Sonnenuntergang in Kassel (Lara Bendig)

Samstag, 12. Oktober 2019

Nobelpreis Physik an Astronomen: 3. Kosmologische Modelle

In den letzten Jahrzehnten hat sich die Kosmologie zu einer echten Wissenschaft gewandelt.
In der vor über 50 Jahren entdeckten kosmischen Hintergrundstrahlung CMB (oder 3 K - Strahlung) konnte man letztlich kleinste Temperaturschwankungen erkennen, die man als Keime für spätere Strukturen erkannt hat. Diese bahnbrechende Idee wird durch das Ergebnis von Himmelsdurchmusterungen von Galaxien und Galaxienhaufen gestützt: Großräumige sichtbare Strukturen gehorchen heute diesem anfänglichen Verteilungsgesetz. Sie sind eine Folge der Mikrostrukturen des Urknallplasmas.
Zwischen den Beobachtungen 380 000 Jahre nach dem Urknall und der heutigen Struktur des Kosmos kann ein einziges fundamentales Modell eine Verbindung herstellen. Ein Modell, an dessen Entwicklung Peebles maßgeblich beteiligt war.

380 000 Jahre nach dem Urknall bildeten sich bei 3000 K aus Protonen und Elektronen Wasserstoffatome. Vorher war das auf Grund der hohen Temperatur nicht möglich. Atome aber sind bis auf wenige Wellenlängen als Ausnahmen lichtdurchlässig: Der Kosmos wurde durchsichtig und das Licht aus dieser Zeit trägt die Information über die Struktur mit sich.
Sie zeigt sich am Himmel heute in der Mikrowellenstrahlung: Der Kosmos dehnt sich aus und damit werden alle Wellenlängen verlängert. Aus dem langwelligen rotem Licht des Urknallgases ist die Mikrowellenstrahlung mit einer 1100 - mal längeren Wellenlänge geworden. Aus den 3000 K sind die knapp 3 K des heutigen Kosmos geworden.

© Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences
 
Temperaturverteilung im CMB (Planck-Consortium)

Entwocklung des Kosmos, ESO)

Strukturen in der Galaxienverteilung, M. Blanton and SDSS

CMB über dem Erdsüdpol (BOOMERANG)

Simulation der Verteilung (Millenium-Simulation)


Basierend auf Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie entwickelte Alexander Friedmann eine erste mathematische Beschreibung des expandierenden Universums. Seine berühmten Gleichungen (die 1. und die 2.Friedmangleichung) kann man auch rein klassisch herleiten:
Die 1.Friedmangleichung beschreibt die Gesamtenergie einer Testmasse (Galaxie) im expandierenden Universum. Die zweite Gleichung entspricht der Newtonschen Kraftformel F = m*a (das sieht man der 2.Friedmangleichung aber nur beim dritten Hinsehen an...).

In den Gleichungen taucht eine Konstante k auf, die die Werte -1, 0 oder +1 annehmen kann.
Mit der Allgemeinen Relativitätstheorie erkennt man, dass k die Raumkrümmung beschreibt:
k= 0 gehört zu einem flachen, euklidischen Universum (Die Innenwinkel eines Dreiecks haben zusammen 180°). Dazu gehört eine besondere mittlere Dichte des Kosmos, die man kritische Dichte nennt.
k=-1 bedeutet einen negativ gekrümmten Raum (mit einer Dichte unter der kritischen Dichte) und k = +1 ein positive gekrümmter Raum (vergl. Kugeloberfläche, Winkelsumme im Dreieck über 180°) mit einer größeren mittleren Dichte.

Unser Universum ist so groß, dass die Daten einen euklidischen Raum nahelegen, also k = 0. Die mittlere Dichte der normalen Materie beträgt aber nur 5 % der notwendigen kritischen Dichte. Da kommen jetzt Peebles und die Dunkle Materie und die Dunkle Energie ins Spiel.

Dazu mehr in den nächsten Posts...



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