Kosmologie

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Einleitung

Kosmologie, die Wissenschaft über den Ursprung des Universums, einschließlich seiner Entwicklung sowie seiner umfangreichen Struktur als einheitliches Ganzes. In der Kosmologie versucht man anhand von Modellen z. B. die Geometrie des Weltraums und die Verteilung der Materie in ihm zu beschreiben. Eine wichtige Kernfrage der Kosmologie ist beispielsweise die Frage, ob das Universum einen zeitlichen Anfang und (oder) ein zeitliches Ende hat, oder ob es sogar zeitlich unendlich ist. Um derartige Fragen zu beantworten nutzt man in der Kosmologie u. a. die Erkenntnisse aus Astronomie, Physik sowie anderer wissenschaftlicher Disziplinen, wie z. B. der Philosophie.

Im Gegensatz zur Kosmologie untersucht die Kosmogonie die Entstehung und Entwicklung der Himmelskörper und der astronomischen Systeme (z. B. Sonnensystem).

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Weltbilder

Die ältesten überlieferten Vorstellungen über die Welt stammen aus Mesopotamien aus der Zeit etwa 4000 v. Chr. Erst viel später, z. B. in Griechenland um 600 v. Chr., versuchte man das Mythische aus diesen Theorien gegen Rationelleres zu ersetzen. Eine Theorie ging davon aus, dass die Erde das Zentrum des Universums sei und die anderen Himmelskörper sich um die Erde bewegen (geozentrisches Weltbild). Die nächtliche Bewegung der Sterne am Himmel wurde z. B. von Aristoteles und Ptolemäus damit erklärt, dass diese an sich drehenden Kristallkugeln befestigt wären. Aristarchos von Samos stellte 270 v. Chr. die Behauptung auf, dass die Erde sich um die Sonne dreht. Vermutlich blieb jedoch aufgrund des Ansehens von Aristoteles das geozentrische Weltbild über lange Zeit mehr oder weniger unangefochten.

Im Jahr 1543 veröffentlichte Nikolaus Kopernikus sein Lebenswerk De Revolutionibus Orbium Coelestium (Über die Umdrehungen der Himmelskugeln). Kopernikus fand ein System, in dem sich die Planeten auf kreisförmigen Umlaufbahnen um die Sonne bewegten, wobei die Sonne sich im Zentrum des Universums befand. Kopernikus gilt damit als Begründer des heliozentrischen Weltbildes. Er erkannte die Beziehung zwischen den Bewegungen der Sterne und der Drehung der Erde um ihre eigene Achse. Johannes Kepler übernahm das kopernikanische Weltsystem und entdeckte, dass sich die Planeten mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten auf elliptischen Bahnen bewegten, und zwar nach drei eindeutig definierten Gesetzen. Diese sind seither als Kepler’sche Gesetze bekannt. Auch Galileo Galilei, der die Planeten mit einem Teleskop beobachtete, wies die Theorie von Aristoteles zurück und wurde zu einem Verfechter der kopernikanischen Weltsicht. Isaac Newton wies nach, dass sich die Kepler’schen Gesetze aus den von Newton entdeckten Gesetzen der Bewegung und der Gravitation ableiten ließen. Damit wurde deutlich, dass diese physikalischen Gesetze sowohl für den Himmel als auch für die Erde Gültigkeit hatten – der Begriff „Himmelsmechanik” war geboren.

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Abstände zwischen den Sternen

Eine Vorstellung von der Größe der Abstände zwischen den Sternen vermittelte Anfang des 19. Jahrhunderts Friedrich Wilhelm Bessel. Er fand heraus, dass der in der Nähe befindliche Stern Cygnus 61 etwa 600 000-mal so weit von der Erde entfernt ist wie die Sonne. 1917 schätzte der amerikanische Astronom Harlow Shapley den Durchmesser der Milchstraße auf etwa 350 000 Lichtjahre. Leider berücksichtigte Shapley die Absorption des Lichts von weit entfernten Sternen durch Staubpartikel nicht. Durch dieses Phänomen erscheinen die Himmelskörper blasser und somit weiter entfernt als sie es in Wirklichkeit sind. Der heute gültige Wert für den Durchmesser des sichtbaren Teiles unserer Galaxie beträgt etwa 30 000 Parsec, also ungefähr 100 000 Lichtjahre (Parsec: Parallaxensekunde).

Der niederländische Astronom Jan Hendrik Oort fand heraus, dass die Sonne etwa 250 Millionen Jahre benötigt, um einmal um den Mittelpunkt unserer Galaxie zu wandern. Mit diesem Wert konnte er die Masse der Milchstraße berechnen, die etwa das Hundertmilliardenfache der Masse der Sonne beträgt.

Bis zum Beginn des 20. Jahrhunderts waren sich die Astronomen noch nicht im Klaren über das Wesen der Erscheinungen, die als Spiral- und elliptische Nebel bezeichnet werden. Vor allem konnten sie nicht feststellen, ob sich diese Nebel innerhalb oder außerhalb unserer Galaxie befinden. 1924 gelang es dem amerikanischen Astronomen Edwin Hubble in verschiedenen jener Objekte, einschließlich des berühmten Andromedanebels, einzelne Sterne auszumachen. Verschiedene dieser Sterne waren so genannte pulsierende Sterne, die als Cepheiden bezeichnet werden. Indem die Astronomen deren Pulsierdauer messen, können sie die tatsächliche Helligkeit der Sterne bestimmen. Hubble verglich die sichtbare Helligkeit dieser Cepheiden mit den bekannten Helligkeitswerten benachbarter Cepheiden. Damit bewies er, dass die von ihm untersuchten Objekte weit außerhalb der Galaxie liegen. Das bedeutete, dass die Tausenden Spiral- und elliptischen „Nebel” eigenständige Galaxien außerhalb der Milchstraße sind, und jede von ihnen Hunderte Milliarden Sterne enthält. Hubble schätzte die Entfernung zur Andromedagalaxie auf 900 000 Lichtjahre. Als Astronomen später entdeckten, dass die Cepheiden weiter entfernt waren als zunächst angenommen, korrigierte man den Wert auf 2,2 Millionen Lichtjahre.

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Das Hubble’sche Gesetz

Der amerikanische Astronom Vesto M. Slipher untersuchte Spektren von Galaxien. Bereits 1912 stellte er fest, dass z. B. die Spektrallinien der Andromedagalaxie im Vergleich zu den Linien nahe gelegener Galaxien zu größeren (roten) Wellenlängen hin verschoben waren (siehe Rotverschiebung). Diese Verschiebung wird durch den optischen Doppler-Effekt verursacht (Siehe auch Doppler-Effekt). Sie ist ein Zeichen dafür, dass die meisten Galaxien sich von der Milchstraße entfernten. Die Rotverschiebung ist umso größer, je weiter entfernt eine Galaxie ist.

1929 verglich Hubble die von ihm für verschiedene Galaxien geschätzten Entfernungen mit den von Slipher bestimmten Rotverschiebungen für die jeweiligen Galaxien. Dabei erkannte er, dass die Fluchtgeschwindigkeit der Galaxien mit zunehmender Entfernung wuchs. Diesen wichtigen Zusammenhang nennt man das Gesetz von den Rotverschiebungen, oder Hubble’sches Gesetz. Es besagt, dass die Fluchtgeschwindigkeit v einer Galaxie sich proportional zu ihrer Entfernung r verhält. Das Verhältnis der Fluchtgeschwindigkeit einer Galaxie zu ihrer Entfernung bezeichnen Astrophysiker als Hubble-Konstante H₀(siehe Hubble-Effekt). Sie wird nach jüngsten Erkenntnissen auf etwa 72 Kilometer pro Sekunde je Megaparsec geschätzt (ein Megaparsec entspricht einer Million Parsec): H₀ = v/r.

Da es den Anschein hat, dass sich Galaxien in alle Richtungen von der Milchstraße wegbewegen, könnte man denken, dass die Milchstraße der Mittelpunkt des Universums ist. Dies ist allerdings nicht der Fall. Man muss sich einen Ballon vorstellen, auf dem gleichmäßig verteilte Punkte gemalt sind. Wird der Ballon aufgeblasen, kann der Beobachter eines bestimmten Punktes sehen, dass sich alle anderen Punkte von diesem einen wegbewegen. Genauso sehen Beobachter, dass sich alle Galaxien von der Milchstraße entfernen. Dieses Gleichnis liefert gleichzeitig eine einfache Erklärung für das Hubble’sche Gesetz. Das Universum dehnt sich im Prinzip wie ein Ballon aus.