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Woher wissen wir etwas über den Beginn des Universums?

Hat das Universum als heißer Urknall begonnen oder taut es aus einem extrem kalten und fast statischen Zustand langsam auf? Prof. Dr. Christof Wetterich, Physiker an der Universität Heidelberg, hat einen theoretischen Ansatz entwickelt, der das seit fast 100 Jahren gängige Standardmodell der kosmischen Expansion durch ein alternatives Bild ergänzt. Die Urexplosion hat danach nicht vor 13,8 Milliarden Jahren stattgefunden – der „Beginn des Universums“ dehnt sich vielmehr über einen unendlich langen Zeitraum in der Vergangenheit aus. Dabei nimmt die Masse aller Teilchen stetig zu. Statt zu expandieren, schrumpft das Universum über ausgedehnte Zeitabschnitte, wie der Heidelberger Wissenschaftler erläutert.

Den „Beginn des Universums“ beschreiben Kosmologen zumeist als Urknall. Je näher man zeitlich an den Urknall heranrückt, desto stärker krümmt sich die Geometrie von Raum und Zeit. Physiker nennen dies eine Singularität – der Begriff bezeichnet Gegebenheiten, deren physikalische Gesetze nicht definiert sind. Im Fall des Urknalls wird die Krümmung der Raumzeit unendlich groß. Kurz nach dem Urknall war das Universum extrem heiß und dicht. Aber auch ein anderes „Bild“ ist nach den Worten von Prof. Wetterich möglich: Wenn die Massen aller Elementarteilchen mit der Zeit wachsen und die Gravitationskraft schwächer wird, so könnte das Universum auch extrem kalt und langsam begonnen haben. Danach hat das Universum immer schon bestanden, und der früheste Zustand war fast statisch. Die Urexplosion dehnt sich über einen unendlich langen Zeitraum in der Vergangenheit aus. Der Wissenschaftler vom Institut für Theoretische Physik geht davon aus, dass sich die ersten heute indirekt beobachtbaren „Ereignisse“ vor 50 Billionen Jahren zugetragen haben – und nicht im Milliardstel eines Milliardstels einer Milliardstel Sekunde nach dem Urknall. „Eine Singularität gibt es in diesem neuen Bild des Kosmos nicht mehr“, so Prof. Wetterich.

Die Hypothese von Prof. Wetterich beruht auf einem Modell, das die Dunkle Energie und das frühe „inflationäre Universum“ durch ein einziges zeitlich veränderliches Skalarfeld erklärt. Danach wachsen alle Massen mit dem Wert dieses Feldes. „Dies erinnert an das kürzlich in Genf entdeckte Higgs-Boson. Dieses Elementarteilchen hat die Physiker in der Vorstellung bestätigt, dass Teilchenmassen von Feldwerten abhängen und damit veränderlich sind“, erläutert der Heidelberger Wissenschaftler. In Wetterichs Ansatz sind alle Massen proportional zum Wert des sogenannten Kosmonfelds, der im Laufe der kosmologischen Evolution zunimmt. „Natürliche Konsequenz dieses Modells ist das Bild eines Universums, das sich sehr langsam aus einem extrem kalten Zustand entwickelt und dabei über lange Zeitabschnitte schrumpft anstatt zu expandieren“, so Prof. Wetterich.

Das bisherige Bild des Urknalls wird damit allerdings nicht „ungültig“, wie Prof. Wetterich sagt. „Physiker sind es gewohnt, beobachtete Tatsachen in verschiedenen Bildern zu beschreiben.“ So kann Licht sowohl durch Teilchen als auch als Welle dargestellt werden. Wie der Heidelberger Wissenschaftler erläutert, lässt sich sein Modell äquivalent im Bild des Urknalls beschreiben. „Dies ist sehr nützlich für viele praktische Vorhersagen zu den Konsequenzen, die sich aus diesem neuen theoretischen Ansatz ergeben. Stellt man allerdings die Frage nach dem ,Beginn‘ des Universums, so scheint die Beschreibung ohne Singularität eine Reihe von Vorteilen zu bieten“, betont Prof. Wetterich. „Und für das oft geäußerte Unbehagen, dass es doch auch vor dem Urknall etwas gegeben haben muss, gibt es in der neuen Beschreibung keine Grundlage mehr.“

Buchtipp:
Der Widerhall des Urknalls: Spuren einer allumfassenden transzendenten Realität jenseits von Raum und Zeit

Der Anfang allen Seins

Die moderne Kosmologie geht davon aus, dass unser Universum aus dem Nichts entstanden ist. Wenn man so eine Aussage liest oder hört, drängt sich sofort die Frage auf, wie denn aus nichts etwas entstehen kann. Nicht nur das physikalische Prinzip, dass es zu jedem physischen Ereignis eine physische Ursache geben muss, sondern auch der »gesunde Menschenverstand« lässt die Aussage eher als eine philosophische Idee erscheinen und weniger als eine wissenschaftlich fundierte Theorie. Eine wissenschaftliche Theorie muss empirisch überprüfbar sein. Wie kann aber der Anfang allen Seins durch ein Experiment überprüft werden? Welche Fakten sprechen für den Beginn von Raum, Zeit und Materie aus dem Nichts?
Trotz der Zweifel gibt es gute und rational nachvollziehbare Gründe, von einem Beginn des Universums aus dem Nichts auszugehen. Den Beginn, kurz Urknall, darf man sich nicht als eine riesige Explosion im Weltall vorstellen. Der Urknall ist ganz unspektakulär ein nicht näher bekannter physikalischer Zustand, bei dem Raum und Zeit sowie die beteiligten Energien in einem winzigen Bereich extrem hoher Dichte zusammenfallen (Singularität). Wenn die Theorie richtig ist, dann existierte das Weltall vor der Singularität genauso wenig, wie es davor Materie gab. Auch Zeit hätte ihren Ursprung erst im Urknall.
Der englische Astronom Fred Hoyle, der Anhänger eines ewigen, statischen Universums war, wollte durch die unwissenschaftliche Bezeichnung Urknall (engl. »Big Bang«) die Theorie der Urknall-Verfechter unglaubwürdig erscheinen zu lassen. Zu diesen Verfechtern gehörte sein belgischer Kollege, der Theologe und Astrophysiker, Georges Lemaître. Hoyle sprach sich dafür aus, dass sich das Universum in einem Zustand der Gleichförmigkeit (Steady-State-Theorie) ohne Anfang und ohne Ende befinde.
Wie begründete Lemaître die Idee vom Anfang allen Seins aus dem Nichts? Handelte es sich um seine theologische Vorstellung oder gab es harte Fakten?

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Der Widerhall des Urknalls: Spuren einer allumfassenden transzendenten Realität jenseits von Raum und Zeit

 

Supernovae-Explosion: Wie das Weltall vermessen wird

NASA / Tod Strohmayer, GSFC / Dana Berry, Chandra X-Ray Observatory
NASA / Tod Strohmayer, GSFC / Dana Berry, Chandra X-Ray Observatory

Vom genauen Mechanismus hängt es ab, wie gut wir das Verhalten unseres Universums verstehen
Manche Sterne beenden ihr Dasein mit einem enormen Knall: Binnen Stunden steigern sie ihre Helligkeit um das Millionen- oder gar Milliardenfache und leuchten für einige Tage so hell wie eine ganze Galaxie. Astronomen entdecken jedes Jahr mehrere hundert solcher Supernovae, die zumeist in entlegenen Winkeln des Universums aufleuchten.

Supernovae künden aber nicht nur vom gewaltsamen Ende eines Sterns, sondern erweisen sich auch als wichtige Hilfsmittel für die Vermessung des Weltalls. Denn ein spezieller Typ dieser Sternexplosionen, genannt Ia, erreicht stets die gleiche Maximalhelligkeit. Gelingt es, dieses Maximum zu beobachten, dann folgt aus der gemessenen Helligkeit der Supernova direkt ihre Entfernung. Denn so, wie der fernere zweier gleich heller Autoscheinwerfer einem Beobachter lichtschwächer erscheint, verhält es sich auch mit Supernovae: Je größer ihre Distanz zur Erde ist, umso weniger hell erscheinen sie.

Die Entfernungsbestimmung mit Supernovae vom Typ Ia klappt so gut, dass sie sich als Maßstab oder Standardkerze zur Auslotung des Universums verwenden lassen. Seit rund achtzig Jahren ist bekannt, dass sich das Weltall ausdehnt. Aber erst vor wenigen Jahren fanden die Astronomen heraus, dass sich diese Ausdehnung sogar beschleunigt– ein Befund, der sich anhand der Distanzen der Supernovae vom Typ Ia ergab. Um diese Beschleunigung zu erklären, mussten die Wissenschaftler die Existenz einer ominösen »Dunklen Energie« annehmen, die das Universum beschleunigt auseinandertreibt.

Wegen der kosmologischen Bedeutung dieses Supernova-Typs interessieren sich die Astronomen für die Ursachen und den Ablauf der Sternexplosionen. Zwei Arten von Explosionen sind bekannt, in denen jeweils so genannte Weiße Zwerge eine Rolle spielen. Weiße Zwerge bilden das Endstadium verbrauchter Sterne ähnlich unserer Sonne. Bei der einen Art saugt ein Weißer Zwerg Materie von seinem Partnerstern ab. Er macht dies solange, bis er sich gewissermaßen überfressen hat und er von einer thermonuklearen Explosion zerrissen wird. Dies passiert stets mit der gleichen Maximalhelligkeit. Bei der anderen Art bilden zwei Weiße Zwerge ein Doppelsternpaar und verschmelzen schließlich, wobei es ebenfalls zur Supernovaexplosion kommt. Hier hängt die Maximalhelligkeit von der jeweiligen Masse der Weißen Zwerge ab. Die Astronomen besaßen Hinweise darauf, dass die erste Art deutlich häufiger vorkommt und sich Supernovae vom Typ Ia deshalb als Standardkerzen verwenden lassen.

Neue Untersuchungen von Astronomen des Max-Planck-Instituts für Astrophysik in Garching bei München belegen nun, dass nur fünf Prozent aller Supernovaexplosionen vom Typ Ia in elliptischen Galaxien auf Materie aufsammelnde Weiße Zwerge zurückgehen. Offenbar geht der größte Teil der gewaltigen Sternexplosionen auf die Vereinigung zweier Weißer Zwerge zurück, wie der Physiker Jan Hattenbach im aktuellen Mai-Heft der Zeitschrift “Sterne und Weltraum” berichtet. Dieser Befund schränkt allerdings die Verwendung der Supernovae vom Typ Ia als Standardkerzen ein. Denn nun erwarten die Astronomen, dass die Maximalhelligkeiten wegen der unterschiedlichen Massen der Weißen Zwerge bei ihrer Verschmelzung unterschiedlich ausfallen. Spannend ist jetzt, wie sich diese Erkenntnis auf die Messung der beschleunigten Expansion des Raums auswirkt. Quelle: Sterne und Weltraum, Mai 2010 – Bild: Zwei weiße Zwerge, die sich zunehmend enger umkreisen, verschmelzen schließlich was eine Supernova-Explosion zur Folge hat. (c) NASA / Tod Strohmayer, GSFC / Dana Berry, Chandra X-Ray Observatory

Dunkle Energie: Welches Schicksal erwartet unser Universum?

Geheimnisse des Universums: Dunkle Energie

Umstrittene Dunkle Energie

Gibt es eine Alternative, die beschleunigte Expansion des Weltalls zu erklären?
Das Universum scheint sich beschleunigt auszudehnen. Ursache dafür soll eine seltsame neue Energieform sein, Fachleute nennen sie die Dunkle Energie. Das Problem: Niemand weiß wirklich, was diese Dunkle Energie wirklich ist. Bisher suchen sie jedenfalls vergeblich nach Erklärungen für das rätselhafte Verhalten des Kosmos.

Kein Wunder, dass immer wieder alternative Modelle entwickelt werden, um vielleicht ohne exotischen Energieformen auszukommen. Wie zwei Kosmologen von der Oxford University im aktuellen August-Heft von “Spektrum der Wissenschaft” in der Titelgeschichte beschreiben, könnte ein solches Alternativmodell so aussehen: Falls wir kosmisch gesehen inmitten einer Region leben, in der weniger Sterne und andere Materie zu finden sind als anderswo, dann würde sich der astronomische Befund vom gleichmäßig beschleunigten Universum anders darstellen. Dann variiert nämlich die kosmische Expansionsrate mit dem Ort – und das würde den Astronomen eine kosmische Beschleunigung nur vorspiegeln, ohne es wirklich zu sein.

Könnte es also sein, dass wir im Universum nicht in einer gleich verteilten Ansammlung von Sternen und Galaxien leben, wie das kosmische Standardmodell annimmt? Eine riesige Leere um die Erde und ihr Milchstraßensystem herum kommt den meisten Kosmologen deshalb auch sehr unwahrscheinlich vor, doch einige Forscher ziehen sie der mysteriösen Dunklen Energie vor. Was spricht dafür? Was spricht dagegen?

Die Entdeckung des beschleunigten Universums kündigte sich vor vor elf Jahren an. Aus einer winzigen Abweichung in der Helligkeit explodierender Sterne folgerten die Astronomen, sie hätten keine Ahnung, woraus über 70 Prozent des Kosmos bestehen. Sie konnten nur feststellen, dass der Raum anscheinend von einer ganz unvergleichlichen Substanz erfüllt wird, welche die Expansion des Universums nicht bremst, sondern vorantreibt. Diese Substanz erhielt damals den Namen Dunkle Energie.

Inzwischen ist ein Jahrzehnt vergangen, und die Dunkle Energie gibt noch immer so viele Rätsel auf, dass einige Kosmologen die grundlegenden Postulate, aus denen ihre Existenz gefolgert wurde, in Zweifel ziehen. Eines dieser Postulate ist das kopernikanische Prinzip. Ihm zufolge nimmt die Erde keinen zentralen oder sonst wie ausgezeichneten Platz im All ein. Wenn wir dieses Grundprinzip preisgeben, bietet sich eine überraschend einfache Erklärung für die neuen Beobachtungen an.

Wir haben uns längst an die Idee gewöhnt, dass unser Planet nur ein winziger Fleck ist, der irgendwo am Rand einer durchschnittlichen Galaxie einen typischen Stern umkreist. Nichts scheint unseren Ort inmitten von Milliarden Galaxien, die sich bis an unseren kosmischen Horizont erstrecken, besonders auszuzeichnen. Doch woher nehmen wir diese Bescheidenheit? Und wie könnten wir herausfinden, ob wir nicht doch einen speziellen Platz einnehmen? Meist drücken sich die Astronomen um diese Fragen und nehmen an, unsere Durchschnittlichkeit sei offensichtlich genug. Die Idee, wir könnten tatsächlich einen besonderen Ort im Universum bewohnen, ist für viele undenkbar. Dennoch ziehen einige Physiker dies seit Kurzem in Betracht.

Zugegeben: Die Annahme, wir seien kosmologisch unbedeutend, erklärt viel. Mit ihrer Hilfe können wir von unserer kosmischen Nachbarschaft auf das Universum im Großen und Ganzen schließen. Alle gängigen Modelle des Universums beruhen auf dem kosmologischen Prinzip. Die beschleunigte Expansion war also die große Überraschung, mit der die aktuelle Revolution in der Kosmologie begann.

Angenommen, die Expansion verlangsamt sich überall, weil die Materie an der Raumzeit zieht und sie bremst. Nehmen wir ferner an, dass wir in einer gigantischen kosmischen Leere leben – in einem Gebiet, das zwar nicht völlig leer gefegt ist, wo aber die mittlere Materiedichte nur etwa halb so groß ist wie anderswo. Je leerer eine Raumregion ist, desto weniger Materie bremst dort die räumliche Expansion, und entsprechend höher ist die Expansionsgeschwindigkeit innerhalb des Leerraums. Am höchsten ist sie in der Mitte; zum Rand hin, wo sich die höhere Dichte des Außenraums bemerkbar macht, nimmt sie ab. Zu jedem Zeitpunkt expandieren verschiedene Raumpartien unterschiedlich schnell – wie der ungleichmäßig aufgeblasene Luftballon.

Wie ausgefallen ist diese Idee einer monströsen Abnormität? Auf den ersten Blick sehr. Sie scheint in eklatantem Widerspruch zur kosmischen Hintergrundstrahlung zu stehen, die bis auf Hunderttausendstel genau gleichförmig ist, ganz zu schweigen von der im Großen und Ganzen ebenmäßigen Verteilung der Galaxien. Doch bei näherer Betrachtung muten diese Indizien weniger zwingend an. Die Gleichförmigkeit der Reststrahlung erfordert nur, dass das Universum in jeder Richtung nahezu gleich aussieht. Wenn eine Leere ungefähr kugelförmig ist und wir einigermaßen nahe ihrem Zentrum sitzen, muss sie nicht unbedingt den Beobachtungen widersprechen.

In kommenden Jahren werden Himmelsbeobachtungen zwischen beiden Erklärungen entscheiden.
Quelle: Spektrum der Wissenschaft, August 2009

Dunkle Energie: größtem Rätsel der Astrophysik auf der Spur

Video: Dunkle Materie dunkle Energie

Ist die Dunkle Energie der fundamentale Baustein des Universums oder ist es Bewusstsein, wie im Buch “Unsterbliches Bewusstsein: Raumzeit-Phänomene, Beweise und Visionen” dargestellt? Oder hängt beides womöglich zusammen? Das astrophysikalische Institut in Potsdam (AIP) wird ab 2010 verstärkt nach der geheimnisvollen dunklen Energie fahnden und zur Lösung der Rätsel durch einen innovativen Multikanalspektrographen beitragen.

(idw), Am dunklen Nachthimmel über West-Texas beobachtet das 9.2m große Hobby-Eberly Teleskop (HET) des McDonald Observatoriums die Tiefen des Weltalls. Es ist einem der größten Rätsel der Astrophysik auf der Spur: der sogenannten “Dunklen Energie”, einem Phänomen das eng mit der Zukunft unseres Weltalls verknüpft ist. Die Wissenschaftler wollen nun durch die Vermessung von Millionen Galaxien erstmals Näheres über die Eigenschaften der mysteriösen Dunklen Energie in Erfahrung bringen . Ein speziell am Astrophysikalischen Institut Potsdam (AIP) entwickeltes Glasfaserbündel ermöglicht die gleichzeitige Erfassung und Spektroskopie von hunderten von Punkten eines Himmelsauschnitts für dieses ehrgeizige Projekt. Um die Entfernungen zu den Galaxien bestimmen zu können, müssen die Astronomen diese Objekte nicht nur finden, sondern ihr Licht auch spektroskopisch analysieren, d.h. in seine Anteile verschiedener Wellenlängen zerlegen. Dafür wird das Teleskop mittels des Faserbündels an einen leistungsfähigen Multikanalspektrographen (genannt VIRUS) angeschlossen. Ein Prototyp des VIRUS Faserbündels und des Spektrographen wurde nun erstmals erfolgreich am Teleskop eingesetzt. Ab 2010 soll eine großräumige Durchsuchung des Himmels beginnen.

“Wenn es gelingt, die statistische Verteilung von entfernten Galaxien in Raum und Zeit zu bestimmen, so lässt dies Rückschlüsse auf die Natur der Dunklen Energie zu”, erklärt Andreas Kelz, der als Wissenschaftler des AIP an der Entwicklung des Instruments beteiligt ist. Bis vor kurzen glaubten Astronomen, dass es für das Schicksal des Universums zwei mögliche Szenarien gibt: Entweder enthält das Universum so viel Materie, dass ihre Anziehungskraft die gegenwärtig zu beobachtende Ausdehnung bremst und das Universum letztendlich in sich kollabieren läßt, oder die Expansion geht, wenn auch verlangsamt, unendlich weiter.

Neuere Beobachtungen hingegen legen nahe, dass sich das Universum vielmehr beschleunigt ausdehnt, es also eine Art Anti-Schwerkraft gibt, welche das Universum auseinandertreibt. Diese ‘Dunkle Energie’ genannte Kraft ist noch völlig unverstanden, auch wenn angenommen wird, dass sie 70% der Gesamtenergie des Universums ausmacht.
“Die Idee einer Energie, welche der Schwerkraft entgegenwirkt ist nicht neu.”, berichtet Matthias Steinmetz, wiss. Vorstand des AIP und Co-Ermittler. “Bereits Einstein postulierte sie 1920, hatte seine kosmologische Konstante dann aber wieder als ‘größte Eselei’ seines Lebens verworfen. Durch die aktuellen Messungen bekommt sie aber wieder neue Brisanz.”