Sexl Physik 8, Schulbuch

Entsprechend dieser Überlegung war das Universum vor etwa 14 Milliarden Jah- ren 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 Infrarotstrahlen, die man von Galaxien erhält, die etwa 13Mrd. Lj von uns entfernt sind. Alter des Universums Falls die Fluchtgeschwindigkeit der Galaxien zeitlich konstant ist, ist 1/ H 0 das Alter des Universums. Gegenwärtig (2019) wird das Alter des Universums mit 13,81 ± 0,04 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 , also Masse, von der wir nicht wissen, woraus sie besteht, eine bedeutende Rolle. In früheren Zeiten hat sich das Universum schneller ausgedehnt, durch die Gravitation wurde es gebremst. −− Messungen an Supernovae mit großer Rotverschiebung haben gezeigt, dass sich die Expansion seit etwa fünf Milliarden Jahren beschleunigt. Dies lässt sich im Rahmen der Allgemeinen Relativitätstheorie so erklären, dass das Universum neben anziehender Materie auch eine abstoßende Komponente – die Dunkle En- ergie – enthält. Da der Einfluss der Dunklen Energie erst relativ spät wirksam wurde, ändert sich nichts am Phänomen des Urknalls. Die Dunkle Energie modifiziert die Expansion des Universums aber derart, dass das Alter des Universums tatsächlich ca. 1/ H 0 , also etwa 14Mrd. Jahre, beträgt. Das Sonnensystem mit einem Alter von etwa 5Mrd. Jahren ist relativ spät in der Geschichte des Universums entstanden. 4.2 Der Urknall Vor etwa 14Mrd. Jahren war das gesamte Universum in einem Punkt konzentriert. Die Werte für Dichte und Temperatur müssen als unendlich groß angenommen werden. Unsere physikalischen Gesetze können einen derartigen Zustand nicht be- schreiben. In einer Art Explosion blähte sich dieser Punkt auf. Dabei entstand ein mit Energie erfüllter, expandierender Raum: jenes Universum, in dem wir uns heu- te befinden. Was sich vor dem Urknall ereignet hat und wieso es dazu kam, aber auch wie diese Anfangssingularität ( r = 0 , ρ = • und T = • ) zu interpretieren 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 mit einer Temperatur von 2,7K 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- me aus, dass das Universum kurz nach dem Urknall sehr heiß war und in dieser Frühzeit des Weltalls intensive Kernverschmelzungen stattfanden. In dieser Zeit sollte das Universum auch von Strahlung sehr hoher Temperatur erfüllt gewesen sein. Gamow hoffte, dass Reste der Strahlung sich bis in unsere Zeit als kosmische 92.1 Hubble-Diagramm: Fluchtgeschwindigkeit von Galaxien vs. Entfernung bestimmt mithilfe von Supernovae. Die Steigung der Geraden ist der heutige Wert des Hubble-Parameters. Dieser ist zeitlich nicht konstant, das Univer- sum dehnt sich seit einigen Milliarden Jahren beschleunigt aus. (Das rote Quadrat am Ursprung markiert den Bereich von Hubbles Originaldaten.) Ausdehnung des Universums heute Big Bang Zeit A b b re m s u n g B e s ch l eu n ig u n g weitest entfernte Supernova 92.2 „Fällt“ das Universum in ferner Zukunft unter seinem eigenen Gewicht in sich zu­ sammen oder dehnt es sich für immer aus? Nach heutigem Stand des Wissens sind drei Größen wichtig: die Dichte der gewöhnlichen Materie (Sterne, interstellares Gas, …), der Dunklen Materie (s. S. 90) und der Dunklen Energie, die die Expansion des Universums beschleunigt. Würden die Gravitationskräfte überwiegen, käme es am Ende zu einem „big crunch“, das Universum würde in einem riesigen schwarzen Loch verschwinden. Die momentane Daten­ lage deutet allerdings auf ewige Expansion hin. Parsec (pc) 1 Parsec ist die Entfernung, von der aus betrachtet eine Astronomische Einheit (AE, mittlerer Abstand der Erde von der Sonne) unter einem Winkel (der Parallaxe) von einer Bogensekunde erscheint: 1 pc = 3,26 Lj. Rotverschiebungsfaktor z Man nennt z = Δλ / λ den Rotverschiebungs- faktor. Für v « c ist z ungefähr gleich v / c . z wird häufig auch zur Angabe der Entfernung von Galaxien benutzt.  92 AKTUELLE FORSCHUNG Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlag öbv