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Wie kann man das Alter des Universums berechnen, solange dieses sich ausdehnt? Zumal man ja die Expansionsgeschwindigkeit gar nicht genau kennt. Eine komplexe Frage von Literaturwissenschafterin Sabine Haupt.
Das Universum, das sich uns im Nachthimmel erschliesst, hat schon immer fasziniert und Fragen aufgeworfen. Die Fixsterne, die Planeten und der Mond dominieren dabei und nur in ganz dunklen Nächten, abseits von hell erleuchteten Städten, werden weitere Strukturen sichtbar, wie zum Beispiel die Milchstrasse oder auch interstellare Nebel. Galaxien sind grosse Ansammlungen von Sternen, die gravitativ miteinander gebunden sind und so ein Sternensystem ausmachen. Die Milchstrasse ist eine Galaxie mit unserer Sonne als einen von etwa 300 Milliarden (3x1011) Sternen und einem Durchmesser von etwa 100’000 Lichtjahren. Interstellare Nebel sind weitere Galaxien, die wegen ihrer grossen Entfernung in herkömmlichen Teleskopen nur als verschmierte nebelartige Gebilde erscheinen, daher der Name. Mit leistungsstarken Teleskopen können entfernte Galaxien in ihre einzelnen Sterne aufgelöst werden.
Fixsterne und entfernte Galaxien erscheinen uns als zueinander unbewegliche, statische Gebilde am Firmament, die sich im Tagesrhythmus um die Erde drehen. Entsprechend wurde das Universum seit Urzeiten als statisch, ewig und unendlich angesehen. Dass diese Sichtweise nicht zutrifft, wurde erst im Laufe des 20. Jahrhunderts klar. Edwin Hubble erkannte 1929, dass entfernte Galaxien sich alle von uns entfernen, und zwar je weiter die Galaxie von uns entfernt ist, umso grösser ihre Geschwindigkeit. Andromeda, unsere nächste Nachbarsgalaxie, nähert sich uns sogar, was keinen Widerspruch ergibt. Bei grossen Entfernungen sind die Geschwindigkeiten mit denen sich Galaxien entfernen so gross, dass lokale Eigenbewegungen, die Galaxien zusätzlich haben können, nicht ins Gewicht fallen. Es zeigt sich, dass die Entfernungsgeschwindigkeit von Galaxien proportional ist zu ihrer Entfernung von uns. Es scheint tatsächlich, dass das Universum quasi aus unserer Galaxie heraus entstanden sein müsste und sich alle entfernten Galaxien explosionsartig von uns wegbewegen. Dies ist jedoch zu kurz gedacht, da jeder Beobachter, unabhängig von welcher Galaxie aus die Beobachtung gemacht wird, denselben Schluss ziehen muss. Es gilt somit, dass sich alle Galaxien voneinander wegbewegen und zwar je schneller desto grösser der Abstand zwischen ihnen ist.
In der Tat ist ein statisches Universum, in dem die Gravitation sich über alle Distanzen spürbar macht, nicht denkbar. Eigentlich hätte diese Erkenntnis schon klar sein können, seit Isaak Newton seine Gravitationstheorie 1687 aufstellte. Newtons Theorie wurde aber nur auf Planeten- und Kometenbahnen, sowie auf irdische, mechanische Fragestellungen angewandt. Über das gesamte Universum zu forschen wurde gar nicht erst in Erwägung gezogen. Albert Einstein, Begründer der Allgemeinen Relativitätstheorie, hatte erkannt, dass mit seinen Gleichungen ein statisches Universum nicht möglich ist und hat daraufhin 1917 eine kosmologische Konstante postuliert, die eine statische Lösung zuliess und so dem allgemeinen Weltbild zu genügen schien. Alexander Alexandrowitsch Friedmann (1922 und 1924), und unabhängig davon, Georges Lemaître (1927), ein katholischer Priester und Physiker, hatten Lösungen zu den einsteinschen Gleichungen vorgeschlagen, die einen Anfang des Universums beinhalten und die eine Expansion des Universums vorhersehen. Howard Robertson und Arthur Geoffrey Walker hatten 1935 mathematisch gezeigt, dass es nur eine Lösung der einsteinschen Gleichungen gibt, die ein homogenes und isotropes Universum zulässt, das sich ausdehnt. Das FLRW Universum, benannt nach den Anfangsbuchstaben von Friedmann, Lemaître, Robertson und Walker, begründet so das Standardmodell der Kosmologie.
Die Expansionsrate, d.h. die Geschwindigkeit mit der sich der Abstand zwischen weit entfernten Galaxien vergrössert, wird mit der Hubbelkonstante beschrieben. Deren Wert lässt sich bestimmen, wenn von vielen Galaxien Entfernung und Geschwindigkeit gemessen werden. Der sich daraus ergebende Wert hängt etwas von der Methodik ab und ergibt ca. H0=73±2 km s-1 Mpc-1. Der Kehrwert der Hubbelkonstanten ergibt die Hubble-Zeit, die dem Alter des Universums entspricht, falls dieses sich ewig gleichförmig ausdehnen würde und weiter auch keine massiven Objekte enthielte. Die Expansionsrate hängt aber ab von der Zusammensetzung des Universums und von seiner Geometrie. Der Gesamtanteil an normaler Materie, dunkler Materie, und dunkler Energie spielt eine wichtige Rolle, sowie auch, ob das Universum flach, offen, oder geschlossen ist, da diese die Expansionsrate verzögern oder auch beschleunigen können.
Geht man zurück in der Zeit, war das Universum kleiner und entsprechend heisser als heute, da die Gesamt-energie des Universums auf kleinerem Raum konzentriert war. Heisser bedeutet allerdings auch, dass Materie nicht in ihrer heutigen Form existieren konnte, da bei hohen Temperaturen Moleküle auseinanderreissen, und auch Atome nicht stabil sind. Zu einer ganz frühen Zeit war es nur gerade ein Plasma von Elementarteilchen, das den Inhalt des Universums ausmachte. Tatsächlich kann dieses Plasma an Teilchenbeschleunigern erforscht werden. Mit dem Large Hadron Collider am CERN können kurzfristig und auf kleinsten Raum beschränkt die Zustände erzeugt werden, wie sie im Universum eine millionstel-millionstel Sekunde (10–12s) nach dem Urknall geherrscht hatten.
Erst nachdem sich das Universum weiter ausgedehnt und entsprechend abgekühlt hatte, waren die Bedingungen nach ca. 380’000 Jahren soweit günstig, dass sich Wasserstoffatome, d.h. einzelne Protonen gebunden an einzelne Elektronen, stabil bilden konnten. Damit erst wurde das Universum transparent und Licht, d.h. Photonen, konnten sich nun ungehindert ausbreiten. Diese Photonen sind heute noch als kosmische Hintergrundstrahlung sichtbar. Diese Hintergrundstrahlung ist, neben der messbaren Expansionsrate der Abstände zwischen entfernten Galaxien, ein wichtiger Beweis für den Urknall und wird seit ihrer Entdeckung 1965 mit immer genaueren, mittlerweile satellitengestützten Experimenten erforscht.
Das Universum zeigt sich in der Analyse der kosmischen Hintergrundstrahlung als perfekter schwarzer Körper mit einer Temperatur von 2.725 ± 0.002 Kelvin. Weit entfernte intergalaktische Gebiete im Universum haben demnach alle exakt dieselbe Temperatur, was nur erklärbar ist, wenn diese in einem frühen Stadium des Universums in engem Kontakt zueinander waren und damit ein thermisches Gleichgewicht herrschte. Kleine Temperaturschwankungen in der Hintergrundstrahlung sind im Bereich von mikro-Kelvin und ergeben sich aus Dichteschwankungen der Materie im frühen Universum. Aus diesen Temperaturschwankungen und aus deren geometrischen Korrelation über das ganze Universum hinweg lassen sich die Zusammensetzung, die Geometrie und die Expansionsgeschwindigkeit des Universums bestimmen. Das Universum hat tatsächlich eine flache Geometrie. Der Anteil normaler Materie ergibt sich daraus zu 5 Prozent, derjenige der dunklen Materie zu 26 Prozent und jener der dunklen Energie zu 69 Prozent. Die Expansionsgeschwindigkeit ist dabei wesentlich genauer ermittelt und ist kompatibel mit der direkten Messung aus Galaxiendaten: H0=67.74±0.46 km s-1 Mpc-1. Mit diesen Werten und der FLRW Lösung der einsteinschen Gleichungen ist das Alter des Universums bestimmbar, welches sich als 13.799±0.021 Milliarden Jahre alt erweist.
Frage Sabine Haupt, Titularprofessorin und Lehr- und Forschungsrätin am Institut für Allgemeine und Vergleichende Literaturwissenschaft.
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Experte Hans Peter Beck ist Physiker am CERN und Mitglied der ATLAS Kollaboration. ATLAS ist eines der beiden Grossexperimente am CERN, die die Teilchenkollisionen des Large Hadron Colliders messen und analysieren und 2012 das Higgsteilchen entdeckt hatten.Hans Peter Beck ist Privatdozent an der Uni Bern und hat einen Lehrauftrag zur Teilchenphysik an der Uni Freiburg.
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