklung des UniversumsDer charakteristische Klang eines Musikinstrumentes entsteht, weil zur Grundschwingung eines Tones zahlreiche Obertöne entstehen. Das sind Schwingungen mit z.B. ½ oder ¼ der Grundwellenlänge, also einem ganzzahligen Vielfachen. Auch die Schallwellen im Universum wiesen solche Obertöne auf. Wenn sich Schall in einem Medium ausbreitet, so geschieht dies durch Stöße einzelner Teilchen. Ist die Wellenlänge kleiner als die Distanz der einzelnen Teilchen, kommt die Welle zum Erliegen, da sie sich nicht mehr fortpflanzen kann. In der Luft sind diese Abstände winzig klein, im frühen Kosmos, der durch eine inflationäre Phase ungeheuer aufgebläht war (dazu später mehr), waren die Teilchenabstände bereits auf 10 000 Lichtjahre angewachsen. Zu dieser Zeit, der Rekombination, manifestierten sich die Schallwellen in der Hintergrundstrahlung. Die Größe der heißen und kalten Flecken verraten den Kosmologen nun die Frequenzen der Schallwellen. Die größten Strukturen zur Zeit der Rekombination hatten Durchmesser von 1 Million Lichtjahren und sind durch die Expansion auf heute 1 Milliarde Lichtjahre angewachsen. Diese heißen und kalten Flecken entsprechen der Grundschwingung, während kleinere Details auf die Obertöne schließen lassen. Aus diesen auf den ersten Blick so unscheinbaren Flecken können die Kosmologen noch viel mehr ableiten. Durch die Schallwelle und uns als Beobachter wird ein Dreieck aufgespannt, und man kann daraus errechnen, wie groß die Winkelsumme ist. Wozu? Nun, nur die Winkelsumme in einem euklidischen Dreieck beträgt exakt 180°, ist die Raumzeit des Universums dagegen positiv oder negativ gekrümmt ist sie kleiner oder größer. Das ist direkt abhängig von der Energiedichte des Kosmos, die den Messungen nach nahe der kritischen Dichte von 10-29 [g/cm3] liegt. Demnach leben wir in einem offenen, ewig expandierenden Universum, denn unser Kosmos ist euklidisch! In der zu sehenden Bildsequenz werden verschiedene Entwicklungsphasen des Universums dargestellt. Die Hintergrundstrahlung kennen wir schon. Aus den Fluktuationen bilden sich nun materieverdichtete Zonen und verdünnte Räume. Die Schwerkraft sorgt dafür, dass sich nun mehr und mehr Materie in bestimmten Strukturen anordnet und die verdünnten voids, die riesigen Leerräume, immer mehr leergefegt werden. Galaxienhaufen strukturieren sich, erste Sterne zünden bereits 200 Millionen Jahre nach dem Urknall und Galaxien bilden sich aus. Die Strukturen der Hintergrundstrahlung haben den Kosmologen noch eine weitere Bestätigung ihres Modells der Entwicklung des Universums geliefert. Wir wissen heute, dass die Masse der leuchtenden Materie - also Sterne, Galaxien oder Gaswolken - den geringsten Anteil am Aufbau des Universums hat. Dabei haben die Sterne noch den kleinsten Anteil, die Hauptmasse ist in den Gaswolken versammelt. Aus differenzierten Analysen der Oberton- Schallwellen konnte man nun den Aufbau des Universums sehr genau bestimmen. Die sichtbare Materie macht demnach nur etwa 4% aus. Schon lange bekannt ist die Existenz einer für uns unsichtbaren Dunklen Materie, was man z.B. durch Messungen von Bahngeschwindigkeiten der Sterne in Galaxien ableiten kann. Ihr Anteil liegt bei 23%. Aufbau des UniversumsUnserem heutigen Verständnis nach bildete die Dunkle Materie zur Zeit der Rekombination filamentartige Strukturen aus. Weil sie seinerzeit der dominante Part im Universum war, musste sich aufgrund ihrer gravitativen Wirkung alle Materie entlang dieser Strukturen anordnen. Der Löwenanteil aber von 73% kommt den Auswertungen der WMAP- Wissenschaftler zufolge heute der mysteriösen Dunklen Energie zu. Durch die Beobachtung und genaue Entfernungsbestimmung von Supernovae in den vergangenen Jahren müssen wir uns mit dem Gedanken anfreunden, dass sich die Expansion des Kosmos weiter beschleunigt. Die treibende Kraft für diesen Effekt stellt die Dunkle Energie dar. Sie ist eines der größten Rätsel der modernen Kosmologie. Vielleicht löst sich dieses jedoch in Luft auf, wenn einer neuen Überlegung zufolge diese Dunkle Energie aus Gravitationswellen des frühen Universums besteht... Das Standardmodell Häufig wird die Frage gestellt, wo denn im Universum der Ort zu finden ist, an dem der Urknall stattfand. Gibt es ihn tatsächlich? Wer das vorherige Kapitel gelesen hat kann die Antwort vielleicht schon geben: Einen solchen Ort gibt es nicht. Den Urknall selbst kann keine physikalische Theorie beschreiben, aber wir wissen, dass erst mit ihm die Materie, Raum und Zeit entstanden. Welche der z.T. recht fantasievollen Spekulationen auch zutreffen mag, alles deutet darauf hin, dass unser Kosmos einmal in einem unfassbar kleinen Zustand begann. Dieses winzige Etwas expandierte irgendwann (der Begriff irgendwann ist an sich schon irreführend, da er eine Zeitangabe macht. Die Zeit entstand jedoch erst mit dem Urknall) und durch irgendeinen Auslöser. Wir befinden uns heute irgendwo mitten in diesem Geschehen, und damit ist der Ort des Urknalls überall im Universum, er ist das Universum. Sehen wir uns aber nun die Geschichte des Kosmos ein wenig näher an, das Standardmodell zur Entstehung des Universums. Viele Gründe sprechen heute für dieses Standardmodell: [/QUOTE]
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