Das Weltall – Kosmologie

Inhaltsverzeichnis zum Thema

• Platz der Erde im Kosmos
• Was ist Kosmologie?
• Urknalltheorie
• Rotverschiebung
• Kosmische Hintergrundstrahlung
• Galaxiehaufen, Superhaufen und Hohlräume

Platz der Erde im Kosmos

Die Vorstellung vom Aufbau des Kosmos war immer eine der offenen Fragen der Menschheit. Durch Religionen und Schöpfungsmythen bestärkt stand in vielen früheren Modellen die Erde stets im Zentrum des gesamten Universums. Alle Objekte des Himmels waren in diesem Modell Bestandteile der komplexen Himmelsmechanik. Auch beschränkte sich die Vorstellung vom Universum zunächst nur auf das sichtbare Sonnensystem. Mit dem Fortschritt der Technik wurden unsere Erkenntnisse über den Nachthimmel immer genauer. Gegen den zunächst vehementen Widerstand der christlichen Lehre festigte sich ein Weltbild, in dem die Sonne das Zentrum unseres Sonnensystems und das Sonnensystem selbst nur ein kleiner Punkt im gesamten Universums ist. Der Kosmos ist gewaltig und ihn zu verstehen ist ein gewaltiges Ziel.

Was ist Kosmologie?

Die Kosmologie versucht, die Entstehung und Entwicklung wie auch den Aufbau des Universums zu verstehen. Dabei spielen besonders die Untersuchung der kosmischen Hintergrundstrahlung, die Rotverschiebung im Spektrum des Lichtes und die Großstrukturen des Kosmos eine Rolle. Eine wichtige Theorie der Kosmologie ist die Urknalltheorie. Laut dieser gibt es eine stetige Expansion des Universums.

Urknalltheorie

Nach der Urknalltheorie gab es vor etwa 13,7 Mrd. Jahren ein Ereignis, bei dem unser gesamtes Universum entstand. Bei diesem Ereignis veränderte sich das gesamte Universum von einem Stadium größter Ordnung in eine sich immer noch ausdehnende Form. Dabei kühlte sich die durchschnittliche Temperatur des Universums von mehr als $10^{32} \text{K}$ auf heute nur noch ungefähr $2,7 \text{K}$ ab. Interessant ist dabei der Zeitraum von der Planck-Zeit ca. $10^{-43} \text{s}$ nach dem Urknall bis 400.000 Jahre nach dem Urknall. In dieser Zeit bildete sich die erste, noch strukturlose Materie und Antimaterie, die sich gleich wieder auslöschte. Unser gesamtes Universum ist der Rest, der übrig blieb. Aus dieser strukturlosen Materie entstanden zunächst Elementarteilchen und nach und nach Atome, Elemente und schließlich ganze Sterne und Galaxien.

Rotverschiebung

Die Rotverschiebung ist das Ergebnis des Dopplereffekts. Diesen kennst du vielleicht schon aus der Akustik. Es handelt sich jedoch nicht um den akustischen Dopplereffekt, sondern um den optischen Dopplereffekt. Nähert sich eine Lichtquelle dem Betrachter, verkürzt sich die Wellenlänge des empfangenen Lichtes etwas. Dies nehmen wir als Blauverschiebung war. Entfernt sich eine Lichtquelle vom Betrachter, verlängert sich die Wellenlänge des empfangenen Lichtes. Dies nehmen wir als Rotverschiebung war. Dabei ist wegen der steten Expansion des Universums die Rotverschiebung viel häufiger als die Blauverschiebung.

Das Licht breitet sich im Vakuum des Alls etwa 872.000 mal schneller aus als der Schall durch die Luft. Um einen wahrnehmbaren Effekt zu erzeugen, müssen auch die Relativgeschwindigkeiten zwischen Empfänger und Lichtquelle relativ groß sein. Diese sind jedoch im kosmischen Maßstab auch gegeben.

Kosmische Hintergrundstrahlung

Die kosmische Hintergrundstrahlung ist das optische Hintergrundrauschen des Universums. Sie ist isotropisch, also sehr gleichbleibend. Zudem gleicht die Strahlung der eines idealen schwarzen Strahlers mit einer Temperatur von 2,7 Kelvin. Die Hintergrundstrahlung entstand bereits 380.000 Jahre nach dem vermuteten Urknall. Durch die stete Expansion des Universums und damit des Materie-Photonen-Gemisches, kühlte sich dieses stark ab. Als der Punkt erreicht wurde, an dem die Materie zu elementarem Wasserstoff rekombinieren konnte, wurde das Universum „durchsichtig“. Die Photonen des ehemaligen Gemisches haben heute eine Wellenlänge im Bereich der Mikrowellenstrahlung. Das Universum kühlt sich auch heute noch immer weiter ab.

Durch die stete, immer noch gerichtete Ausbreitung der Photonen, weist diese in bestimmten Richtungen eine Rotverschiebung auf. Diese Strahlung ist einer der Belege für den Urknall.

Galaxiehaufen, Superhaufen und Hohlräume

Du kennst bereits das Sonnensystem und auch unsere Heimatgalaxie: die Milchstraße mit ihrem sehr massereichen schwarzen Loch in seinem Zentrum.

Die Galaxien werden dann wiederum zu Galaxienhaufen und diese wiederum zu Superhaufen zusammengefasst. Neben diesen Materieansammlungen gibt es aber auch gewaltige Hohlräume in unserem Universum.