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Urknall, kosmische Expansion und Hintergrund-Strahlung

Wer oder was bestimmt das Schicksal des Universums?

Eigentlich erwartet man von Astronomen und Astrophysikern, dass sie das Licht von Sternen und Galaxien analysieren, um die Materie im Universum zu untersuchen. Doch seit einigen Jahren setzt sich die Erkenntnis durch, dass es bisher unsichtbare Bestandteile sind, die das Schicksal des Universums bestimmen.

© NASA/STScI

Die Entdeckung der kosmischen Expansion

Bei der Untersuchung der Geschichte des Kosmos hilft den Astronomen ausgerechnet die schwächste der Grundkräfte der Natur: die Gravitation. Erst auf großen, „astronomischen“ Entfernungen wird diese Kraft dominant. Diese Entfernungen und die ungeheuren Massenansammlungen in Galaxien mit 100 Millionen Sonnenmassen und in Galaxienhaufen mit Tausenden solcher Galaxien erlauben es, den Einfluss der Gravitation auf die Entwicklung des Kosmos zu untersuchen.

Die theoretische Grundlage dafür ist seit fast 100 Jahren mit der Einstein’schen Allgemeinen Relativitätstheorie gelegt. Sie ermöglicht es, den Einfluss der Materie auf die Form des Raums zu beschreiben. Mit der Entdeckung der kosmischen Expansion an Hand der Fluchtgeschwindigkeit der Galaxien in den 1920er Jahren haben sich daraus schnell die Grundkonzepte der modernen Kosmologie mit der zentralen Vorstellung eines Urknalls entwickelt.

Nachweis der Hintergrund-Strahlung erst in den 1960er Jahren

Auf den nächsten entscheidenden Durchbruch musste man dann bis in die Mitte der 1960er Jahre warten: der Nachweis der so genannten 3K-Mikrowellen-Hintergrund-Strahlung durch Arno Penzias und Robert W. Wilson. Diese nobelpreisgekrönte Messung (1972) konnte einerseits als Bestätigung der Urknall-Hypothese angesehen werden – aus ihr wurde die Hintergrundstrahlung schon lange vorhergesagt – andererseits wurden auf dieser Entdeckung aufbauend die Vorstellungen von der Entwicklung des Universums wesentlich detaillierter.

Die physikalischen Bedingungen zum Zeitpunkt der Entstehung der Hintergrundstrahlung, wie Temperatur und Dichte, sind allein durch die Gesetze der Atom- und Plasmaphysik bestimmt und deshalb gut bekannt. Das nach dem Urknall expandierende Universum kühlt diesen Regeln folgend ständig ab. Die Temperatur war circa 380.000 Jahre nach dem Urknall auf unter 3.000 Kelvin (circa 2.700°C) gefallen – ein wichtiger Moment. Denn bei dieser Temperatur war die thermische Bewegungsenergie der bisher nur getrennt bestehenden Atombausteine so gering, dass Elektronen von Protonen eingefangen wurden, um erstmals Wasserstoff-Atome – und mit einem Anteil von zehn Prozent auch Helium-Atome – zu bilden.

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Mikrowellenhintergrundstrahlung immer noch beobachtbar

Bei dieser so genannten Rekombination wird Energie frei: Die Planck’sche Temperaturstrahlung des zuvor voll ionisierten, das heißt nur aus den atomaren Bausteinen bestehenden Gases wird freigesetzt. Diese Strahlung lässt sich, wegen der Expansionsgeschwindigkeit zu langen Wellenlängen verschoben („rot verschoben“) als Mikrowellenhintergrundstrahlung bis heute beobachten.

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Stand: 16.10.2008

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In den Schlagzeilen

Inhalt des Dossiers

Die dunkle Seite des Universums
Dunkle Materie schließt Lücke zwischen Modell und Beobachtung

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