Kosmos

Was können wir wie über den Kosmos erfahren?

Mit dem Kosmos können wir nicht experimentieren. Wir können nur alles, was darin existiert und vorgeht, beobachten und zwar fast ausschließlich durch die elektromagnetische Strahlung, die uns erreicht. Während die Beobachtungen bis zum Beginn des 20. Jahrhunderts auf das sichtbare Licht beschränkt waren, haben wir jetzt Teleskope, die das volle elektromagnetische Spektrum von Radiowellen bis zur Gammastrahlung aufnehmen können. Dies hat die Datenmenge vervielfacht und zur Entdeckung völlig neuer Objekte geführt. Die Vielfalt der Himmelskörper und Strukturen im Weltraum wird in den Beiträgen über “Sterne” und “Galaxien” beschrieben.

Durch die Spektralanalyse der Strahlung ist es möglich, die Häufigkeitsverteilung der chemischen Elemente im Kosmos zu bestimmen. Mehr als 99% aller Atome sind zwei Gase, nämlich Wasserstoff (92%) und Helium (7%). Alle anderen Atome von Lithium bis Uran machen nur das restliche eine Prozent aus. Diese sind fast ausschließlich in den Sterne entstanden. Sie sind jedoch enorm wichtig, um überhaupt Leben im Universum zu ermöglichen.

Zusätzlich zu den materiellen Objekten wurde 1965 die kosmische Hintergrundstrahlung im Millimeterwellenbereich entdeckt, die den ganzen Kosmos erfüllt . Sie entspricht mit sehr großer Genauigkeit einer Schwarzkörperstrahlung mit einer mittleren Temperatur von 2.73 K.

Alle theoretischen Modelle für die Struktur und Entwicklung des Kosmos, die im folgenden besprochen werden, hängen entscheidend von den Größen und der räumlichen Verteilung der Galaxien, von der Häufigkeit der Elemente und von den detaillierten Eigenschaften der Hintergrundsstrahlung ab.

Existierte das Universum schon immer so wie jetzt?

Nein, sicher nicht! Bereits bei der Vermessung der neu entdeckten Galaxien nach 1920 bemerkte E. Hubble, dass ihr Licht umso mehr zum langwelligen Teil des Spektrums verschoben war, je weiter sie entfernt waren (“Rotverschiebung”). Die Interpretation dieser Verschiebung als Ausdehnung des Universums mit nach Entfernung zunehmender Geschwindigkeit wurde zur entscheidenden Grundlage der modernen Kosmologie.

Nach dieser Hypothese musste ja das Universum früher kleiner gewesen sein als heute und eine einfache Rückrechnung ergäbe eine Konzentration des gesamten Universums in einem Punkt vor knapp 14 Milliarden Jahren! Weiters folgt aus dieser Hypothese, dass sich ab einer bestimmten Entfernung der Abstand der Galaxien mit Lichtgeschwindigkeit vergrößert. Alles im Universum, was jenseits dieses “Horizonts” existiert, kann von uns prinzipiell nicht beobachtet werden. (Dies ist kein Widerspruch zur Relativitätstheorie, da sich die Galaxien nicht wirklich “bewegen”, sondern der Raum sich ausdehnt.)

Die das Geschehen im Weltraum dominierende Kraft ist die Gravitation. Nun hatte Einstein kurz vor Hubbles Entdeckung die Allgemeine Relativitätstheorie formuliert, die unter der vereinfachenden Annahme einer gleichmäßigen Massendichte auf das gesamte Universum angewandt werden konnte. Dieses mathematisch-physikalische Rüstzeug bot nun den Rahmen für die genaue Untersuchung der Hypothese eines expandierenden Universums, die schließlich zur Big Bang oder Urknall-Theorie führte.

Die Big Bang Theorie

Die Big Bang Theorie versucht eine Beschreibung der Entwicklung des Universums von seiner Entstehung vor 13,7 Milliarden Jahren bis zu seinem jetzigen Zustand. Das heutige Wissen über die verschiedenen Phasen dieser Entwicklung ist allerdings so unterschiedlich, dass es angebracht ist, sie in drei Abschnitte zu unterteilen.

Über den ersten Abschnitt vom Zeitpunkt der Entstehung bis zu etwa einer zehntel billionstel Sekunde gibt es keine experimentellen Daten sondern nur eine Vielzahl von theoretischen Modellen. Im zweiten Zeitabschnitt bis etwa 300.000 Jahren herrschten Energiedichten, wie sie in Atom-, Kern- und Teilchenphysik untersucht werden. Der dritte Abschnitt beginnt bei 300.000 Jahren, wenn sich Kerne und Elektronen zu neutralen Atomen verbinden und die Materie sich unter dem Einfluss der Gravitation in die beobachteten Strukturen organisiert. Parallel dazu kühlte sich die Hintergrundsstrahlung von einer mittleren Temperatur von 3000 K zu Beginn der dritten Phase kontinuierlich und praktisch ungestört auf die heutige Temperatur ab.

In dieser letzten Phase entstehen die ersten Galaxien in der Zeit zwischen einer halben Million bis einer Milliarde Jahre nach der Entstehung des Universums. Die zuletzt von Infrarotteleskopen im Weltraum entdeckten Galaxien mit einem geschätzten Alter von 13 Milliarden Jahren unterstützen diese Theorie.

Die zweite Phase lassen wir mit jenem Zeitpunkt beginnen, ab dem wir das Geschehen mit unserem Wissen über Elementarteilchen und ihre Reaktionen beschreiben können. Bei einem Zehntel Billionstel Sekunden nach dem Urknall ist die Energiedichte so groß, wie sie in Teilchenbeschleunigern (z.B. im Large Hadron Collider am CERN bei Genf) erreicht wird. Die Quarks sind noch nicht in Hadronen gebunden und bilden mit den Leptonen und den Austauschteilchen der drei Kräfte (Photonen, Vektorbosonen und Gluonen) die grundlegenden Bausteine der Teilchenphysik. Mit diesem Wissen ist es nun möglich, die Entwicklung des Kosmos von diesem Zeitpunkt bis zur Bildung neutraler Wasserstoff- und Heliumatome im richtigen Verhältnis und im Gleichgewicht mit der Hintergrundsstrahlung zu beschreiben. Die Berechnung der Häufigkeit der verschiedenen Elemente ist ein wichtiges Ergebnis dieser Beschreibung (Nukleosynthese).

Der Erfolg der Teilchenphysik in der Erklärung der zweiten Phase der kosmischen Evolution hat zur Folge, dass alle Theorien für die erste Phase untrennbar mit jenen der Teilchenphysik verbunden sind. Die Idee der Vereinheitlichung aller Kräfte bei sehr hohen Energien lässt sich mit dem Konzept der “Inflation” des Kosmos verbinden, das die sonst unerklärliche Homogenität und Isotropie des Kosmos zu erklären versucht. Die Teilchenphysik gibt auch Hinweise, durch welche Prozesse das noch ungelöste Rätsel der Abwesenheit von Antimaterie im Kosmos erklärt werden könnte, sowie Kandidaten für die “Dunkle Materie”.

Die Einstein-Gleichungen sind bei unendlicher Energiedichte nicht mehr anwendbar, sodass die eigentliche Entstehung des Universums damit nicht erklärt werden kann. Es wird vermutet, dass für die allerersten Augenblicke die klassischen Begriffe von Raum und Zeit nicht mehr anwendbar sind und Quantenphänomene eine entscheidende Rolle spielen. Theorien und Spekulationen über diese Möglichkeiten (Multiversum, pulsierendes Universum….) sind in der Literatur zu finden.

Das Rätsel der Dunklen Energie und die Zukunft des Universums

Nach unserem heutigen Wissensstand reicht die Massendichte des Universums nicht aus, das Weltall nach einer maximalen Ausdehnung wieder schrumpfen zu lassen. Man sollte ja annehmen, dass die anziehende Schwerkraft die Ausdehnung der Galaxien mit der Zeit bremsen würde. Überraschenderweise zeigen aber astronomische Beobachtungen, dass sich das Universum sogar immer schneller ausdehnt. Die Energie, die dafür verantwortlich ist, nennt man "Dunkle Energie". Die Kosmologen und Astronomen haben jedoch bis jetzt keine Ahnung, woraus diese Dunkle Energie tatsächlich bestehen könnte.

Die Anziehung durch die Gravitation wird noch lange genug Energie liefern, um neue Sterne zu zünden. Irgendwann aber wird freier Wasserstoff als Rohstoff für die Kernfusion knapp werden und die durch die Ausdehnung des Kosmos sinkende Temperatur wird lokal durch Kernfusion nicht mehr aufrecht zu erhalten sein. Die meiste Materie wird in Weißen Zwergen, Neutronensternen und Schwarzen Löchern konzentriert sein. Heutigen Schätzungen zufolge sollte dieser Zustand bei einem Alter des Universums von 1014 Jahren erreicht sein, also wenn das Universum 10000 Mal so alt ist, wie jetzt. Es ist unwahrscheinlich, dass heute noch unbekannte physikalische Prozesse das Universum vor einem solchen “Kältetod” bewahren könnten.

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