Expansion des Alls
Expansion des Weltalls
Nachdem das Kunststück gelungen war, durch Beobachtungen und Theorien die Geschichte des Universums fast 15 (zur Zeit aktueller Wert (13,7 Milliarden Jahre) hinein in die Vergangenheit zu verfolgen, drängte sich natürlich auch die Frage nach der Zukunft des Weltalls auf. Theoretisch scheint dieses Problem ganz einfach lösbar, wenn man die mittlere Dichte der Materie im Universum kennt. Denn offensichtlich ist die Expansion des Weltalls auf die ihm beim „Urknall“ vermittelte Energie zurückzuführen. Der Fluchtgeschwindigkeit der Galaxien wirkt jedoch die Gravitationskraft der Massen im Weltall entgegen, so dass es zu einer Abbremsung der Expansion kommen muss. Die Expansion kann also nicht zu allen Zeiten gleich schnell verlaufen sein. Vielmehr musste man erwarten, dass sie in der Gegenwart geringer ausfällt als in früheren Zeiten.
Um theoretisch abschätzen zu könne, ob die Ausdehnung des Universums letztlich den Sieg über die Anziehungskraft der Massen davontragen wird, mithin die Expansion für alle Zeiten fortdauert oder nicht, benötigt man konkrete Kenntnisse. Einerseits muss man genau wissen, wie die Expansion eigentlich verläuft, das heißt, um welchen Betrag die Geschwindigkeit der Galaxien mit zunehmender Entfernung ansteigt. Dies sagt uns der so genannte Hubble-Parameter (oder auch Hubble-Konstante). Er gibt an, um welchen Betrag die Geschwindigkeiten der Galaxien bei einer Entfernungszunahme um eine Million Parsec ( 1 Mpc = 3,26 Millionen Lichtjahre) zunimmt. Man kann aber auch berechnen, bei welcher kritischen Dichte der Materie im Weltall diese Expansion zum Stillstand kommt, so dass unser Universum wieder in sich zurück fällt.
Kritische Dichte
Die Ausdehnung des Weltalls wird durch die wechselseitige Schwerkraft der gesamten Materie im Weltall hervorgerufen. Je höher die kosmische Materiedichte ist, umso stärker ist diese Abbremsung.
Oberhalb einer bestimmten Dichte (abhängig von der Expansionsgeschwindigkeit) kann die Schwerkraft sogar die Ausdehnung in Zukunft zum Stillstand bringen und in eine Kontraktion umkehren. Es handelt sich dann um ein „geschlossenes Universum“. Wenn es durch die Expansion eine bestimmte Größe erreicht, zieht es sich wieder zusammen und kollabiert in einem umgekehrten Urknall, dem sogenannten „Big Crunch“. Dabei wird das Universum immer heißer und dichter, bis alle Materie auf unvorstellbar kleinen Raum konzentriert. Dies könnte nach Ansicht einiger Wissenschaftler der Beginn eines neuen Urknalls sein.
Eines der Hauptinteressen der Kosmologie ist die Suche nach zwei Zahlen: der Hubble-Konstante (Ho), die eine Maßeinheit für die Expansionsgeschwindigkeit des Weltalls ist, und der durchschnittlichen Materiedichte des Weltalls, gekennzeichnet mit dem griechischen Großbuchstaben Omega (W).
Wenn W gleich 1 ist, so bedeutet dies, dass die wirkliche Materiedichte gleich der kritischen Dichte ist und die Expansion kommt dann irgendwann zum Erliegen. Ist W kleiner als 1, dann wird sich das Weltall ewig ausdehnen. Man spricht dann von einem „offenen Universum“. Ist W größer als 1, dann kehrt sich die Ausdehnung irgendwann wieder in eine Kontraktion um. (Geschlossenes Universum).
Nach Einsteins Relativitätstheorie besteht zudem eine enge Beziehung zwischen dem Wert von W und der Krümmung des Raums. Ein „geschlossenes Weltall“ mit hoher Materialdichte ist positiv gekrümmt: Parallele Linien laufen zusammen; die Summe der Winkel eines Dreiecks ist größer als 180o und der Umfang eines Kreises mit einem Durchmesser D ist kleiner als pD. Ein „offenes Weltall“ mit niedrigerer Materiedichte ist negativ gekrümmt: Parallele Linien laufen auseinander, die Summe der Winkel eines Dreiecks ist kleiner als 180o und der Umfang eines Kreises ist größer als pD. Ein „kritisches Weltall“, in dem W gleich 1 ist, zeigt die flache Geometrie (Euklidsche Geometrie), die wir kennen.
Leider sind die beiden Zahlen jedoch nur sehr schwer zu ermitteln. Über den Wert des Hubble-Parameters gibt es seit Längerem einen erbitterten Streit unter den Astrphsikern. Sicher ist, dass der Hubble-Parameter zwischen 55 Kilometer/(s*Mpc) und 100 Kilometer/(s*Mpc) liegt. Das bedeutet: Die Zunahme der Fluchtgeschwindigkeit der Galaxien liegt zwischen 55 Kilometern pro Sekunde und 100 Kilometer pro Sekunde je eine Million Parsec. Sollte die wirkliche Expansion durch den kleineren Wert richtig wiedergegeben sein, würde die kritische Dichte der Materie im Weltraum rund 6*10-30 g/cm3 betragen. Falls jedoch 100 Kilometer/(s*Mpc) der richtige Wert des Hubble-Parameters ist, beträgt die kritische Dichte nur rund 2*10-29 g/ cm3. Das ist unvorstellbar wenig. Denken wir uns alle Galaxien mit ihren Sternen und Gaswolken gleichmäßig über das Volumen des Weltalls verteilt, so würden wir dann nur noch ein Atom in 10 Kubikmetern antreffen. Bleibt die tatsächliche Dichte unter dem Wert der kritischen Dichte, sind die Massen des Universums nicht in der Lage, die Expansion zum Stillstand zu bringen, und das Weltall wird auf unendliche Zeiten immer größer und dünner. Die Ermittlung des Hubble-Parameters erfordert genaue Entfernungsangaben der Objekte, deren Fluchtgeschwindigkeit man aus den Doppler-Verschiebungen der Spektrallinien bestimmt. Doch je größer die Entfernungen werden, umso ungenauer sind die Ergebnisse der Entfernungsmessungen. Auf Grund von neueren Messungen wird heute angenommen, dass der Hubble-Parameter zwischen 67 und 75 Kilometer/(s*Mpc) liegt. Was die kritische Dichte anlangt, so benötigen wir die Massen je Volumeneinheit. Dazu sind genaue Massebestimmungen ebenso notwendig wie die Kenntnis der jeweils erfassten Volumina. Letzteres läuft wieder auf die Genauigkeit der Entfernungsbestimmungen von Galaxien hinaus. Doch gerade auch die Ermittlung der Massen ist ein großes Problem. Den größten Anteil der verborgenen Masse liefert die dunkle Materie.
Genauere Entfernungsangaben hatte man sich von dem 1989 gestarteten astrometrischen Satelliten Hipparcos und vom weiteren Einsatz des Hubble-Weltraumtelekops erwartet.
Die Ergebnisse wurden durch eine völlig unerwartete Überraschung gekrönt, die sich bei genauer Untersuchungen der Supernovae vom Typ Ia als „Standardkerzen“ im Kosmos ergab. Von diesen explodierenden Sternen weiß man, dass sie eine bestimmte (absolute) Maximumshelligkeit aufweisen. Wegen ihrer enormen Helligkeit können sie bis in riesige Entfernungen wahrgenommen werden. Woran es lange mangelte, war eine genügend genaue Eichung, das heißt, eine genaue Bestimmung der absoluten Helligkeiten der Supernovae im Maximum ihrer Helligkeit auf unabhängigem Wege. Mit dem Hubble-Weltraumtelekop ist dies gelungen. Somit konnte man die Beziehung zwischen der Expansionsgeschwindigkeit ferner Galaxien und ihrer Entfernung nunmehr wesentlich genauer angeben als zuvor. Das verblüffende Ergebnis: Sehr weit entfernte Galaxien bewegen sich langsamer als nach dem Hubble-Gesetz zu erwarten. Da wir mit dem Blick in große Distanzen zugleich auch in eine entsprechend ferne Vergangenheit zurückblicken, bedeutet dies: Die Expansion des Universums verlief früher langsamer als heute. Mit anderen Worte: Das Universum fliegt zunehmend schneller auseinander. Doch was ist die Ursache dieser beschleunigten Expansion? Einstweilen hat man sich mit einem neuen Begriff beholfen: Dunkle Energie! Dieses „Etwas“ hat die Eigenschaft, das Universum gegen die Anziehungskraft seiner Massen auseinander zutreiben – eine Art Antigravitation. Eine solche „abstoßende Kraft“ hatte auch Einstein schon in Gestalt einer „kosmologischen Konstanten Lamda“ seinen Gleichungen vom Jahr 1917 hinzugefügt, um das Zusammenbrechen des von ihm statisch gedachten Weltraums zu verhindern. Als dann die Expansion des Weltalls entdeckt wurde, hat er Lamda wieder gestrichen und als „größte Eselei seines Lebens“ bezeichnet. Nun kehrt die Konstante wieder. Doch was sich dahinter verbirgt, weiß man trotzdem noch nicht. Vielleicht ist es ein Effekt der so genannten Quantenvakuumenergie. Doch es gibt noch andere Erklärungsansätze, über die zurzeit keine Entscheidungen möglich sind. In der nächsten Zeit wird es vor allem darauf ankommen, die beschleunigte Expansion quantitativ noch genauer zu studieren, das heißt, weiteres Beobachtungsmaterial zu gewinnen. Schon jetzt weiß man, dass die ominöse Abstoßung nicht immer gewirkt hat, sondern erst vor 6 Milliarden Jahren einsetzte. Es könnte also auch geschehen, dass sie plötzlich wieder verschwindet.
Dunkle Materie und Dunkle Energie haben das astronomische Weltbild gründlich durcheinander gebracht.
Quelle: Wikipedia
Um theoretisch abschätzen zu könne, ob die Ausdehnung des Universums letztlich den Sieg über die Anziehungskraft der Massen davontragen wird, mithin die Expansion für alle Zeiten fortdauert oder nicht, benötigt man konkrete Kenntnisse. Einerseits muss man genau wissen, wie die Expansion eigentlich verläuft, das heißt, um welchen Betrag die Geschwindigkeit der Galaxien mit zunehmender Entfernung ansteigt. Dies sagt uns der so genannte Hubble-Parameter (oder auch Hubble-Konstante). Er gibt an, um welchen Betrag die Geschwindigkeiten der Galaxien bei einer Entfernungszunahme um eine Million Parsec ( 1 Mpc = 3,26 Millionen Lichtjahre) zunimmt. Man kann aber auch berechnen, bei welcher kritischen Dichte der Materie im Weltall diese Expansion zum Stillstand kommt, so dass unser Universum wieder in sich zurück fällt.
Kritische Dichte
Die Ausdehnung des Weltalls wird durch die wechselseitige Schwerkraft der gesamten Materie im Weltall hervorgerufen. Je höher die kosmische Materiedichte ist, umso stärker ist diese Abbremsung.
Oberhalb einer bestimmten Dichte (abhängig von der Expansionsgeschwindigkeit) kann die Schwerkraft sogar die Ausdehnung in Zukunft zum Stillstand bringen und in eine Kontraktion umkehren. Es handelt sich dann um ein „geschlossenes Universum“. Wenn es durch die Expansion eine bestimmte Größe erreicht, zieht es sich wieder zusammen und kollabiert in einem umgekehrten Urknall, dem sogenannten „Big Crunch“. Dabei wird das Universum immer heißer und dichter, bis alle Materie auf unvorstellbar kleinen Raum konzentriert. Dies könnte nach Ansicht einiger Wissenschaftler der Beginn eines neuen Urknalls sein.
Eines der Hauptinteressen der Kosmologie ist die Suche nach zwei Zahlen: der Hubble-Konstante (Ho), die eine Maßeinheit für die Expansionsgeschwindigkeit des Weltalls ist, und der durchschnittlichen Materiedichte des Weltalls, gekennzeichnet mit dem griechischen Großbuchstaben Omega (W).
Wenn W gleich 1 ist, so bedeutet dies, dass die wirkliche Materiedichte gleich der kritischen Dichte ist und die Expansion kommt dann irgendwann zum Erliegen. Ist W kleiner als 1, dann wird sich das Weltall ewig ausdehnen. Man spricht dann von einem „offenen Universum“. Ist W größer als 1, dann kehrt sich die Ausdehnung irgendwann wieder in eine Kontraktion um. (Geschlossenes Universum).
Nach Einsteins Relativitätstheorie besteht zudem eine enge Beziehung zwischen dem Wert von W und der Krümmung des Raums. Ein „geschlossenes Weltall“ mit hoher Materialdichte ist positiv gekrümmt: Parallele Linien laufen zusammen; die Summe der Winkel eines Dreiecks ist größer als 180o und der Umfang eines Kreises mit einem Durchmesser D ist kleiner als pD. Ein „offenes Weltall“ mit niedrigerer Materiedichte ist negativ gekrümmt: Parallele Linien laufen auseinander, die Summe der Winkel eines Dreiecks ist kleiner als 180o und der Umfang eines Kreises ist größer als pD. Ein „kritisches Weltall“, in dem W gleich 1 ist, zeigt die flache Geometrie (Euklidsche Geometrie), die wir kennen.
Leider sind die beiden Zahlen jedoch nur sehr schwer zu ermitteln. Über den Wert des Hubble-Parameters gibt es seit Längerem einen erbitterten Streit unter den Astrphsikern. Sicher ist, dass der Hubble-Parameter zwischen 55 Kilometer/(s*Mpc) und 100 Kilometer/(s*Mpc) liegt. Das bedeutet: Die Zunahme der Fluchtgeschwindigkeit der Galaxien liegt zwischen 55 Kilometern pro Sekunde und 100 Kilometer pro Sekunde je eine Million Parsec. Sollte die wirkliche Expansion durch den kleineren Wert richtig wiedergegeben sein, würde die kritische Dichte der Materie im Weltraum rund 6*10-30 g/cm3 betragen. Falls jedoch 100 Kilometer/(s*Mpc) der richtige Wert des Hubble-Parameters ist, beträgt die kritische Dichte nur rund 2*10-29 g/ cm3. Das ist unvorstellbar wenig. Denken wir uns alle Galaxien mit ihren Sternen und Gaswolken gleichmäßig über das Volumen des Weltalls verteilt, so würden wir dann nur noch ein Atom in 10 Kubikmetern antreffen. Bleibt die tatsächliche Dichte unter dem Wert der kritischen Dichte, sind die Massen des Universums nicht in der Lage, die Expansion zum Stillstand zu bringen, und das Weltall wird auf unendliche Zeiten immer größer und dünner. Die Ermittlung des Hubble-Parameters erfordert genaue Entfernungsangaben der Objekte, deren Fluchtgeschwindigkeit man aus den Doppler-Verschiebungen der Spektrallinien bestimmt. Doch je größer die Entfernungen werden, umso ungenauer sind die Ergebnisse der Entfernungsmessungen. Auf Grund von neueren Messungen wird heute angenommen, dass der Hubble-Parameter zwischen 67 und 75 Kilometer/(s*Mpc) liegt. Was die kritische Dichte anlangt, so benötigen wir die Massen je Volumeneinheit. Dazu sind genaue Massebestimmungen ebenso notwendig wie die Kenntnis der jeweils erfassten Volumina. Letzteres läuft wieder auf die Genauigkeit der Entfernungsbestimmungen von Galaxien hinaus. Doch gerade auch die Ermittlung der Massen ist ein großes Problem. Den größten Anteil der verborgenen Masse liefert die dunkle Materie.
Genauere Entfernungsangaben hatte man sich von dem 1989 gestarteten astrometrischen Satelliten Hipparcos und vom weiteren Einsatz des Hubble-Weltraumtelekops erwartet.
Die Ergebnisse wurden durch eine völlig unerwartete Überraschung gekrönt, die sich bei genauer Untersuchungen der Supernovae vom Typ Ia als „Standardkerzen“ im Kosmos ergab. Von diesen explodierenden Sternen weiß man, dass sie eine bestimmte (absolute) Maximumshelligkeit aufweisen. Wegen ihrer enormen Helligkeit können sie bis in riesige Entfernungen wahrgenommen werden. Woran es lange mangelte, war eine genügend genaue Eichung, das heißt, eine genaue Bestimmung der absoluten Helligkeiten der Supernovae im Maximum ihrer Helligkeit auf unabhängigem Wege. Mit dem Hubble-Weltraumtelekop ist dies gelungen. Somit konnte man die Beziehung zwischen der Expansionsgeschwindigkeit ferner Galaxien und ihrer Entfernung nunmehr wesentlich genauer angeben als zuvor. Das verblüffende Ergebnis: Sehr weit entfernte Galaxien bewegen sich langsamer als nach dem Hubble-Gesetz zu erwarten. Da wir mit dem Blick in große Distanzen zugleich auch in eine entsprechend ferne Vergangenheit zurückblicken, bedeutet dies: Die Expansion des Universums verlief früher langsamer als heute. Mit anderen Worte: Das Universum fliegt zunehmend schneller auseinander. Doch was ist die Ursache dieser beschleunigten Expansion? Einstweilen hat man sich mit einem neuen Begriff beholfen: Dunkle Energie! Dieses „Etwas“ hat die Eigenschaft, das Universum gegen die Anziehungskraft seiner Massen auseinander zutreiben – eine Art Antigravitation. Eine solche „abstoßende Kraft“ hatte auch Einstein schon in Gestalt einer „kosmologischen Konstanten Lamda“ seinen Gleichungen vom Jahr 1917 hinzugefügt, um das Zusammenbrechen des von ihm statisch gedachten Weltraums zu verhindern. Als dann die Expansion des Weltalls entdeckt wurde, hat er Lamda wieder gestrichen und als „größte Eselei seines Lebens“ bezeichnet. Nun kehrt die Konstante wieder. Doch was sich dahinter verbirgt, weiß man trotzdem noch nicht. Vielleicht ist es ein Effekt der so genannten Quantenvakuumenergie. Doch es gibt noch andere Erklärungsansätze, über die zurzeit keine Entscheidungen möglich sind. In der nächsten Zeit wird es vor allem darauf ankommen, die beschleunigte Expansion quantitativ noch genauer zu studieren, das heißt, weiteres Beobachtungsmaterial zu gewinnen. Schon jetzt weiß man, dass die ominöse Abstoßung nicht immer gewirkt hat, sondern erst vor 6 Milliarden Jahren einsetzte. Es könnte also auch geschehen, dass sie plötzlich wieder verschwindet.
Dunkle Materie und Dunkle Energie haben das astronomische Weltbild gründlich durcheinander gebracht.
Quelle: Wikipedia
© Matthias Voß