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StartseiteWissenschaft im BrennpunktAnzeichen für ein flaches Universum23.03.2014

KosmologieAnzeichen für ein flaches Universum

Das Bicep-2-Teleskop am Südpol hat Indizien gefunden, dass sich das Universum am Beginn extrem schnell aufgebläht hat. Damit könnten die Daten eine von drei konkurrierenden Vorstellungen darüber, wie sich das Universum verhält, stützen.

Von Jan Lublinski

Der Urknall (Zeichnung) (Nasa)
Der Urknall nach der Vorstellung eines Zeichners. (Nasa)

Der Sternenhimmel in einer klaren Nacht. Unzählige Punkte, in der Tiefe leuchtend. Ein Meer aus Sonnen, in ständiger Bewegung umeinander. Sie ziehen sich an, sausen aneinander vorbei, entfernen sich wieder. Gewaltige Kräfte sind hier am Werk. Die Sterne verwandeln Energie, strahlen sie ab, brennen, explodieren, verglühen, verschwinden.

"So cosmology really changed…"

Michael Turner von der Universität Chicago.

"Die Kosmologie hat sich verändert. Sie ist zu einer Präzisionswissenschaft geworden. Die verschiedenen Messungen passen jetzt alle zusammen. Es ist inzwischen sehr schwierig geworden, eine ganz neue Messung zu machen und damit alles auf den Kopf zustellen. Denn dann müsste man dazu auch sagen: diese fünf anderen Messungen sind alle falsch."

Nach Jahrzehnten der Diskussionen und scheinbaren Widersprüche in den Messungen ist es den Astronomen inzwischen gelungen, ein in sich stimmiges Theoriegebäude zu errichten. Doch das neue Gebäude fußt auf einem Fundament, das nur teilweise gesichert ist. So haben die Astronomen etwa die Entwicklung ganz zu Beginn des Universums nur ansatzweise verstanden. Und sie wissen nicht, was mit dem Universum in ferner Zukunft geschehen wird.

Albert Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie: Zeit, Raum und Materie beeinflussen einander in einem dynamischen Wechselspiel. Der Kosmos kann sich im Laufe der Zeit ausdehnen wie ein Luftballon. Er kann Beulen und Dellen bilden, er kann pulsieren, sich schnell wieder zusammenziehen oder explodieren. 

Einige Jahre nachdem Einstein die Formeln zu seiner Allgemeinen Relativitätstheorie gefunden hatte, entwickelte der russische Physiker Alexander Friedmann auf dieser Grundlage mathematische Weltmodelle, die ein Universum beschrieben, das sich immer weiter ausdehnt. Friedmanns Gleichungen enthielten eine so genannte "kritische Energie". Mit ihr lassen sich drei mögliche Formen des Universums unterscheiden.

"Man spricht da von einem geschlossenen Universum, einem offenen oder von einem flachen Universum."

Volker Springel. Max Planck Institut für Astronomie, Garching.

"Das geschlossene Universum ist, wenn man mehr Energie hat als diese kritische Energie, dann bewirkt das unter anderem, dass das Universum endlich lang lebt. Es wird dann irgendwann wieder zusammenstürzen, weil nämlich genügend Materie da ist. Das ist ja auch Energie: E=mc2, nach Einstein. Die Energiedichte der Materie reicht aus, um die Ausdehnung des Universums irgendwann anzuhalten und dann kommt es zu einem Zusammensturz des Universums. Das ist der geschlossene Fall. Und der offene Fall ist, wenn man zu wenig Energie hat, dann dehnt sich das Universum unendlich aus. Und dann gibt es den Grenzfall: Das ist das flache Universum."

Beim flachen Universum sind die Achsen nicht gekrümmt, sondern gerade. Veranschaulichen lässt sich das mit einer flachen zweidimensionalen Welt: Hier würden wir auf einer Ebene leben - und nicht auf einer gekrümmten Kugel. Lange Zeit rätselten die Kosmologen, zu welchem der drei Fälle denn unser Universum zählt. Anfang des 21. Jahrhunderts konnte diese Frage beantwortet werden, mit einer genauen Analyse der sogenannten kosmischen Hintergrundstrahlung. Dabei handelt es sich um eine Mikrowellen-Strahlung, die überall im Kosmos anzutreffen ist, eine Art Nachglimmen des Urknalls. Die genaue Vermessung dieser Strahlung ergab, dass das Universum flach sein muss. Die drei Raumdimensionen des Weltalls sind nicht gekrümmt - sondern gerade. Volker Springel:

"Das ist aber komisch. Warum ausgerechnet dieser Fall. Warum ist die Energie genau gleich dieser kritischen Energie?"

Letztlich ist diese Frage bis heute offen, aber die Physiker haben ein Modell entwickelt, das diesem Umstand Rechnung trägt: Nach der sogenannte Inflations-Theorie hat sich das Universum direkt nach dem Urknall in extremer Weise aufgeblasen, so stark, dass jede Raumkrümmung quasi glattgebügelt wurde. Durch welche Energie die Inflation einst angetrieben wurde, wissen die Astronomen nicht. Sie stellen nur fest, dass sie die weitere Entwicklung des Universums gut beschreiben können, wenn sie voraussetzen, dass es am Anfang eine Art kosmische Luftpumpe gegeben hat, die den Raum in extremer Weise aufgeblasen hat. Springel:

"Jede Krümmung, die es vorher gegeben haben mag im Universum, ist, wenn ich das unfassbar stark aufblase, das Universum, wird es irgendwann flach. Wenn ich einen Ballon extrem aufblase, dann ist irgendwann seine Oberfläche praktisch flach. Wenn ich dann ein kleines Stück anschaue, kann ich das nicht mehr von der Ebene unterscheiden."

Der Raum reißt auf, entfaltet sich in rasendem Tempo, benachbarte Bereiche des Weltalls sind plötzlich weit voneinander entfernt. Dann aber wird die Bewegung langsamer, die Inflation ebbt ab. Die Energie, welche die Ausdehnung vorangetrieben hat, verwandelt sich in Strahlung. Sie heizt den Kosmos auf, Elementarteilchen bilden sich: Quarks und Gluonen. Das Universum wird zu einer dichten Suppe aus Strahlung und kleinsten Teilchen.

 

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