Kosmologie

Kosmologie
ist die Lehre von Aufbau und Entwicklung des Weltalls.
Im für uns einsehbaren Weltall gibt es viele Milliarden Galaxien (Milchstrassen). Jede
besteht aus 100 Milliarden Sonnen.
Naturwissenschaften wie die Astronomie und Kosmologie beschreiben die Natur.
Man führt in der Astronomie und Astrophysik gewisse Beobachtungen durch und
versucht diese zu interpretieren. Diese Interpretationen werden als einem
physikalischen Modell des Kosmos dargestellt.
Beobachtungen
1
Die Distanz zwischen den Galaxienhaufen wird immer größer (Rotverschiebung).
2
Aus allen Richtungen kommt gleichmäßig eine Mikrowellenstrahlung, so wie sie ein
„schwarzer" Körper der Temperatur 2.7 Kelvin (-270 Grad) ausstrahlen würde
(sogenannter Mikrowellenhintergrund).
3
Wasserstoff und Helium sind die häufigsten Elemente im Kosmos.
4
Die physikalischen Gesetze gelten mit großer Genauigkeit im ganzen Kosmos und
bleiben wahrscheinlich konstant.
5
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.
6
Endlichkeit des beobachtbaren Weltalls (= endliches Alter; Galaxien kommen nur bis
zu einer bestimmten Distanz vor).
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.
Die Distanz zwischen den Galaxiehaufen 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 entfernt er sich.
Stellen wir uns vor, dass wir in einem Backofen einen langsam aufgehenden Kuchen
- mit Rosinen drin - haben. Der Kuchen sei unendlich groß.
Die Rosinen seien einfach nur Beobachter; einer davon sind 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 Volumen.
Unser Kosmos hat noch weitere Eigenschaften. Als seine Temperatur unter 3000°C
sank, wurde er durchsichtig (das häufigste Element, Wasserstoff, ist darüber ionisiert
und für elektromagnetische Wellen undurchlässig). 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.
Dies entdeckte bereits E. Hubble und seine Mitarbeiter in den 20er Jahren des 20.
Jahrhunderts.
Eine Eigenschaft des Universums mit konstanter Ausdehnungsrate (mit
zeitunabhängiger Hubblekonstante) ist es, dass mit der Zeit der Abstand zwischen
zwei Galaxien so groß wird, dass die Fluchtgeschwindigkeit schneller als die
Lichtgeschwindigkeit wird - sie wird unsichtbar.
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.
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. Die Eigenschaften des Raumes selbst ändern sich nicht mit
der Ausdehnung, wie die Eigenschaften des Vakuums von grundlegenden
physikalischen Gesetzen der Quantenmechanik und der Relativitätstheorie bestimmt
werden. Aber da der Abstand zwischen allen Massenansammlungen laufend
zunimmt, wird die Anziehung immer schwächer - die Expansion beschleunigt sich.
Die kosmische Rotverschiebung
Auch das Licht wird mit der Zeit gedehnt, die Wellenberge werden
auseinandergezogen. Daher wird anfänglich blaues Licht langsam rot und
verschwindet dann im Infraroten.
Das Horizontproblem
Die Mikrowellenstrahlung kommt aus allen Richtungen mit derselben Wellenlänge,
also herrschte damals, als das Weltall durchsichtig wurde, an Stellen im Raum sehr
genau dieselbe Temperatur, die gar nie miteinander wechselwirken konnten.
Supernovae
Die Beobachtung von Supernovae (Sternexplosionen) in Milliarden Lichtjahren
entfernten Galaxien brachte den ersten Hinweis auf eine beschleunigte
Ausdehnung des Weltalls.