Das expandierende Universum

Von allen Fragen, die die Menschheit bewegen, sind die nach dem Ursprung und der Zukunft des Weltalls, mit denen sich die Astronomie beschäftigt, von besonderem Interesse. Auch durch überraschende Forschungsergebnisse in neuerer Zeit haben sie nichts von ihrer Faszination, aber auch Schwierigkeit, verloren. Der Doppler-Effekt
Wenn sich ein leuchtender Körper auf uns zu bewegt, erscheinen die Wellenlängen seines Lichts gegenüber dem Ruhezustand quasi zusammengeschoben, also verkürzt – mit der Folge, dass sein Spektrum zu blau wird. Das Umgekehrte gilt, wenn sich der Körper von uns entfernt. Diese Erscheinung heißt Doppler-Effekt, nach dem österreichischen Physiker Christian Doppler (1803-53), der 1842 zuerst auf sie hinwies. Übrigens macht sie sich auch bei Schallwellen in der Tonhöhenänderung eines rasch vorbeifahrenden Fahrzeugs (z. B. Lokomotivpfeife) bemerkbar. Das Spektrum einer entfernten Galaxie besteht aus den vereinigten Spektren vieler Millionen Sterne. Aber die wichtigsten Linien sind darin zu erkennen, es hat sich gezeigt, dass mit Ausnahme einiger Mitglieder der Lokalen Gruppe alle diese Spektren nach Rot verschoben sind. Wenn es sich dabei wirklich um den Doppler-Effekt handelt, muss sich also das ganze Universum in Expansion befinden. Hinzu kommt, dass diese Rotverschiebung um so größer ist, je weiter die betreffende Galaxie von uns entfernt liegt. Das hatten die Arbeiten von Edwin Hubble (1889-1953) in den Jahren nach 1923 an dem Mt.-Wilson-Observatorium ergeben, als Hubble erstmals nachweisen konnte, dass manche »Nebel« am Himmel in Wirklichkeit entfernte Galaxien und nicht Objekte innerhalb unseres Milchstraßensystems sind. Das Verhältnis von der aus spektraler Rotverschiebung nach Doppler berechneten Entweichgeschwindigkeit und der nach anderen Kriterien geschätzten Entfernung extragalaktischer Systeme wurde im folgenden als Hubble-Konstante bezeichnet. Sichere Hinweise auf Abweichungen sind bisher nicht festgestellt worden. Weltmodelle
Schon etliche Jahre, bevor Hubbles Beobachtungen an eine Expansion des Universums denken ließen, fand der holländische Astronom Willem de Sitter (1872-1934) eine Lösung der 1917 von Albert Einstein (1879-1955) veröffentlichten kosmologischen Theorie. Bald danach entdeckte Alexander Friedmann (1888 bis 1925) in Moskau eine Vielfalt von Lösungen der Einsteinschen Gleichungen, bei denen Radius und mittlere Dichte der Welt sich in Abhängigkeit von der Zeit ändern. Die so gefundenen Weltmodelle ergaben je nach Wahl der eingehenden Parameter Universen, die sich im Lauf der Zeit unbeschränkt ausdehnen oder schließlich in sich zusammenstürzen. Viele bedeutende Theoretiker wie Arthur Eddington (1882-1944) und Georges Lemaitre (1894-1966) entwickelten Weltmodelle für ein expandierendes Universum, die alle einen zeitlichen Anfang gemeinsam hatten, in dem die Urmaterie auf einem unendlich kleinen Raum zusammengedrängt war. George Gamow (1904-68) trug 1946 den – als »Theorie vom Urknall« weithin bekannt gewordenen – Gedanken vor, dass dieser Anfangszustand durch extrem hohe Temperatur mit daraus folgender uranfänglicher Explosion gekennzeichnet gewesen wäre, ferner, dass die chemischen Elemente in den ersten Minuten nach Beginn der Expansion aus dem zuerst allein vorhandenen Wasserstoff entstanden wären. Jüngere Astrophysiker wie Fred Hoyle und Tuberg Gold vertraten ab 1948 eine Hypothese, die den Anfang des Universums in der Zeit mit der Behauptung bestritt, dass sich die Welt in einem Zustand ständiger Neuschöpfung von Materie befände. Danach würden laufend genügend Wasserstoffatome allenthalben gewissermaßen aus dem Nichts entstehen, um die mittlere Dichte der Materie im Universum trotz ständiger Expansion konstant zu halten. Da entdeckten 1965 Forscher der Bell Telephone Laboratories in New Jersey durch Zufall, dass aus allen Richtungen des Himmels völlig gleichmäßig eine Strahlung kommt, deren maximale Intensität bei 7 cm Wellenlänge liegt. Vieles spricht dafür, dass es sich dabei um eine Reststrahlung des »Urknalls« handelt, wie ihn Gamow annahm. Entwicklungsfragen des Weltalls
Seit der Entdeckung der universellen 7-cm-Strahlung dürfte die Hypothese von einem im Dauerzustand befindlichen Weltall zwar endgültig erledigt sein, aber andere große Probleme bestehen fort – z. B. die Frage, ob die Materie des Universums durch ihre Gravitation die Expansionskräfte letztlich überwinden kann. Die kritische Dichte liegt bei 2 • 10-29 g pro cm3. Das ist an sich eine unvorstellbare kleine Zahl. Wir wissen aber nicht, wie groß der Anteil unbeobachteter diffuser Materie an der Gesamtmasse ist. Wahrscheinlich darf man eher auf eine Lösung hoffen, wenn genaue Daten über Änderungen der Entweichgeschwindigkeit sehr weit entfernter Objekte, etwa der Quasare, vorliegen. Noch schwieriger ist das Problem des Anfangs der Welt zu fassen. Die Theorie verlangt eine unendlich hohe Dichte zur Zeit Null. Die erwähnten Mikrowellenbeobachtungen dürften etwas über den Zustand ungefähr eine Minute danach aussagen. In physikalischen Theorien beschäftigt man sich bereits mit den möglichen Vorgängen in der allerersten Sekunde. Auch der Ausdruck »Anfang der Welt« ist nicht in einem absoluten Sinne zu verstehen, sondern nur als der früheste Zeitpunkt, der für die heutige Wissenschaft prinzipiell erfassbar sein könnte.

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Info 18.11.2017 13:03
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