Expansion des Universums

Die Expansion des Universums beschreibt eine zeitliche Veränderung, nämlich eine Ausdehnung bzw. Vergrößerung, des Universums.

Entdeckungsgeschichte

Albert Einstein und Willem de Sitter beschrieben 1917 zum ersten Mal das Universum mit dem Formalismus der allgemeinen Relativitätstheorie. Allerdings beschrieben sie ein statisches, immer gleichbleibendes Universum. Die Beschreibung von de Sitter erwies sich später als falsch. Alexander Friedmann gab 1922 die erste relativistische Beschreibung eines expandierenden oder auch kontrahierenden Universums (Friedmann-Gleichungen), diese Publikation wurde allerdings kaum zur Kenntnis genommen.

Der amerikanische Astronom Vesto Slipher fand 1912 als Erster die Rotverschiebung der Spektrallinien des Lichts weit entfernter Galaxien. Edwin Hubble publizierte 1925 die Distanz zu M 31, dem Nebel in Andromeda, die ganz eindeutig zeigte, dass Andromeda weit außerhalb unserer Milchstraße liegt, 1926 publizierte er Distanzen zu weiteren Galaxien.

Die Expansion des Universums wurde 1927 vom Belgier Georges Lemaître entdeckt. Er entdeckte, was vor ihm schon Friedman gefunden hatte, dass die Grundgleichungen der Relativitätstheorie ein dynamisches Universum ergeben. Diese Entdeckung verband er mit Sliphers Rotverschiebungen und Hubbles Distanzen. Er schloss daraus, dass das Universum expandiert. In seiner Publikation in den Annales de la Société Scientifique de Bruxelles im Jahr 1927 gab Lemaitre bereits das „Hubble-Gesetz“ v= Hr. Lemaitre hat theoretisch hergeleitet, dass Galaxien sich umso schneller entfernen, je weiter sie von uns entfernt sind (vergleiche dazu: Hubble-Konstante). Dieses Resultat fand er in den Beobachtungen bestätigt, dabei fand er für die Hubble-Konstante H₀ einen Wert, der nahe bei dem von Hubble 1929 gefundenen Wert lag. Lemaitre betonte, dass die „Flucht“ der Galaxien (im Kontext der Shapley-Curtis-Debatte auch mit dem heute nicht mehr verwendeten Begriff „Nebelflucht“ bezeichnet) nicht als Bewegung in einem fixen Raum von uns weg zu verstehen sei, sondern, im Sinn der allgemeinen Relativitätstheorie, als Expansion des Raumes.

Hubble selbst fand die Beziehung v=Hr, also die Beziehung zwischen den Distanzen der Galaxien und den als Geschwindigkeiten gedeuteten Rotverschiebungen v (Dopplereffekt), im Jahr 1929. Das deutete er allerdings nicht als Expansion des Universums, sondern im Sinn von de Sitters 1917 vorgeschlagenem Modell eines statischen Universums. Hubble hat das Modell des expandierenden Universums nie vertreten und – nach seinen Publikationen zu schließen – vermutlich auch nie daran geglaubt.

Hatte Einstein noch in seinen Theorien ein statisches Universum postuliert, revidierte er angesichts dieser damals neuen Theorie des expandierenden Raumes seine Auffassung. So hatte Einstein eine kosmologische Konstante in die Feldgleichungen eingeführt, um statische Lösungen des Universums zu erhalten. Diese Lösungen der Struktur des Universums waren jedoch instabil. Einstein bezeichnete die Idee einer kosmologischen Konstanten später laut George Gamow als die „größte Eselei meines Lebens“.^[1]

Forschungsstand

→ Hauptartikel: Kosmologie

Laut der heute gängigsten Theorie ist die kosmologische Rotverschiebung kein Dopplereffekt im eigentlichen Sinne, sondern beruht auf der allgemeinen zeitlichen Zunahme von Abständen im Universum. Dies führt zu der Annahme des Urknalls, da die Abstände zwischen den Galaxien in diesem Modell zu einem endlichen Zeitpunkt in der Vergangenheit verschwinden und daher ein Zustand unendlich hoher Dichte vorliegt.

Lange Zeit war unklar, ob die Expansion

• unendlich fortdauern wird (offenes Universum)
• immer langsamer, aber dennoch einen asymptotischen Grenzzustand erreichen wird (ebenes Universum)
• irgendwann zum Stillstand kommt und wieder in eine Kontraktion übergeht (geschlossenes Universum)

Beobachtungen weit entfernter Supernovae vom Typ Ia unter anderem im Rahmen des Supernova Cosmology Project, für deren Auswertung die Astronomen Saul Perlmutter, Brian P. Schmidt und Adam Riess den Nobelpreis für Physik des Jahres 2011 zugesprochen bekamen,^[2] zeigen, dass die Expansion des Universums heute beschleunigt abläuft. Diese Ergebnisse stimmen überein mit Untersuchungen der kosmischen Hintergrundstrahlung, beispielsweise mittels des WMAP-Satelliten. Als Ursache wird Dunkle Energie angenommen, eine zeitlich variable Verallgemeinerung der kosmologischen Konstante. Dunkle Energie konnte bislang nicht direkt nachgewiesen werden; ihre einzigen derzeit beobachtbaren Auswirkungen beziehen sich auf die Expansion des Universums sowie die Strukturbildung im Universum.

Eine andere Theorie zur Rotverschiebung ist die des „müden Lichts“, die heute jedoch als wissenschaftlich überholt gilt.

Aus einigen Beobachtungen, die im Rahmen der normalen Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker-Metrik nicht verstanden werden können, schließt man auf eine Phase exponentieller Expansion in der Frühzeit des Universums. Diese Expansionstheorien werden Inflationstheorien genannt.

Es werden auch Erklärungsversuche im Rahmen der allgemeinen Relativitätstheorie untersucht.^[3][4]

Siehe auch

• Beobachtbares Universum

Literatur

• Charles H. Lineweaver und Tamara M. Davis: Der Urknall – Mythos und Wahrheit. In: Spektrum der Wissenschaft. Mai 2005, S. 38–47, ISSN 0170-2971
• Harry Nussbaumer: Achtzig Jahre expandierendes Universum. In: Sterne und Weltraum. Band 46, Heft 6, 2007, S. 36–44, ISSN 0039-1263
• Harry Nussbaumer: Das Weltbild der Astronomie. 2.erw. und akt. Auflage, vdf Hochschulverlag, 2007, ISBN 978-3-7281-3106-5.
• Harry Nussbaumer and Lydia Bieri: Discovering the Expanding Universe. Cambridge University Press, 2009, ISBN 978-0-521-51484-2.

Einzelnachweise

1. ↑ J.-P. Luminet: The Rise of Big Bang Models, from Myth to Theory and Observations. 2007, http://arxiv.org/pdf/0704.3579
2. ↑ http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2011/ www.nobelprize.org, abgerufen am 5. Oktober 2011
3. ↑ David L. Wiltshire: Gravitational energy as dark energy:cosmic structure and apparent acceleration. Abgerufen am 6. April 2011 (pdf, englisch). 
4. ↑ David L. Wiltshire: Cosmic clocks, cosmic variance and cosmic averages. Abgerufen am 6. April 2011 (pdf, englisch).