Universum

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Liebt Gott die Asymetrie?

Frauenhofer-Linien

Vesto Slipher entdeckte um 1917 eine Rotverschiebung bei den Frauenhofer-Linien der fernen Galaxien. Frauenhofer-Linien sind - vereinfacht gesprochen - schwarze Streifen (Absorptions-Streifen) im Spektrum des Lichts eines Sternes. Sie kommen dadurch zustande, dass die Materie des Sterns bestimmte Wellenlängen "herausfiltert". Dadurch lassen sich Rückschlüsse auf die Elemente, die im Stern vorkommen, ziehen. Kennt man die Elemente eines Sternes (meistens Helium und Wasserstoff), so kann man Voraussagen über die typischen Frauenhofer-Linien machen (und v.a. in welchem Bereich des Farbspektrums sie sich befinden). Slipher stellte zu seiner Überraschung fest, dass die Frauenhofer-Linien zwar bei den uns umgebenden Galaxien im Verhältnis zueinander mit den rechnerischen Werten übereinstimmen, allerdings in den roten Wellenlängenbereich des Lichts verschoben sind.

Wie kommt nun diese Rotverschiebung zustande? Die einzige Erklärung hierfür ist der sog. Dopplereffekt. Dieser Effekt wird wirksam, wenn sich ein Sender einer Welle (Schallwelle, Lichtwelle, was in unserem Fall ein Stern oder eine Galaxie ist) sich relativ zum Beobachter (Erde) bewegt. Bewegt sich nun der Sender weg vom Beobachter, werden die Wellen in die "Länge gezogen" und in den roten Wellenbereich verschoben. Dies nennt man Rotverschiebung des Lichts. Ursache dieser Doppler-Rotverschiebung ist also eine Bewegung der Galaxien von uns weg (Die meisten Galaxien bewegen sich von der Erde fort). Rechnerisch ergibt sich aus dem Dopplereffekt für einige Spiralnebel eine Fluchtgeschwindigkeit von 6.5 *10⁶ km/h von unserem Sonnensystem.

Edwin Hubble entdeckte 1929, dass Galaxien mit zunehmender Distanz sich immer schneller von uns fortbewegen. Dabei ist der Abstand der Galaxie von der Erde proportional zu deren Fluchtgeschwindigkeit: 2x Abstand .... 2x Geschwindigkeit, 3x Abstand .... 3x Geschwindigkeit usw. Nun könnte man sich zu der Annahme verleiten lassen, dass wegen dieser Galaxienflucht unser Sonnensystem das Zentrum des Universums ist (weil alle Himmelskörper sich von uns fortbewegen). Diese Annahme ist aber falsch, wie wir später sehen werden. Tatsächlich expandiert der Kosmos.

Einstein missfiel der Gedanke eines dynamischen Universums. Um die Expansion (Galaxienflucht) zu erklären, führte er die kosmologische Konstante Lambda ein, die er später als "größte Eselei seines Lebens" bezeichnete. Das Weltraumteleskop Hubble bestätigte allerdings viele Jahre nach Einsteins Tod die Expansion des Alls. Im relativistischen Weltmodell ist die Galaxienflucht ein Anzeichen für die Ausdehnung der Raumzeit an sich.

Anschaulich kann man die Expansion der Raumzeit mit dem Aufblasen eines Luftballons vergleichen. Dazu müssen wir unseren 3-dimensionalen Raum auf die Oberfläche des Ballons übertragen. Nun ist die Oberfläche des Ballons unser bekannter Raum. Wird der Ballon aufgeblasen, entfernen sich alle Punkte (Galaxien) auf dem Ballon voneinander. Auch die Galaxien werden in ihrer Ausdehnung gestreckt.

Leider kann der Mensch sich Dimensionen, die über die dritte hinausgehen, nicht vorstellen, ähnlich einer Ameise, die sich vielleicht nicht einmal die dritte Dimension vorstellen kann. Krabbelt die Ameise auf einem Fußball immer "geradeaus" (sie entfernt sich immer mehr von ihrem Ausgangspunkt) wird die Ameise erstaunt sein, dass sie nach einiger Zeit zum Ausgangspunkt zurückgelangt. So können wir uns nicht vorstellen, dass unser 3D-Raum sich auf der Oberfläche eines "Ballons" (im vierdimensionalen Hyperraum) befindet. Theoretisch, wenn wir mit einem Raumschiff uns sehr weit von der Erde entfernen (immer geradeaus fliegen), kommen wir wieder zum Ausgangspunkt zurück. Uns ist es also ähnlich ergangen wie der Ameise auf dem Fußball.

Damit haben wir ein neues Verständnis unseres Raumes erschlossen.

In der Theorie des Urknalls geht man davon aus, dass die gesamte Materie des Universums in einem Punkt ohne räumlichen Ausdehnung (Urknallsingularität) konzentriert war. Dieser "Urpunkt" war nicht vom Raum umgeben, sondern der Punkt stellte die Raumzeit dar und war gemäß der Relativitätstheorie unendlich gekrümmt. In der Urknallsingularität versagt Einsteins Relativitätstheorie. Im unendlich Kleinen spielen Quanteneffekte eine große Rolle. So weist uns die Heisenbergsche Unschärferelation in die Schranken. Bewegung und Ort von Teilchen lassen sich nur in Wahrscheinlichkeiten ausdrücken.

Erst nach Ablauf der Planck-Zeit (10^-43s nach dem Big Bang) lassen sich Aussagen über das Weltall machen. Zu dieser Zeit war das Weltall viel kleiner als ein H-Atomkern. In dieser "Ursuppe" aus Energie bilden sich Elementarteilchen wie Quarks und Anti-Quarks. Nach 10^-35s wächst der Raum um das 10⁵⁰-fache auf die Größe einer Orange (der Russe Linde und der Amerikaner Gluth nennen dies Inflation). Nun ist das frühe Universum auf eine Temperatur von 10²⁷Grad "abgekühlt". Aus der Ur-Energie bildet sich Materie und Antimaterie. Sofort kommt es dann zur Annihilation (gegenseitige Auslöschung -->Umwandlung in Energie).

Doch jedes Milliardste Materieteilchen findet keinen Anti-Materie Partner zum annihilieren. Dieser "winzige" Materieüberschuß führt dazu, dass das Weltall nicht sofort als Photonen-Suppe geendet ist. Diese Unregelmäßigkeiten im unendlich Kleinen bewirken, dass sich Materie ungleich verteilt. Diese Fluktuationen im Elementarteilchenbereich haben zur Folge, dass sich Materie einerseits zu Galaxien, Sonnensystemen, Planeten zusammenballte und andererseits Stellen im All mit fast überhaupt keiner Materie entstanden (das Weltraumvakuum). Materieteilchen, die durch Unregelmäßigkeiten bei der Verteilung der Materie einander zu nahe kamen, zogen sich aufgrund ihrer Gravitationswirkung an und ballten sich zusammen. Wäre die Verteilung der Materie am Anfang der Zeit völlig gleichmäßig verlaufen, gäbe es kein Leben im Universum und die einzelnen Atome würden - ohne jemals ein anderes Atom berührt zu haben - im Weltall vereinsamen.

Sollte es also einen Schöpfer-Gott geben, muss er das Ungleichmäßige und das Asymetrische bevorzugt haben.

10^-10s nach dem Urknall bilden sich Protonen und Neutronen. Die Temperatur des Weltalls beträgt zu dieser Zeit immer noch 10¹⁵Grad. Nach 1 s hat sich also im frühen Universum schon relativ viel ereignet. Die kosmische Expansion läßt die Energiekonzentration und damit die Wärme im All sinken. Aus diesem Grund dauert die Kernfusion von H-Atomen zu Helium Atomen bei 10¹⁰Grad nur ein paar Minuten. Nach dieser Zeit ist es zu "kalt" für die Kernfusion.

Das Weltall besteht nun zu 75% aus Wasserstoff und 24% Helium (den Grundbausteinen der Sterne) sowie 3 unbedeutenden Elementen. Die restlichen Elemente entstehen durch Kernfusionsprozesse in Supernovae (massereiche Sterne, die am Ende ihrer "Lebenszeit" sind), wobei durch Explosion der Supernovae diese neu gebildeten Elemente ins All hinausgeschleudert werden. Planeten bestehen im Wesentlichen aus Produkten von Supernovae und somit verdanken wir Lebewesen diesen Prozessen unsere Atome.

300'000 Jahre nach dem Urknall ist das Weltall auf "eisige" 3000 Grad abgekühlt und das Universum ist so kalt, dass Atomkerne Elektronen einfangen können. Dadurch wird der Elektronen-Nebel gelichtet und das Weltall wird für Photonen durchlässig. Endlich breitet sich die Botschaft des Urknalls in die Tiefen des Alls aus.

Im Prinzip kann keiner den Big Bang beweisen. Allerdings beruht dieses Gedankengebäude auf 4 wohlfundierten Säulen:

1. Galaktische Rotverschiebung aufgrund des ausdehnenden Universums (Dopplereffekt siehe oben)
2. Evolution der Galaxien (Raumdichte der Galaxien nimmt mit der Zeit ab ==> Materie driftet auseinander. Ursache ist die kosmische Expansion)
3. Verhältnis der Elemente (hoher Anteil von Helium und Wasserstoff lässt sich durch die Urknalltheorie erklären; siehe oben)
4. Die kosmische Hintergrundstrahlung

George Gamow prophezeite 1948 dieses "Echo" des Urknalls. Seitdem das Weltall durchsichtig für Photonen wurde sind etwa 15 Milliarden Jahre vergangen. In dieser Zeit hat sich das Weltall nochmals um das 1000-fache vergrößert. Diese Expansion bewirkt einen starken Dopplereffekt.

Zufällig wurde 1964 von Wilson und Penzias eine mysteriöse Strahlung im Mikrowellenbereich mit einer Temperatur von -270 Grad oder 3K entdeckt. Das entspricht genau dem Wert, den Gamow prophezeit hatte. Diese Strahlung können wir uns als Reliquie des Urknalls vorstellen. Das entweichende Licht des Urknalls wurde durch den Dopplereffekt in den Mikrowellenbereich "rot-verschoben".

Der US-Satellit COBE untersuchte diese Hintergrundstrahlung. Sie ist nahezu gleichmäßig in allen Richtungen verteilt. Also ist die Materie des Universums als ganzes betrachtet relativ gleichmäßig verteilt. (Es muss noch ergänzt werden, dass die Intensität der Hintergrundstrahlung aus einem bestimmten Bereich des Alls abhängig von der umgebenden Materie ist). Also lassen sich aufgrund der Stärke der Hintergrundstrahlung aus einem Bereich des Alls Rückschlüsse auf die Materiedichte in diesem Bereich ziehen.

Es ist vorhin festgestellt worden, dass die Fluktuationen im jungen Universum zur ungleichmäßigen Verteilung der Materie geführt haben. Wenn nun diese Hintergrundstrahlung "Zeuge" des Urknalls ist, müssten theoretisch Fluktuationen in dieser feststellbar sein. Tatsächlich stellte COBE Intensitätsschwankungen fest. Diese Schwankungen liegen allerdings räumlich so weit auseinander, dass unmöglich die Fluktuationen im Quantenbereich die Ursache dafür waren. Aus diesem Grunde nimmt man die Existenz dunkler Materie an, die die Verteilung der Materie im Raum beschleunigte und letzlich die Ursache dafür war, dass sich gewöhnliche Masse zu Galaxien zusammenballte. (Dunkle Materie ist Materie, deren Existenz wir uns nicht sicher sind und die nie in irgendeiner Form beobachtet wurde. Aus rechnerischen Gründen nehmen wir diese deshalb an). Allerdings reicht die errechnete Masse von dunkler Materie nicht aus, die Expansion des Alls zu verhindern oder gar umzukehren.

Arno A. Penzias	Robert W. Wilson

Theorien und Modelle

Das Universum ... Unendliche Weiten ... oder auch nicht ?!?
Mittlerweile wurden eine Fülle von Theorien zum Universum und seiner Entstehung aufgestellt. Was geschieht jetzt mit dem Universum? Expandiert es? Zieht es sich zusammen? Es gibt einige Modelle, wenn auch teils kontroverser Anschauung, die eine scheinbare Lösung anbieten und die mit vielen Messwerten der heutigen Forschungssatelliten und Teleskopen übereinstimmen und auch einige Phänomene beschreiben und deuten können.

Der russische Physiker und Mathematiker Alexander Friedmann machte es sich zur Aufgabe, die Erkenntnis, dass das Universum nicht statisch ist, zu erklären. Er ging von zwei sehr einfachen Annahmen über das Universum aus:

1. Das Universum sieht stets gleich aus, in welche Richtung wir auch immer blicken.


2. Die erste Voraussetzung gilt auch dann, wenn wir das Universum von einem beliebigen anderen Punkt aus betrachten.

In Friedmanns Modell expandiert das Universum so langsam, dass die Massenanziehung zwischen den verschiedenen Galaxien die Expansion bremst und schließlich zum Stillstand bringt - der Höhepunkt ist erreicht. Jedoch würden sich die Galaxien weiterhin anziehen und somit ihren Abstand voneinander verringern - sie bewegen sich aufeinander zu. Letztendlich führt dies zur Rekollabierung des Universums oder zum sog. "Big Crunch", wie ihn manche englische Wissenschaftler gern nennen. In diesem - und in den beiden anderen Modellen - beginnt das Universum seine Existenz mit einem Urknall, jedoch endet seine Existenz - im Gegensatz zu den anderen Modellen - mit einem Endknall.

In einem anderen Modell dehnt sich das Universum so rasch aus, dass die Schwerkraft den Vorgang nicht aufzuhalten vermag, trotz geringer Abbremsung. Der Abstand zweier Galaxien nimmt unaufhörlich zu und irgendwann wird eine konstante Zunahmerate erreicht. Galaxien würden sich in alle Ewigkeit voneinander entfernen und verlöschen, sobald den Sternen der "Brennstoff" ausgeht. Die Dichte des Universums würde sich an den Wert Null annähern. In diesem Fall könnte man von einer "Auflösung" des Universums reden.

Im dritten Modell expandiert das Universum gerade so rasch, dass der Kollaps - das durch die Schwerkraft verursachte Zusammenziehen der Galaxien - vermieden wird. Die Geschwindigkeit mit der sich die Galaxien voneinander entfernen strebt gegen den Grenzwert Null - die Abstandszunahme nimmt dann einen konstanten Wert an. Bei diesem Modell liegt die Expansionsgeschwindigkeit knapp oberhalb des wichtigen Grenzwertes (kritische Expansionsgeschwindigkeit), bei dem das Universum wieder kollabieren würde.

Es stellen sich die Fragen:
Warum ist das Universum so gleichmässig ?
Warum gibt es uns "intelligente" und "komplizierte" Lebewesen ?
Diese Fragen fallen unter die Anwendung des sog. anthropischen Prinzips, das sich in einem Satz zusammenfassen läßt: "Wir sehen das Universum, wie es ist, weil wir existieren."
Es gibt zwei Varianten des anthropischen Prinzips - das schwache und das starke Prinzip.

Nach dem schwachen anthropischen Prinzip sind in einem Universum, das groß oder unendlich in Raum und Zeit ist, die für die Entwicklung intelligenten Lebens erforderlichen Bedingungen nur in bestimmten, räumlich und zeitlich begrenzten Regionen erfüllt. Das schwache Prinzip kann unsere Situation gut veranschaulichen: Es dauerte nun halt mal mindestens 10 Mrd. Jahre seit dem Urknall bis sich intelligentes Leben entwickelt hat. Sterne bildeten sich und zerfielen, wichtige Elemente wie Sauerstoff und Kohlenstoff, aus denen wir bestehen, entstanden. Überreste von Supernovae bildeten Sternensysteme wie unseres und erst als bestimmte Rahmenbedingungen erfüllt wurden, begann der langsame Prozess der biologischen Evolution, dessen Ergebnis wir heute ja sehen: Der heutige Abiturient (!!).

Manche Wissenschaftler und Denker gehen sogar so weit und schlagen das starke anthropische Prinzip vor - eine "phantasievollere" Vorstellung von unserem Universum in der Raumzeit. Nach dieser Theorie gibt es verschiedene Regionen oder gar verschiedene Universen, jedes mit eigenem Urzustand oder gar einem eigenen System von Naturgesetzen. Jedoch seien in den meisten Multi-Universen die Bedingungen für die Entstehung intelligenten Lebens nicht erfüllt - nur in wenigen Universen, wie unserem, wären die Rahmenbedingungen gegeben.
Als "Beleg" dieses Prinzips kann man z.B. die elektrische Ladung des Elektrons anführen: Die kleinste Abweichung hätte zwar schöne Galaxien entstehen lassen, jedoch hätte dies das Leben unmöglich gemacht.
Gegen dieses Prinzip gibt es aber einige Einwände: Wenn diese anderen Universen vorhanden sein sollten, wie könnte man sie nachweisen? Ereignisse, die in einem anderen Universum stattfinden, wären hier nicht beobachtbar und hätten keine Konsequenzen für unser eigenes Universum, da diese Multi-Universen völlig unabhängig voneinander sind.
Das starke Prinzip steht ausserdem quer zum Verlauf der gesamten wissenschaftlichen Geschichte, da es eine völlig andere Vorstellung unserer Existenz ist: Über Ptolemäus, Kopernikus und Galilei sind wir zu unserem heutigen modernen Weltbild gelangt, dass wir ein eher unbedeutender Trabant eines Sterns sind, unter Milliarden von anderen Sternen in unserer Milchstrasse, unter Milliarden von anderen Galaxien in unserem Universum ... Man könnte glauben, dass dieses Konstrukt nur unseretwillen existiert, was wiederum schwer zu glauben ist ...

Das Weltraumteleskop "Hubble" entdeckte 20 Cepheiden (Sternkategorie). Diese pulsieren in bestimmter Weise und ihre Strahlungsemmision pendelt zwischen einem Maximal- und Minimalwert hin und her. Die Periode dieser "Schwingung" ist charakteristisch für die Größe und absolute Leuchtkraft des Sterns. Durch Vergleich dieses Wertes mit der scheinbaren Helligkeit (Strahlung, die zur Erde gelangt) kann man die Entfernung zum Stern ermitteln. Bei Cepheiden im Virgo-Haufen kam mann auf eine Entfernung von 56*10⁶Lichtjahre.

Ein ähnliches Verfahren wird in neuester Zeit verwendet um die Entfernung zweier Supernovae zu bestimmen. Man stellt fest: Je weiter sie von der Erde entfernt sind, desto schneller müssten sie sich von uns entfernt haben. Aus diesem Grund wird keine konstante Expansionsgeschwindigkeit des Alls angenommen; sie wird sogar im Verlaufe der Zeit beschleunigt.

Hatte also Einstein mit seiner kosmologischen Konstante Lambda doch recht? Es muß ergänzt werden, dass Einstein die kosmologische Konstante eingeführt hat, um die Expansion des Alls in seiner Theorie zu verhindern. Jetzt wird die kosmologische Konstante Lambda im Sinne der Expansion interpretiert - also entgegen der Intention Einsteins.

Genug von der Theorie; hier ein paar tiefe Einblicke in das Universum vom "Hubble Space Telescope":

Ein Sternentstehungsgebiet aus interstellarem Staub
Der Ring Nebel
Supernova 1987A
Überbleibsel einer Supernova
So sieht in etwa unsere Galaxie aus. Unsere Sonne bildet einen winzigen Lichtpunkt: NGC 4414
Keyhole Nebula
NGC 1999
NGC 2207 und IC 2163
Dieses Bild wurde am Anfang der Homepage verwendet: NGC 6543a
Hier können Sie selbst nach astronomischen Photographien vom HST suchen: Hubble Space Telescope Image Seite

Autoren: Markus Beyer und Thomas Riegel

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