Sexl Physik 8, Schulbuch

| 132 laxien in einem Punkt r = 0 vereinigt gewesen sein. Die Zeit, die seither vergangen ist, können wir aus der Beziehung H·t = 1 berechnen: t = = 4,34·10 17 s = 13,7·10 9 Jahre . Vor etwa 13,7 Milliarden Jahren war das Universum auf einen Punkt konzentriert und begann in alle Richtungen auseinander zu fliegen. Dieser Wert steht in guter Übereinstimmung mit den neuesten Befunden zur Beobachtung von Infrarotstrah- len, die man von Galaxien erhält, die etwa 13 Mrd. Lichtjahre von uns entfernt. Alter des Universums Falls die Fluchtgeschwindigkeit der Galaxien zeitlich konstant ist, ist 1/ H das Alter des Universums. Gegenwärtig wird das Alter des Universums mit 13,7 Milliarden Jahren angegeben. Wesentlich für die Expansion des Universums sind zwei Komponenten: − Die Gravitationskräfte der Massen, aus denen das Universum besteht, bremsen die Ausdehnung. Neben den bekannten Massen spielt vor allem die Dunkle Ma- terie (s. S. 128), also Masse, von der wir nicht wissen, woraus sie besteht, eine bedeutende Rolle. In früheren Zeiten hat sich das Universum schneller ausge- dehnt, durch die Gravitation wurde es abgebremst. Das Alter des Universums müsste demnach etwas kleiner als 1/ H sein. − Neuere Beobachtungen haben gezeigt, dass sich die Expansion seit einigen Mil- liarden Jahren wieder beschleunigt. Dies lässt sich im Rahmen der Allgemeinen Relativitätstheorie so erklären, dass das Universum neben anziehender Materie auch eine abstoßende Komponente – die Dunkle Energie – enthält. Da der Einfluss der Dunklen Energie erst relativ spät wirksam wird, ändert sich nichts am Phänomen des Urknalls. Die Dunkle Energie modifiziert die Expansion des Universums aber derart, dass das Alter des heutigen Weltalls tatsächlich ca. 1/ H , also etwa 14 Milliarden Jahre, beträgt. Das Sonnensystem mit einem Alter von etwa 5 Mrd. Jahren ist relativ spät in der Geschichte des Universums entstanden. 4.2 Der Urknall Vor etwa 14 Milliarden Jahren war das gesamte Universum in einem Punkt kon- zentriert. Die Werte für Dichte und Temperatur müssen als unendlich groß ange- nommen werden. Unsere physikalischen Gesetze können einen derartigen Zustand nicht beschreiben. In einer Art Explosion blähte sich dieser Punkt auf. Dabei ent- stand ein mit Materie erfüllter, expandierender Raum: jenes Universum, in dem wir uns heute befinden. Was sich vor dem Urknall ereignet hat und wieso es dazu kam, aber auch wie sich diese Anfangssingularität ( r = 0 , ρ = • und T = • ) zu in- terpretieren ist, darüber gibt es heute gewagte Spekulationen, aber keine auch nur einigermaßen abgesicherte Theorien. Die kosmische Hintergrundstrahlung Auch die Theorie des Urknalls wurde lange Zeit mit großer Skepsis beurteilt, denn es war sehr schwierig, neben der Rotverschiebung weitere experimentelle Belege dafür zu finden. Dies gelang erst im Jahre 1965 den beiden amerikanischen Wis- senschaftlern P enziaS und W iLSOn . Bei dem Versuch, Radiosignale von Satelliten zu messen, beobachteten sie zufällig elektromagnetische Wellen mit Wellenlängen von einigen Zentimetern, die sie auf keine bekannte Strahlungsquelle zurückfüh- ren konnten. Die Wellen fielen vielmehr völlig gleichmäßig aus allen Richtungen auf die Erde ein. Die Messung der Spektralverteilung dieser kosmischen Hinter- grundstrahlung ergab, dass es sich um Schwarze Strahlung (s. S. 64) mit einer Temperatur von 2,7 K handelt. Die Existenz der kosmischen Hintergrundstrahlung war bereits 20 Jahre früher von dem amerikanischen Physiker G eOrGe G amOW und seinen Mitarbeitern vorge- schlagen worden. Sie versuchten, die Entstehung und die relative Häufigkeit der chemischen Elemente im Universum zu erklären. Dabei gingen sie von der Annah- Parsec (pc) 1 Parsecist die Entfernung, von der aus betrachtet eine Astronomische Einheit (AE, mittlerer Abstand der Erde von der Sonne) unter einem Winkel (der Paralla- xe) von einer Bogensekunde erscheint: 1 pc = 3,26 Lj. Rotverschiebungsfaktor z Man nennt z = Δ λ / λ den Rotverschie- bungsfaktor. Für v j c ist z ungefähr gleich v / c . z wird häufig auch zur Angabe der Entfernung von Galaxien benutzt. 10 21 10 23 10 25 Radius in km r 10 2 10 3 10 4 Geschwindigkeit in km/s v 132.1 Nach Hubble entfernen sich die Galaxien von uns mit einer Geschwindigkeit, die propor- tional zu ihrer Entfernung von der Erde ist. Wir wissen heute, dass die Fluchtgeschwindigkeit im Laufe der Geschichte des Universums nicht konstant war und dass sich das Universum seit einigen Milliarden Jahren wieder beschleunigt ausdehnt. Ausdehnung des Universums heute Big Bang Zeit A b b r e m s u n g B e s ch l eu n ig u n g weitest entfernte Supernova 132.2 Die Frage, ob das Universum unter seinem eigenen Gewicht in sich zusammenfällt oder sich für immer ausdehnt, konnte bisher nicht gesichert beantwortet werden. Die Antwort hängt einerseits von der Menge und der Dichte der Dunklen Materie des Univer- sums ab, also von den Gravitationskräften, die das Universum zusammenhalten, anderer- seits davon, ob die Dunkle Energie, die zur Expansion führt, konstant bleibt. Überwiegen die Gravitationskräfte, kommt es am Ende zu einem „big crunch“, das Universum würde in einem riesigen schwarzen Loch verschwinden. Die momentane Datenlage deutet allerdings auf ewige Expansion hin. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv