Expeditionen im Kosmos
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Physik - wie Forschung Spaß macht
Expeditionen im Kosmos
am 8. November 2008
H. Solbrig
1. Wie man Expeditionen im Kosmos unternimmt
2. Sterne und Nebel
3. Expansion und Strukturbildung
4. Neue Erkenntnisse bringen neue Fragen
1. Wie man Expeditionen im Kosmos unternimmt
. . . was die Raumfahrt leisten kann . . .
. . . was die Standorte der Teleskope bestimmt . . .
Expeditionen
”klassische“ Expedition
Schiffe ausrüsten
Reise
an Ort und Stelle
beobachten
messen
Apollo 17 - die letzte Apollo-Mission 1972
Marssonden: Phoenix findet Wassereis im Boden
Phoenix vom Orbit
2008, Position nahe Nordpol
Wassereis unter der Oberfläche
http://phoenix.lpl.arizona.edu
Marssonden: Phoenix findet Wassereis im Boden
Landeplatz von Phoenix
2008, Position nahe Nordpol
Dauerfrostboden in Alaska
Wassereis unter der Oberfläche
NASA
Water on Mars!
Frisches Wasser
vom Geysir !
Expeditionen
”klassische“ Expedition
Schiffe ausrüsten
Reise
an Ort und Stelle
beobachten
messen
Apollo 17 - die letzte Apollo-Mission 1972
Fernerkundung
Teleskope bauen
aus räumlicher und zeitlicher Distanz
beobachten
messen
typischer Expeditionsteilnehmer
Fernerkundung: Problem Erdatmosphäre
Für elektromagnetische Wellen
aus dem Universum
nur 2 Fenster:
sichtbares Licht (OPT)
Radiowellen (RADIO)
Standorte der Teleskope für
Mikrowellen (MIW)
infrarotes Licht (IR)
ultraviolettes Licht (UV)
Röntgenstrahlung (X)
Gammastrahlung (γ)
außerhalb der Atmosphäre
Raumteleskop: Hubble (seit 1990)
Bahnhöhe: 569 km
Öffnung: 2.4 m
Auflösung:
100 m auf dem Mond
Empfindlichkeit:
Vollmond aus 11 Lj
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X
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γ
Raumteleskop: Chandra (seit 1999)
Bahn: 10 000 -140 000 km
Öffnung: 1.2 m
Auflösung: 1 km
auf dem Mond
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X
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γ
Raumteleskop: Chandra - ein Wolter-Teleskop
Raumteleskop: Spitzer (seit 2003)
Bahn: heliozentrisch
Öffnung: 85 cm
Helium-Kühlung
Aufgabe:
kalte Staubwolken
untersuchen
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γ
2. Sterne und Nebel
. . . was Sterne stabilisiert: Druck contra Gravitation . . .
. . . warum Sternexplosionen das Universum vermessen helfen . . .
. . . wie die beobachtende Kosmologie entstand . . .
Sternbild Orion: Riesensterne und Nebel
Beteigeuze (links oben):
Entfernung 427 Lj
Radius 662 RJ ≈ 3 AE
Masse 20 MJ
Temperatur 3450 K
Leuchtkraft 55 000 LJ
Rigel (rechts unten):
Entfernung 775 Lj
Radius 70 RJ
Masse 17 MJ
Temperatur 11 000 K
Leuchtkraft 66 000 LJ
3 Gürtelsterne:
Entfernung 800 - 1340 Lj
Pferdekopf-Nebel:
Entfernung 1400 Lj
Orion-Nebel M42:
Entfernung 1200 - 1500 Lj
http://antwrp.gsfc.nasa.gov/apod/astropix.html
Sternbild Orion: Riesensterne und Nebel
Beteigeuze (links oben):
Entfernung 427 Lj
Radius 662 RJ ≈ 3 AE
Masse 20 MJ
Temperatur 3450 K
Leuchtkraft 55 000 LJ
Rigel (rechts unten):
Entfernung 775 Lj
Radius 70 RJ
Masse 17 MJ
Temperatur 11 000 K
Leuchtkraft 66 000 LJ
3 Gürtelsterne:
Entfernung 800 - 1340 Lj
ց
→
Pferdekopf-Nebel:
Entfernung 1400 Lj
Orion-Nebel M42:
Entfernung 1200 - 1500 Lj
Barnards Schleife:
Pfeile
ր
↑
http://antwrp.gsfc.nasa.gov/apod/astropix.html
Sternbild Orion: Staubwolke im Hintergrund
sichtbares Licht:
Vordergrund-Sterne und M42
infrarotes Licht (IRAS-Satellit):
M42 gehört zu einer Wolke aus Gas
und Staub (Abstand bis 1500 Lj)
NASA/IPAC
Pferdekopf-Nebel: Dunkelwolke vor Emissionsnebel
Position:
Barnard 33,
unterhalb des
linken
Gürtelsterns
(Alnitak)
des Orions
Entfernung:
1400 Lj
Emissionsnebel:
IC 434,
rotes Leuchten
des Wasserstoffs
nach Anregung
durch Strahlung
heißer Sterne
HST
Pferdekopf-Nebel: Dunkelwolke vor Emissionsnebel
Position:
Barnard 33,
unterhalb des
linken
Gürtelsterns
(Alnitak)
des Orions
Entfernung:
1400 Lj
Emissionsnebel:
IC 434,
rotes Leuchten
des Wasserstoffs
nach Anregung
durch Strahlung
heißer Sterne
HST
Orion-Nebel: Sternwind bläst Kaverne frei
↓
Trapez-Sterne
2 Teleskope:
Hubble und Spitzer
Falschfarbkomposition
M42 total:
etwa 3000 Sterne
Entfernung 1300 Lj
Durchmesser 30 Lj
Sternwind:
Teilchenstrom, der
von heißen Sternen
ausgestoßen wird
http://antwrp.gsfc.nasa.gov/apod/astropix.html
Orion-Nebel: Druck contra Gravitation
Dichte, kalte Wolken (Temperatur ∼10 K) kollabieren, bis im Zentrum ein Gleichgewicht
zwischen Gasdruck und Schweredruck erreicht ist.
protoplanetare
Scheiben:
Seitenansicht (5)
Draufsicht (6)
Masseverlust:
Jets (2.3,4,7)
Ringe (3,7)
z.B. Sonne-Neptun:
30 AU ≈ 4 Lh
7
http://antwrp.gsfc.nasa.gov/apod/astropix.html
Sterne am Ende ohne ”Brennstoff“: Wer rettet?
z.B. Sonne
z.B. Eskimo-Nebel
z.B. Sirius A/B
ւ
Sterne
→
kleiner
Masse
B
ր
A
”normaler“ Zwerg
planetarischer Nebel
Weißer Zwerg
brennt H → He
10 Mrd J
stößt Gashüllen ab
Masse < 1.4 MJ !!
brennt He → C, O
Mill J
erscheint flächig
Radius ∼ Planet
Dichte ∼ t/cm3
Druck der Elektronen
stabilisiert
kühlt viele Mrd J
Endzustand
Schwarzer Zwerg
Was ist eine Supernova vom Typ Ia?
Leuchtkraft bekannt:
”Normalkerze“ für wenige Wochen
Rest der SN1572 (Tycho Brahe):
Abstand ≈ 10000 Lj
Durchmesser ≈ 22 Lj
Modell
SN 1572
Weißer Zwerg im Binärsystem:
C- und O-Atomkerne
stabilisiert durch Elektronen
Supernova Ia:
WZ erreicht 1.4 MJ
kollabiert
explodiert
wird vollständig zerstört
CHANDRA
Orion-Nebel: Als Rahmen
dient Barnards Schleife
Barnards Schleife:
Rest einer alten Supernova
Aufnahme:
empfindlich für rotes Licht vom Wasserstoff
Supernovae: Heller als ganze Galaxien
Position NGC 2770:
Sternbild Luchs (NHK)
Sehwinkel:
1/7 Vollmond
Entfernung:
85 Mill Lj
http://antwrp.gsfc.nasa.gov/apod/astropix.html
Milchstraße: Vor 100 Jahren das ganze Universum
տ
Große Magellansche Wolke
Axel Mellinger 2000
So begann die beobachtende Kosmologie
M31 heute:
D ≈ 2.5 Mill. Lj
Vrad ≈ −100 km
s
E.P. Hubble (1924)
M31 ist eine Galaxie - kein Nebel
Zentralregion:
optisch: 2 Kerne?
M32
M31
HST
X-Emission: viele
Nebenquellen
M110
Chandra
OPTISCH
HST
3. Expansion und Strukturbildung
Kosmologische Expansion
Olbers (1826): Der Nachthimmel sollte hell sein
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Sterne
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Beobachter
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Das Universum sei statisch sowie unendlich in Raum und Zeit.
Olbers (1826): Der Nachthimmel sollte hell sein
Sterne
Beobachter
Staub
Das Universum sei statisch sowie unendlich in Raum und Zeit.
Staub und Sterne sind im thermischen Gleichgewicht.
Der lange Weg des Expansionskonzepts
Slipher 1920
Hubble,
Humason 1929
Gamow,
Alpher 1954
”Nebelflucht“
Galaxien: V=HD
Nukleosynthese isotroper Mikrowellen-Hintergrund
kosmolog. Konst.
ARTH
nichtstat. Modelle
Einstein 1917
Friedmann 1922,
Lemaitre
Inflation
Guth 1984
Linde 1985
Penzias, Wilson 1964
Voraussage Gamow 1948
beschleunigte
Expansion
Perlmutter 1998
Gravitation - contra - Dunkle Energie
NASA WMAP Science Team
Kosmologische Expansion: Der Raum expandiert
kein Thema der Speziellen Relativitätstheorie:
⇒ Grenze Lichtgeschwindigkeit gilt nicht
Galaxienhaufen (Ghi ) sind gravitativ gebunden:
⇒ expandieren nicht
zwischen Galaxienhaufen wird Raum erzeugt:
⇒ Raum enthält Dunkle Energie konstanter Dichte,
wirkt der Gravitation entgegen,
behindert Bindung zu Galaxien-Superhaufen
Dunkle Energie dominiert seit 5 Mrd Jahren:
⇒ beschleunigte Expansion seit 5 Mrd Jahren
6
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Gh2
Was steuert den Expansionverlauf?
log(zb + 1)
↓Atombildung
Übergang
↓
Übergang
Rotverschiebung statt Zeitpunkt:
z≡
λ−λLabor
λLabor
•
heute
Energieinhalt des Universums:
Was dominiert?
Strahlung dominiert
bis kurz vor
Bildung der Atome (z = 1100)
•
•
Ruhmasse dominiert
danach bis zb ≈ 0.5
Dunkle Energie dominiert
seit zb ≈ 0.5
−log(z + 1)
Wieder beschleunigte Expansion: Ab zb ≈ ?
↓
bekannt
↓
>/ = /< 0 ?
m − M = 25 − 5 log(H0 ) + 5 log(c z) + 1.08 z (1 − qo )
gemessen
↑
8
9
>
>
>
< >0 >
=
qo
=0
>
>
>
>
:
;
<0
↑
8
>
>
<
⇒ Expansion >
>
:
gebremst
gleichförmig
↑
9
>
>
=
>
>
beschleunigt ;
↑
8
>
>
<
⇒ ∆(m - M) >
>
:
<0, d.h. heller
0
9
>
>
=
>
>
> 0, d.h. dunkler ;
Wieder beschleunigte Expansion: Ab zb ≈ ?
zb ≈ 0.5
↓
↑
←
↓
beschleunigt, qo < 0
gleichförmig, qo = 0
gebremst, qo > 0
Strukturierung des Universums
Teilchenbindung - contra - Photonenstöße
4
en
3
e
m
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A
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A
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N
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0
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J
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MeV
|
{z
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M
10
s
s
Schwarzschild
11
35
s
G mP
c2
−
−
43
Compton
=
10
10
−
10
~
c mP
eV}
Photonenenergien kleiner als
t
Teilchenbindung - contra - Photonenstöße
LHC
Higgs
WIMPs
en
3 • 4
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A
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G mP
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43
Compton
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c mP
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Photonenenergien kleiner als
t
Teilchenbindung - contra - Photonenstöße
LHC
Higgs
WIMPs
↓
↓
en
3 • 4
e
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A
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A
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N
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ac
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sc
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T
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F
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P
BB • 2
dominant
Strahlung
Masse
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s
Schwarzschild
11
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G mP
c2
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10
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−
43
Compton
=
10
10
−
10
~
c mP
•
eV}
Photonenenergien kleiner als
t
Strukturbildung: Atomare Materie braucht Hilfe
NASA WMAP Science Team
Galaxienverteilung: Abstand bis 2 Mrd Lichtjahre
Gerät:
Spektrometer
am
’Anglo-Australian Telescope‘
(3.9 m)
Beobachtungsgebiete: Je ein
Streifen (6 ”Vollmonde“ dick)
auf beiden Halbkugeln des galaktischen Systems
Abstand: bis 2 Mrd Lj
Fluchtgeschwindigkeit: bis
60 000 km/s
Ergebnis: Haufen und Superhaufen entlang Linien und Flächen,
daneben Hohlräume
www2.aao.gov.au/2dFGRS/
Die ersten Galaxien: Hubble Ultra Deep Field
Feld-Durchmesser:
∼ 1/10 Vollmond
10 000 Galaxien
Belichtungen:
800 in 3 Monaten
2003/04
total ∼11 Stunden
HST
Einordnung des Hubble Ultra Deep Field
Heute,
13.7 Mrd Jahre nach dem
”Big Bang“,
zeigt uns das ”Hubble Ultra Deep Field“ Objekte
aus einer Epoche
nur 700 Mill Jahre nach
dem ”Big Bang“.
Diese
Objekte
Zwerggalaxien.
waren
HST
Galaxien heute und vor 13 Mrd Jahren
HST
Antennengalaxie
NGC4038/NGC4039:
Entfernung 45 Mill Lj
Galaxien wachsen
durch Verschmelzung
kaum Sternkollisionen
interstellares Gas
wird verdichtet,
augeheizt,
bildet neue Sterne
Quasare und aktive galaktische Kerne
M 82, Jet ab Zentrum
oben: M 82 aktiv; unten: M 81, normal
Aktivität wegen früherer Kollision?
http://antwrp.gsfc.nasa.gov/apod/astropix.html
MODELL: schwarzes Loch im Zentrum
3-Kelvin-Strahlung - ein Bild des Universums
im Alter von 380 000 Jahren
WMAP: Anisotropie der 3-Kelvin-Strahlung
Start: 2001, arbeitet heute noch
Position: Linie Sonne-Erde, 1.5 Mill km ab Erde
Auflösung: 0.3 Grad
Masse: 830 kg
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...RADIO.....
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.... IR .....
.................................................
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..
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...
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.... UV .....
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...
...
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...
...
....
....
...
...
X
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....
...
...
...
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......................................................
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...
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....
...
...
...
...
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....
....
....
....
....
..
..
γ
Mikrowellen-Teleskope: COBE, WMAP, PLANCK
COBE
1989 - 1994
Auflösung 7 Grad
findet T = 2, 725 ± 0.002K
δT/T ≈ 10−5
WMAP
seit 2001
Auflösung 0.3 Grad
findet T = 2, 725 ± 0.002K
δT/T ≈ 10−5
(PLANCK)
verschoben auf 2009
Auflösung 10 Bogenminuten
δT/T ≈ 10−6
PLANCK
Anisotropie der
3-Kelvin-Strahlung
Chicago vom See (Montage)
Die
3-Kelvin-Strahlung aus
jeder
Richtung hat ein Planck-Spektrum.
Der Mittelwert der Temperatur über
alle Richtungen betrágt 2.725 K.
Richtungsabhängige
Schwankungen
um wenige 0.00001 K informieren über
die Materieverteilung 380 000 Jahre
nach dem Big Bang.
Könnten wir im Mikrowellenbereich sehen und dazu noch so kleine Kontraste
wahrnehmen, dann wäre das ein ganz
alltäglicher Anblick von Chicago.
Dunkle Materie schafft Potentialmulden
Zeitpunkt:
Entkopplung (380 000 J nach BB)
Frage:
Gab es genügend große Dichtekontraste für die
Entstehung der heutigen Struktur des Universums?
Vor der Entkopplung galt:
Baryonenplasma allein entwickelt keine ausreichenden Dichtekontraste (Photonenstöße).
Dunkle Materie verstärkte die Restkontraste
aus der Inflation.
Situation bei der Entkopplung:
Baryonen fallen in ausreichend tiefe und breite Potentialmulden der Dunklen Materie.
In diesen Potentialmulden gibt es adiabatische
Baryonenschwingungen.
Die Anisotropie der 3-K-Strahlung zeigt die
heiß/kalt Kontraste dieser Schwingungen.
o
1
”Flacher“ Raum
durch Inflation
BOOMERANG-Projekt:
Ein Ballon-Teleskop umrundet
den Süpol
> 1 Grad
1 Grad
< 1 Grad
Laut Theorie liegt der Hauptpeak der Fleckengröße für einen
flachen Raum bei 1 Grad.
sphärischer Raum > 1 Grad
hyperbolischer Raum > 1 Grad
Die Glättung ist notwendig ein
Ergebnis der Inflation.
sphärisch
flach
hyperbolisch
Flacher Raum - beschleunigte Expansion
Grundgleichungen der Kosmologie:
Ωm + ΩΛ + Ωk = 1
qo =
1
Ω
2 m
− ΩΛ
Mikrowellen-Hintergrund:
flacher Raum Ωk ≈ 0
Supernova-Projekt:
qo ≈ −0.6
2 Gleichungen für Ωm , ΩΛ :
Ωm + ΩΛ ≈ 1
1
Ω
2 m
•
− ΩΛ ≈ −0.6
ΩΛ ≈ 0.73
Ωm ≈ 0.27
Ωcdm ≈ 0.23
Ωb ≈ 0.04
http://cmb.phys.cwru.edu/boomerang
Dunkle Energie heute: Hauptantrieb der Expansion
Atome:
baryonische Materie,
d.h. Protonen, Neutronen,
Elektronen . . .
3/4 davon dunkel
Dunkle Materie:
nichtbaryonische Materie,
d.h. nur schwache und
gravitative Wechselwirkung
WIMPs ? LHC
Dunkle Energie:
wirkt wie Einsteins
kosmologische Konstante
Vakuum? Quintessenz? . . .
Millenium-Simulation:
Ohne Dunkle Materie kein Erfolg
Strukturbildung der Dunklen Materie
0.21 Mrd J, z = 18.3
1.0 Mrd J, z = 5.7
4.7 Mrd J, z = 1.4
13.6 Mrd J, z = 0
Millenium-Simulation
(Nature 2005)
10 Mrd Teilchen
im Würfel
(Kante 2.3 Mrd Lj)
simulieren
20 Mill. Galaxien
mit Dunkler Energie und
Dunkler Materie
Schichtdicke:
15 Mpc/h = 69 Mill Lj
Seitenlänge:
125 Mpc/h = 575 Mill Lj
Galaxien folgen der Struktur der Dunklen Materie
a
b
c
d
Millenium-Simulation
(Nature 2005)
10 Mrd Teilchen
simulieren
20 Mill Galaxien
mit Dunkler Energie und
Dunkler Materie
Endzustand:
t = 13.6 Mrd J
125 Mpc/h = 575 Mill Lj
2 Mpc/h = 9.2 Mill Lj
Galaxien (a, c)
Dunkle Materie (b, d)
Unsere Galaxis enthält Dunkle Materie
Ein Stern, Staub oder Gas umläuft das
galaktische Zentrum im Abstand r mit
der Geschwindigkeit
v(r)
=
s
GM(r)
.
r
M(r) ist die Masse innerhalb der Bahn.
Offenbar sorgt Dunkle Materie auch
in großen Abständen dafür, dass Mr(r)
annähernd konstant bleibt.
leuchtend
Halo
Korona
Ring aus Dunkler Materie: Gravitationslinse
CL 0024+17:
Galaxienhaufen wirkt als Gravitationslinse für Hintergrundgalaxien
Linsenwirkung erfordert Ring
Dunkler Materie
Dem Bild des Galaxienhaufens
ist die Dunkle Materie diffusblau überlagert.
http://apod.nasa.gov/apod
4. Neue Erkenntnisse bringen neue Fragen
•
Das Universum entstand vor 13.7 Mrd Jahren aus einem bisher unverstandenen
Quantensystem.
•
Alle Inhalte (Teilchen, Atome, Sterne, Galaxien, . . . ) entwickelten sich im
Zusammenspiel bindender und zerstörender Einflüsse.
•
Die kosmologische Expansion ist der Schrittmacher der Entwicklung.
Sie wird angetrieben durch die Dunkle Energie und gebremst durch die Gravitation vor allem der Dunklen Materie.
Expansionsgeschwindigkeiten sind nicht durch die Lichtgeschwindigkeit begrenzt.
Messbare Auswirkungen der Expansion in gravitativ gebundenen Systemen (Planetensysteme, Galaxien, . . . ) sind nicht nachgewiesen (aber Pioneer-Anomalie).
•
Hauptforschungsfelder für die Zukunft sind:
Expansionsgeschichte (ferne Supernovae Ia)
Hintergrundstrahlungen
Dunkle Energie (Vakuum, Quintessenz, . . . )
Dunkle Materie (WIMPs, Higgs, . . . )
Gravitation jenseits von Newton (kleine und grosse Abstände, rotierende Massen,
Gravitationswellen, . . . )
