11. ALS Aademie PDF Drucken E-Mail

Dr. Markus Lamm referierte am 25.03.2004 über:

 

Auf der Suche nach den Ursprüngen des Universums

 

 

Dr. Markus LammDr. Markus Lamm vom Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg (dort Promotion), ehemaliger Schüler der Alten Landesschule, Abitur 1993, zur Zeit Referendar für Mathematik und Physik am Gustav-Stresemann-Gymnasium in Bad Wildungen, referierte im Rahmen der ALS-Akademie vor ca. 60 Zuhörern über den Stand der astronomischen Forschung zur Entstehung des Kosmos. 

Am Anfang dieser Zeitreise von 13 Milliarden Jahren stellte der Vortragende, der selbst längere Zeit an der europäischen Sternwarte in La Silla in Chile tätig war, Beruf und Arbeitsweise des Astronomen vor. Abgesehen davon, dass die Zahl der Teleskope begrenzt ist, findet gegenwärtig die Beobachtung des gestirnten Himmels mehr über CCD-Kameras statt als mit dem Auge am Teleskop. Standorte von Fernrohren sind hohe Berge (atmosphärische Bedingungen) abseits von besiedeltem Gebiet (Lichtverschmutzung) und auch der Weltraum, zum Beispiel das bekannte Hubble-Teleskop. Aber auch bei Boden-Teleskopen ist es heute möglich, Bildbeeinträchtigungen "herauszurechnen".

Was zeigt die Beobachtung bzw. das Bild der Kamera (Langzeitbelichtung!)? Abgesehen von den zu unserem Sonnensystem gehörenden Himmelskörpern sind es zunächst die Sterne der Galaxis (Milchstraße), von denen das bloße Auge vielleicht 5000-6000 erkennen kann. Tatsächlich enthält unsere Galaxis jedoch etwa 100 Milliarden Sterne. Veranschaulicht man die Sterne durch Reiskörner, so würden sie bei dichter Packung das Innere der Korbacher Kilianskirche gänzlich ausfüllen. Sterne entstehen in riesigen Gasnebeln. Das Wort "Nebel" wird aber auch in anderem Sinn benutzt, zum Beispiel im Fall des mit bloßem Auge sichtbaren Andromeda-Nebels, bei dem es sich um eine Galaxie mit ebenfalls Milliarden von Sternen weit außerhalb unserer eigenen Galaxis handelt. Das weiß man, seitdem Hubble im Jahre 1929 erstmals einzelne Sterne im Andromedanebel ausmachen konnte. (Schon Galilei hatte die Wahrheit über das Wesen der Milchstraße erkannt, und Immanuel Kant hatte die richtige Vermutung bezüglich der Nebelgebilde). Der Andromedanebel hat bei einem Durchmesser von 150000 Lichtjahren eine Entfernung von 2,2 Millionen Lichtjahren (das sind 20 Trillionen km, wobei 1 Trillion eine 1 mit 18 Nullen ist. Wäre die Sonne so groß wie ein Buchstabe auf dieser Druckseite, so befände sich bei gleichem Maßstab der Andromedanebel auf dem Mond). Aus Hochrechnungen ergibt sich, dass etwa 100 Mrd. Galaxien existieren. Damit kommt man auf 10 hoch 22 Sterne im Weltall.

Urknall-Theorie ("Big Bang"). Die Theorie war bis in die 60er Jahre des vorigen Jahrhunderts umstritten - es gab u.a. noch die so genannte Steady-State-Theorie eines im Wesentlichen unveränderlichen Universums -, bis Penzias und Wilson 1964/65 die Hintergrundstrahlung entdeckten (1978 erhielten sie dafür den Nobelpreis). Weil die Theorie der Strahlung eines schwarzen Körpers bei einer Temperatur von 3 K sehr gut mit diesen Beobachtungen übereinstimmte, war die Entdeckung der Hintergrundstrahlung eine wichtige Stütze für das Urknallmodell. Die Hintergrundstrahlung entstand, als das Universum ca. 300000 Jahre alt und noch sehr heiß war. Sie war vor 15 Mrd. "blau", heute ist sie "rot" (wegen der Ausdehnung).

Dr. Lamm entwickelte dann die Einzelheiten des Urknallmodells. Das Szenario sei nicht in jeder Phase streng nachgewiesen, vieles spreche aber für den folgenden ungefähren Ablauf. Hintergrund ist die "Allgemeine Relativitätstheorie" von Albert Einstein, aber auch die Quantenphysik.

Das Universum war in dieser ersten Zeit "undurchsichtig", die Strahlung wurde ständig an den Elektronen gestreut und so an der direkten Ausbreitung gehindert. Nach 300000 Jahren bilden sich Atome, indem die Kerne sich Elektronen als Atomhüllen einfangen, die obige Streuung findet nicht mehr statt, das Universum wird "durchsichtig" (siehe Schöpfungsgeschichte: "es ward Licht"). Als "Nachleuchten" beobachten wir die Hintergrundstrahlung.

Für die weitere Entwicklung des Universums gibt es drei Möglichkeiten:
1. Offenes Universum: die Ausdehnung geht ohne Ende weiter, Modell Sattelfläche.
2. Flaches Universum: die Ausdehnung setzt sich ebenfalls ständig fort, aber nur "gerade noch", Modell Ebene.
3. geschlossenes Universum: Nach einer Phase der Ausdehnung kommt es schließlich wieder zur Kontraktion, alles fällt in sich zusammen, Modell Kugel.
 

Welche dieser Möglichkeiten eintreten wird, hängt ab von der Gesamtmenge der Materie im Universum, diese wiederum von dem noch nicht hinreichend bekannten Anteil an "dunkler" Materie. Vieles spricht für die zweite Möglichkeit.

Eine Theorie des Urknalls hat vor allem drei Probleme zu lösen: das der Anfangssingularität, das Horizontproblem (die Hintergrundstrahlung ist aus allen Richtungen gleich, was wohl Zufall ist) und das der Strukturbildung (wie entstehen Galaxien?) Mögliche Antwort: durch zufällige kleine Inhomogenitäten in der Materieverteilung, das wurde bestätigt durch Computer-Simulationen). Die Lösung scheint in der Annahme eines inflationären Universums zu liegen. Die Inflation (heftige, rasche Ausdehnung während extrem kurzer Zeit) beginnt, wenn in einem kleinen Bereich Unterschiede zu Stande kommen. Das inflationäre Szenarium sagt ein flaches Universum voraus. Gemäß der Gleichung E = mc2 wird am Ende der Inflation aus Energie Masse. Wo zufällig weniger Energie zur Verfügung steht, ist demnach weniger Masse vorhanden (Dichtefluktuationen).

Wie steht es mit der Nachprüfbarkeit?

Die anschließende lebhafte Diskussion mit dem fachkundigen Publikum kreiste um Fragen wie: Was war "vor" dem Urknall? Kam die Zeit erst mit der Materie in die Welt, wie es Stephen Hawking formuliert? Gibt es andere Universen? Gab es mehrere möglicherweise verschieden große Bangs? Vermischen sich am Anfang Raum und Zeit? "Weiß" der Raum, dass er sich auszudehnen hat? Welche Rolle spielen die schwarzen Löcher? Welches ist der heutige Bestwert der Hubble-Konstante, die eine Beziehung herstellt zwischen Abstand der Galaxien und der Geschwindigkeit, mit der sie sich entfernen? Die Antwort auf die letzte Frage führt nach Umrechnung auf ein Weltalter von 13,7 Milliarden Jahren, wie oben erwähnt.

Friedhelm Brandd