Sonnenuntergang in Kassel (Lara Bendig)

Montag, 14. Oktober 2019

Nobelpreis Physik an Astronomen: 4. Peebles holt Einsteins Idee zurück

Einstein konnte es sich nicht vorstellen, das ein Kosmos sich verändert. Er führte deshalb eine Größe Lambda ein, die einen durch Gravitation instabil gewordenen Kosmos stabilisiert. Als später Hubble die Expansion des Kosmos entdeckte, nahm Einstein die Idee wieder zurück, er sprach von der "größten Eselei" seines Lebens.
Peebles war maßgeblich daran beteiligt in den frühen 80-er Jahren den Energieinhalt des Kosmos zu analysieren (die Zahlen geben die heutigen Werte an):

- Die Dichte der normalen ("baryonischen") Materie wird durch die Expansion mit der 3. Potenz der Größe des Kosmos (besser: Skalen- oder Maßstabsfaktor R) verdünnt.

- Die Strahlung wird ebenfalls wie Materie verdünnt, hinzu kommt aber noch, dass die Wellenlängen durch die Ausdehnung des Raumes mit R anwachsen, also die Energiedichte zusätzlich noch mit R abfällt: Insgesamt nimmt die Energiedichte der Strahlung mit der 4.Potenz des Skalenfaktors R ab.

- Hinzukommt die schon seit den 30-er Jahren eingeführte Dunkle Materie DM, die benötigt wird um die Gravitationswirkung von Galaxien und Galaxienhaufen zu erklären (es ist zu wenig normale Materie da). Die Dichte der DM wird ebenfalls mit der 3.Potenz von R abnehmen, d.h. nicht, dass sie verdünnt wird (sie bildet ja die zusammenhängenden Strukturen des Kosmos), sondern dass der Gesamtraum, in dem diese Strukturen sind, einfach größer wird.

Wenn man nun einen Kosmos beschreiben muss, der keine großräumige Raumkrümmung besitzt (k=0), dann benötigt man eine bestimmte Energiedichte. Die sichtbare Materie trägt dazu nur 5% bei, der Beitrag der Strahlung kann vernachlässigt werden, die DM trägt zu 26% bei.
Es fehlen also 69%!

Hier hatte Peebles die Idee, Einsteins Lamda Konstante wieder einzuführen und als zusätzliche Energiedichte zu interpretieren. Schon war die Dunkle Energie DE geboren, eine Energieform, deren Dichte nicht von der Größe von R abhängt!

Der "Lückenbüßer" für fehlende Energie entpuppte sich als Volltreffer:

Da die anderen Energieformen mit zunehmenden R deutlich kleinere Wirkungen zeigen, muss irgend wann die DE im Kosmos mit ihrer expansionserzeugenden Wirkung dominieren. Der Kosmos muss also irgendwann anfangen beschleunigt zu expandieren!

Und genau das wurde 1998 beobachtet! Perlmutter, Schmidt und Riess bekamen dafür ebenfalls einen Nobelpreis. Sie zeigten, dass seit 5 Milliarden Jahren der Kosmos immer schneller immer größer wird!

In der Begründung des Preiskomitees ist eine schöne Abbildung, die ich erläutern möchte:




In beiden Diagrammen ist nach oben die gesamte potenzielle Energie des Kosmos gegen die Größe (Skalenfaktor) R aufgetragen, links ohne DE.
Zwei mögliche Expansionen sind eingezeichnet:
für k<0 expandiert der Kosmos ewig (sein Anfangsschwung wird durch die innere Schwerkraft nie kompensiert).
Für k>0 wird der Anfangsschwung durch die Schwerkraft aufgehoben und der Kosmos fällt wieder in sich zusammen.
Das rechte Bild zeigt die Potenzialkurve mit DE. Der rote Punkt markiert Einsteins unveränderliches, aber instabiles Universum.
Das beschleunigt expandierende Universum folgt der nach rechts abfallenden Potenzialkurve.

Das so von Peebles begründete Standardmodell der Kosmologie bezeichnet man als LambdaCDM - Modell: Modell mit kalter DM und DE!
Es ist das bisher erfolgreichste Modell der Kosmologie!

Aber schon in den 60-er Jahren hat Peebles die Grundlagen für das Verständnis des Kosmos gelegt. Darüber mehr im nächsten Post!

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