Kosmologie

Junge im Raumanzug

Toll!

Die Wissenschaftler glauben, dass das Universum zwischen 10 und 20 Milliarden Jahre alt ist!

Wie Astronomen aus allen frühen Weltkulturen hatten auch die antiken Griechen Probleme, das Universum zu verstehen. Thales - oft als Vater der griechischen Naturwissenschaften und Mathematik bezeichnet - stellte Fragen über das Universum, die nichts mit den Handlungen von Göttern oder Dämonen zu tun hatten. Es wird gesagt, dass Thales die Brücke bildet zwischen den Mythen und der Welt des Verstandes. Er benutzte astronomische Aufzeichnungen der Babylonier und Ägypter, um eine Sonnenfinsternis im sechsten Jahrhundert vor unserer Zeitrechnung vorherzusagen. Thales glaubte, dass die Erde eine flache Scheibe sei, die auf dem Wasser schwimmt.

Aristotles lebte von 384 bis 322 v.Chr. und glaubte, dass die Erde rund sei. Aussedrdem dachte er, dass die Erde das Zentrum des Universums ist und das Sonne, Mond, Planeten und Sterne um die Erde kreisen. Aristoteles Ideen waren unter seinen Zeitgenossen weit verbreitet. Eine Ausnahme war Aristachus ein Jahrhundert später. Er war einer der ersten Anhänger des heliozentrischen Weltbildes. Um 100 v.Chr. berechnete Hipparchos - der wichtigste griechische Astronom seiner Zeit - die relative Helligkeit von mehr als 1000 Sternen. Er konnte auch die Entfernung des Mondes von der Erde berechnen.

Aristotles

Der erste Astronom, der wissenschaftliche Karten des Himmels anfertigte, war Claudius Ptolemäus. Er lebte etwa 300 Jahre nach Hipparchos. Wie die meisten Astronomen vor ihm, behauptete auch Ptolemäus, dass Sonne, Mond und alle anderen Planeten um die Erde kreisen. Er glaubte, dass sich jeder Himmelskörper auf einem kleinen Hilfskreis (Epizykel) befindet, der sich selbst um die Erde bewegt. Dadurch konnte man verstehen, warum sich die Planeten manchmal rückwärts am Himmel bewegen. Dieses Weltbild wurde 1500 Jahre lang akzeptiert. Es wurde erst ernsthaft angezweifelt, als 1543 der polnische Mönch Nikolaus Kopernikus sein heliozentrisches Weltbild veröffentlichte. Weil die Kirche lehrte, das sich die Erde im Zentrum des Universums befindet, wurde die Theorie von Koperinkus als Ketzerei bezeichnet. Das ist wahrscheinlich auch der Grund, warum Kopernikus nicht wollte, dass seine Ideen noch zu seinen Lebzeiten veröffentlicht wurden. Sein Buch "Über die Bewegung der Himmelskörper" wurde von der Kirche mit grosser Feindschaft bekämpft. Aufgrund Tycho Brahes exakten Beobachtungen der Planetenbewegung und Galileos Himmelsbeobachtungen mit dem Teleskop setzte sich Kopernikus seine Idee aber immer weiter durch.

Weltbild von Aristoteles mit der Erde im Zentrum, die von Sonne
Mond und Planeten umkreist wird Weltbild von Koperinkus, indem sich die Sonne im Zentrum befindet
und von der Erde und allen anderen Planeten umkreist wird

Eines Nachts im Jahre 1572 sah der dänische Astronom Tycho Brahe etwas, das er für einen neuen Stern im Sternbild Cassiopeia hielt. Heute wissen wir, dass er eine Supernova gesehen hat. Im Jahre 1604 wurde eine weitere Supernova gesichtet. Dadurch stellten viele Wissenschaftler das Weltbild von Ptolemäus in Frage, nachdem die Sphäre der Fixsterne für alle Zeit unveränderlich sein sollte.

Im Jahre 1609 hörte der italiänische Wissenschaftler Galileo Galilei von der Erfindung des Fernrohres. Daraufhin baute er sich eines nach und richtete es gegen den Himmel. Eines seiner ersten Entdeckungen waren vier Monde, die um den Jupiter kreisten. Sein Teleskop enthüllte ein verkleinertes Modell von Kopernikus seinem Sonnensystems, indem Monde um einen Planeten kreisen. Diese Entdeckung änderte das Gesicht der Astronomie für immer.

Der Anfang moderner Wissenschaft kann Galileo und dem Genie Isaac Newton zugeschrieben werden. Newton wurde im gleichen Jahr geboren, in dem Galileo starb. Isaac Newton erklärte bekannte Tatsachen mit Hilfe der Mathematik. Er entwickelte mathematische Gesetze, die die Bewegungen von Objekten auf der Erde und auch von Himmelsobjekten erklären. Newton beschrieb die Bewegung der Planeten aufgrund der Gravitations-Anziehung der Sonne. Seine Gesetze gehen davon aus, dass sich nichts in Ruhe befindet. Er schlussfolgerte, dass sich alle Himmelskörper stets in Bewegung befindnen - ohne Begrenzung von Raum und Zeit.

Im Jahre 1917 stellte Albert Einstein eine neue Beschreibung des Universums vor, die auf seiner allgemeinen Relativitätstheorie beruhte. Seine Theorie inspirierte viele andere Wissenschaftler, wie z.B. Willem de Sitter in Holland und Alexander Friedmann in Russland. In der Tat basiert ein grosser Teil der heutigen Kosmologie auf Friedmanns Lösungen der einsteinschen Gleichungen. Friedmann kam mit Hilfe der allgemeinen Relativitätstheorie zu Modellen, welche die Entwicklung des Universums beschreiben.

Aufnahme von Hubble die zeigt, das Spiralnebel entfernte Galaxien sind

Einen grossen Fortschritt in unserem Verständnis des Universums verdanken wir den amerikanischen Astronomen Edwin Hubble. Jahrhunderte lang glaubten die Astronomen, dass unsere Milchstrasse das ganze Universum ausfüllt. In den zwanziger Jahren konnte Hubble zeigen, dass viele der schwachen Nebelflecken, die die Astronomen mit ihren Fernrohren sehen konnten, in Wirklichkeit weit entfernte Galaxien und nicht mehr Teile unserer Milchstrasse sind. Als er sich die Spektren der Galaxien anschaute, stellte er fest, dass diese sich von uns entfernen - d.h. dass sich das Universum ausdehnt!

Der Urknall

Georges Lemaitre, ein belgischer Astrophysiker und katholischer Priester wurde als "Vater des Urknalls" bekannt. Lemaitre schlug vor, dass das Universum aus einem "Atom aus Energie" (d.h. etwas Dichtem umd Heissem) hervorgegangen ist, das explodierte und dabei den Raum auseinander trieb. Ende der vierziger Jahre entwickelte George Gamow, ein russisch-amerikanischer Physiker die Urknall-Theorie, wie wir sie heute kennen. Er und seine Mitarbeiter erkannten, dass der Urknall, wenn es ihm wirklich gegeben hat, ein Nachleuchten hinterlassen haben muss, das auch heute noch nachweisbar sein sollte.

artist's conception of big bang explosion

Im Jahre 1965 starteten die Physiker Arno Penzias und Robert Wilson eine Suche nach schwachen Radiosignalen (genauer gesagt Mikrowellen) vom Randbereich der Milchstrasse. Dabei fanden sie das von Gamow vorhergesagte Nachleuchten des Urknalls (die sogenannte kosmische Hintergrundstrahlung). Das war ein wichtiger Hinweis darauf, dass das Universum einen heissen Anfang hatte. Vor kurzer Zeit hat der COBE Satellit der NASA die Hintergrundstrahlung sehr genau vermessen. Die Messergebnisse stimmen mit der Urknalltheorie überein.

1979 entwickelte der Teilchenphysiker Alan Guth die Vorstelleung eines "inflationären Universums". d.h. eine kurze Periode in der sich das noch junge Universum sehr schnell ausdehnte. Die Inflation löst einige Probleme der Urknalltheorie. Sie erklärt warum das Universum so gross und so homogen ist, warum es darin heute wenigstens vier verschiedene Kräfte gibt und wo die grossen Mengen von Materie herkommen, die das Universum heute ausfüllen.

Die Steady-State-Theorie

Die Idee, dass das Universum einen Anfang gehabt haben soll, hat einigen Wissenschaftlern nicht gefallen. Die Steady-State-Theorie wurde 1948 entwickelt. Nach ihr hat das Universum keinen Anfang und kein Ende. Nach dieser Theorie befindet sich das Universum in einem perfekten Gleichgewichtszustand, wobei sich während der Expansion laufend neue Materie aus Energie bildet. Ein Argument gegen die Steady-State-Theorie ist die Entdeckung der kosmischen Hintergrundstrahlung. Die Menge des im Universum beobachteten Heliums stimmt genau mit dem überein, was die Urknalltheorie vorhersagt, und die Entdeckung, dass die Galaxien in der Vergangenheit näher beieinander waren, wiederspricht der Steady-State-Theorie.

Diagramm, das zeigt wie nach der Steady-State-Theorie bei der
Expansion die Materie immer neu entstehen muss

Heutige Aussichten

Heute beschäftigen sich die Kosmologen mit dem entgültigen Schicksal des Universums. Wird es ewig expandieren oder wird die Expansion eines Tages aufhören? Wenn ja, wird sich das Universum dann wieder zusammenziehen? 1998 wurden Daten veröffentlicht, nachdem sich die Expansion des Universums immer mehr beschleunigt. Mehr als zehn Jahre lang studierten die Astronomen die Expansion des Universums, indem sie die Rotverschiebung und die Helligkeit entfernter Supernovae gemessen haben. 1998 hatten die Astronmen genug Informationen gesammelt, um zu der überraschenden Feststellung zu gelangen, dass die Expansionsgeschwindigkeit des Universums nicht ab- sondern zunimmt. Die Daten aus den Supernovaebeobachtungen kombiniert mit den Ergebnissen anderer kosmologischer Untersuchungen führen zu dem Schluss, dass das Universum mit einer bisher unbekannten Art von Energie gefüllt sein muss, die dafür sorgt, dass sich das Universum immer schneller ausdehnt. Diese Energie wird auch als "dunkle Energie" bezeichnet, weil wir nichts über sie wissen. Wenn sich diese Beobachtungen und Analysen als richtig herausstellen, wird das Universum für immer expandieren.

Eine Frage

Worin unterscheiden sich die Steady-State und die Urknall-Theorie bei der Erklärung der Entstehung des Universums?

Boy holding satellite


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Die Antwort


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StarChild ist ein Service des "High Energy Astrophysics Science Archive Research Center" (HEASARC),  Direktor: Dr. Nicholas E. White, innerhalb des "Laboratory for High Energy Astrophysics" (LHEA) bei der NASA/ GSFC.

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Technische Unterstützung: Sherri Calvo


Übersetzt mit freundlicher Genehmigung von Dr. Laura A. Whitlock.
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