Das Schicksal des Universums - Max Planck Institut für

Das Schicksal des Universums
Some say the world will end in fire,
some say in ice.
From what I've tasted of desire
I hold with those who favor fire.
This is the way the world ends:
Not with a bang but with a whimper.
Simone Bernhart
Max-Planck-Institut für Radioastronomie
T.S. Eliot 1925
Robert Frost 1920
Manche sagen, die Welt vergeht im Feuer,
manche sagen im Eis.
Durch das, was ich von Sehnsucht schmeckte,
halt ichs mit denen, die das Feuer vorziehen.
So wird die Welt enden: nicht mit einem Knall
sondern mit einem Wimmern.
Abriss über Kosmologie
Relativistische Kosmologie basiert auf:

dem
Kosmologischen Prinzip:
das Universum
sieht zu jedem Zeitpunkt von jedem Punkt gleich
aus

dem
Weylschen Postulat:
Galaxien im
Universum sollen sich bewegen wie
Elementarteilchen in einer idealen Flüssigkeit

der
Allgemeinen Relativitätstheorie:
Wechselwirkung zwischen Materie und der
Raumzeit
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Abriss über Kosmologie
Friedmann-Gleichungen:
Doppler-Effekt
Hubble-Parameter:
wird gemessen über die Rotverschiebung z = Δλ/λ
(λ Wellenlänge) kosmologisch weit entfernter
Objekte
heutiger Wert H0 Hubble-Konstante
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Abriss über Kosmologie
Kosmologische Konstante Λ:
eingeführt von Einstein, um ein statisches Universum zu beschreiben
Gründe für die Existenz von Λ:



Hilfreich, wenn die Hubble-Zeit 1/H0 und astrophysikalisch bestimmte
Weltalter zu verschiedenen Altern des Kosmos führen.
Findet Verwendung in der modernen Quantenfeldtheorie, in der das Vakuum
nicht unbedingt ein Zustand mit Energie Null ist, sondern durchaus einen
endlichen Erwartungswert haben kann. Diese nichtverschwindende Energiedichte
kann man als Eigenschaft der Raumzeit auffassen und somit auch als
Komponente einer kosmologischen Konstante.
Neuere Beobachtungen der kosmischen Hintergrundstrahlung
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Abriss über Kosmologie

Die experimentelle Bestimmung von Λ erfolgt indirekt über den Bremsparameter.
Bremsparameter q0: Rate, mit
 Kritische
Dichte ρC: die

der die Expansion sich verlangsamt
Materiedichte
im
Weltall,
bei
der
die
Gravitationskräfte die Fluchtgeschwindigkeit gerade so stark abbremsen, dass sich
die Geschwindigkeit dem Wert Null nähert, ohne ihn je zu erreichen (entspricht ca.
6 Protonen pro m3)
Mittlere Dichte ρ: Dichte der sichtbaren Materie
 kosmolog. Dichteparameter: Ω
0 = ρ/ρC

im Universum
Mittlere Dichte im Universum:
ρ ≈ 10-27 kg/m3
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Abriss über Kosmologie
Chronologische Klassifikation der Friedmann-Universen:
 1917 Einstein: statisches, geschlossenes Universum, Einführung von Λ
 1917 de Sitter: beschleunigte Expansion, flaches, materiefreies Universum,
nur mit dynamischem Λ; verletzt das Machsche Gesetz (keine Raumzeit ohne
Materie)!

1922 Friedmann:
Friedmann-Gleichungen, enthalten sämtliche Universen (auch
statischen Einstein-Kosmos); interessantes Modell: oszillierende Universen –
abwechselnde Expansion und Kontraktion

1925 Lemaitre:
expandierendes Universum; Annahme: zeitl. Zurückverfolgung
der Expansion führt zu “Geburt des Raumes” (Nature-Artikel 1931) – “Vater der
Urknall-Theorie”

Danach

1981 A. Guth: inflationäres Universum
folgen viele Verfeinerungen der urspr. Modelle
(Phase extrem rascher
Expansion unmittelbar nach dem Urknall)
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Beobachtungsergebnisse

1929 Hubble weist nach, dass das Weltall tatsächlich expandiert

1933 Fritz Zwicky:
Coma-Haufen (Galaxienhaufen aus über 1000
Galaxien) wird nicht allein durch die Masse seiner sichtbaren Bestandteile
(Sterne) zusammengehalten; das 400-fache dieser Masse sei notwendig, damit
Dunkle Materie
 1998
finden durch Beobachtung von Typ 1a Supernovae zwei
Teams unabhängig voneinander heraus, dass das Universum beschleunigt
der Haufen nicht auseinanderfliegt ->


anstatt abzubremsen (Schmidt-Gruppe am Mount-Stromlo-Observatorium in
Australien und Perlmutter-Gruppe der Berkeley-Laboratorien in Californien)
Beide Gruppen dachten, sie hätten einen Fehler gemacht: SN sollten in der
Vergangenheit eigentlich heller gewesen sein, wenn die Expansion abnimmt,
aber sie waren schwächer.
Anti-Schwerkraft verursachte das Auseinanderstreben
auch bekannt als Dunkle Energie -> Λ !
Eine
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der Galaxien,
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Beobachtungsergebnisse

Kosmische Mikrowellenstrahlung (CMB):
Beleg für die Urknalltheorie,
stammt aus der Zeit etwa 400.000 Jahre nach dem Urknall und lag bei etwa 3000
K; während der weiteren Expansion nimmt die Wellenlänge der
Hintergrundstrahlung durch Rotverschiebung zu, sie ist heute als Strahlung messbar, die einer
Temperatur von 2,73 K entspricht.

Fluktuationen in der kosmischen Hintergrundmit COBE (Cosmic Background Explorer) und später mit WMAP
Beobachtungen der
strahlung
u.a.
(Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) bestätigten, dass das Universum flach ist
und für immer
expandiert.
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COBE
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WMAP
Beobachtungsergebnisse
Expansion des Universums
Relative Größe des Universums
Dunkle Materie + Dunkle Energie
beeinflussen die Expansion des Universums
Milliarden Jahre
Für ein inflationäres Universum:
Drei alternative Szenarien
“Big Crunch” – das Universum kollabiert
“Big Freeze/Chill” – stetige immerwährende Expansion
“Big Rip” – ewige beschleunigende Expansion
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10
13,5 Mrd. Jahre
Zeitleiste
-4
5 Mrd. Jahre
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Zeitleiste






5x109 Jahre: Sonne bläht sich zum Roten Riesen auf
1017 Jahre: Weisse Zwerge werden ausgekühlt sein zu schwarzen Zwergen
1019 Jahre: Galaxien werden verdampft sein
1020 Jahre: Planeten werden aus ihren Bahnen geschleudert oder in die
Sterne gestürzt sein, um die sie kreisen
1023 Jahre: tote Sterne werden aus den Galaxienhaufen verdampft sein – die
Haufen zerfallen – die kosmische Hintergrundstrahlung wird abgekühlt sein
auf ~10(-13) K
Alles außer den schwarzen Löchern wird ionisieren (Ionisation heißt jeder
Vorgang, bei dem aus einem Atom oder Molekül ein oder mehrere Elektronen
entfernt werden, so dass das Atom oder Molekül als Ion zurückbleibt.)
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Zeitleiste





Schwarze Löcher werden wahrscheinlich aufgrund der sog. HawkingStrahlung verdampfen – solche mit der Masse der Sonne in ca. 1066
Jahren und galaktische schwarze Löcher in ungefähr 1099 Jahren.
Neutronensterne werden entweder ionisieren oder in schwarze Löcher
umgewandelt (“quantentunneln”), die dann verstrahlen.
Schließlich wird alle Materie aufgrund des sog. Tunneleffekts in Eisen
verwandelt sein, was ungefähr 101500 Jahre dauern wird – wahrscheinlich
setzt vorher der Protonen-Zerfall ein (1032 Jahre).
Falls Schwarze Zwerge oder Planeten nicht ionisieren oder sich durch
Protonen-Zerfall
auflösen, könnten
sie möglicherweise
in festes Eisen
Der Protonen-Zerfall
beginnt
in
tunneln – dieses verdampft entweder oder wandelt sich um in ein
Jahrenvon
Schwarzes
Loch,
das
dann
verstrahlt
innerhalb
10100000000000000000000000000 Jahren.
Die Teilchendichte wird gegen Null gehen – jedes Teilchen wird vom Rest
der Welt abgeschnitten sein durch einen sog. kosmologischen Horizont –
es wird keine Interaktion mehr möglich sein.
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Kurze Geschichte der
Eschatologie
von Jim Holt, 2004
Freeman Dyson, Princeton:
 “Time Without End” 1979, “ein Universum, das wächst ohne Grenzen in
Reichhaltigkeit und Komplexität, ein Universum des Lebens, dass ewig
besteht...” – die Menschheit wird einen ‘Winterschlaf’ halten
 Leben mit Bewusstsein in Form von interstellaren Staub-/Plasmawolken
 Die Beschleunigung könnte wieder abnehmen, wenn man das QuintessenzModell zugrunde legt anstelle des ‘Dunkle Energie’-Szenarios
Ed Witten, Princeton:
 Favorisiert das Quintessenz-Modell, die fortlaufende Expansion ist
möglicherweise nur vorübergehend
33 Jahren oder so – Auflösung aller Materie
 Protonen zerfallen in 10
Lawrence Krauss, Case Western, Cleveland:
 “Wir scheinen im schlimmsten aller möglichen Universen zu leben.”
 Leben ist dem Untergang geweiht – in jedem Fall
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...Eschatologie
Frank Tipler, Tulane University, New Orleans:
 1994 "Die Physik der Unsterblichkeit - Moderne Kosmologie, Gott und die
Auferstehung der Toten", der ‘Big Crunch’ als glücklichstes aller Enden
 Am Ende des Universums kumuliert alles virtuell oder materiell Existierende im Punkt
Omega und bildet die Gottheit in diesem […] unendlichen Moment, weil dort die
Information vollkommen ist - es entsteht durch unendliche Information der
vollendete Gott in der Ewigkeit.
 Theologie als Teilgebiet der Physik
Michio Kaku, City College in New York:
 “Rettungsboot”-Szenario: ein “Wurmloch” öffnen, durch das wir in ein neues
Universum entkommen können; benötigt eine vereinheitlichte Theorie der
Physik, um das Wurmloch zu stabilisieren
 Die menschliche Entwicklung mag 100,000 Jahre dauern, aber es ist immer
noch genug Zeit übrig
J. Richard Gott III, Princeton:
 Kopernikanisches Prinzip: ‘Wir sind nichts besonderes (Erde nicht
Mittelpunkt des Universums)'
 Die Menschheit wird mit 95% Wahrscheinlichkeit zwischen 5100 und
7,8 Millionen Jahren aussterben
Ein Ende mit Schrecken...




Heutige Annahme: das Universum befindet sich
Vakuum, d.h., das Vakuum im All befindet sich im
Energie (Grundzustand)
in einem wirklichen
Zustand niedrigster
Sidney Coleman und Frank De Luccia, "Gravitational Effects on and of
Vacuum Decay" (etwa: "Die Wirkungen, die von der Gravitation auf den
Zerfall des Vakuums ausgeübt werden") 1980: was, wenn sich das heutige
Vakuum nicht im Grundzustand befindet, sondern in einem langlebigen
metastabilen Zustand, der eines Tages zerfällt (wie z.B. ein Urankern)?
Der Vakuum-Zerfall könnte an einem zufälligen Ort im Raum beginnen mit
einer kleinen Blase echten Vakuums, die sich mit Lichtgeschwindigkeit
ausbreitet, dabei immer größere Gebiete falschen Vakuums absorbiert und in
echtes Vakuum umwandelt, wobei alles auf ihrem Weg vernichtet wird.
Andererseits: Umkehrung dieses Phänomens als Rettung für unser Universums
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oder doch eher ein
Schrecken ohne Ende ...?
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