Expandierendes Universum

Heute im PHYSIKUNTERRICHT: Sterne, Galaxien und Schwerkraft ✔ | Expandierendes Universum ✔ | Die Urknalltheorie ✔ | Das Schicksal des Universums ✔ | Schätzung des Alters des Universums ✔

Expandierendes Universum

Es gibt Milliarden von Galaxien im Universum. Benachbarte Galaxien sind typischerweise einige Millionen Lichtjahre voneinander entfernt. Die am weitesten entfernten Galaxien, die von der Erde beobachtet werden, können 15 Milliarden Lichtjahre entfernt sein - ihr Licht hat 15 Milliarden ($\mathsf {15 \ \cdot \ 10^9}$) Jahre gebraucht, um uns zu erreichen.


Sterne, Galaxien und Schwerkraft
Die Sonne ist ein Stern in einem riesigen Sternensystem namens Galaxie mit über 100 Milliarden weiteren Sternen.
Sterne und Galaxien werden durch die Schwerkraft gebildet. Es gibt eine Anziehungskraft zwischen allen Massen: Je größer die Massen sind und je näher sie sich sind, desto stärker ist die Anziehungskraft.


Das expandierende Universum

Wenn sich Objekte mit hoher Geschwindigkeit von der Erde entfernen, werden die Lichtwellen, die von ihnen ausgehen, "gestreckt". Dies ist als Doppler-Effekt bekannt. Es bedeutet, dass die Wellenlängen in Richtung des roten Endes (des längeren Wellenlängenendes) des sichtbaren Spektrums verschoben sind. Dies wird als Rotverschiebung bezeichnet.


Das Lichtjahr
Ein Lichtjahr ist die Entfernung, die das Licht in einem Jahr zurücklegt. Das sind $\mathrm {9,5 \cdot \ 10^{12} \ km} $. Typischerweise sind benachbarte Sterne ein paar Lichtjahre voneinander entfernt.


In den 1920er Jahren beobachtete Edwin Hubble, dass das Licht von entfernten Galaxien rot verschoben ist und dass im Allgemeinen die Rotverschiebung mit der Entfernung der Galaxien zunimmt. Dies läßt darauf schließen, dass die weiter entfernten Galaxien sich mit höherer Geschwindigkeit von uns entfernen (wegbewegen). Wir scheinen in einem expandierenden Universum zu leben.


Elektromagnetische Wellen
Dazu gehören Licht und Mikrowellen. Hier sind einige typische Wellenlängen:
Sichtbares Spektrum von 0,0004 mm (violettes Licht) bis 0,0007 mm (rotes Licht) Mikrowellen von 0,001 mm bis 300 mm Wellenlänge. Eine Wellenlänge


Die Urknalltheorie

Nach dieser Theorie entstand das Universum (und die Zeit) vor etwa 14 bis 15 Milliarden Jahren, als ein einzelnes heißes Superatom in einem Energiestoß explodierte, der als Urknall bezeichnet wird. Die gesamte Materie im Universum entstand im Urknall. Hier sind zwei starke Argumente, die diese Theorie stützen:

  • Da sich die Galaxien auseinander zu bewegen scheinen, haben sie vielleicht einmal den selben Raum eingenommen.
  • Radioteleskope haben eine Hintergrundstrahlung aus allen Himmelsrichtungen empfangen. Dies können die stark rotverschobenen Überbleibsel der Strahlung aus dem Urknall sein.

Der Urknall war keine Explosion, die in einem vorhandenen Raum stattfand. Der Raum selbst ist dabei entstanden und begann sich auszudehnen: Die Galaxien entfernen sich voneinander, weil der Raum zwischen ihnen immer größer wird. Wenn man darüber nachdenkt, hilft es, ein vereinfachtes Modell eines expandierenden Universums zu verwenden, wie weiter unten gezeigt.


Radioteleskope im Array
Mit solchen Reihen von Radioteleskopen konnten Wissenschaftler Radiowellen aus den entferntesten Bereichen des Universums entdecken, einschließlich Mikrowellen, die als Überbleibsel der Strahlung gelten, die im Urknall entstanden ist.

Das expandierende Universum
Ein Modell eines zweidimensionalen expandierenden Universums

Das beobachtbare Universum existiert in drei Dimensionen, da Objekte eine Länge, eine Breite und eine Höhe haben. Aber in dem einfachen Modell oben wird der Raum durch eine zweidimensionale Oberfläche dargestellt: die elastische Oberfläche eines Ballons, der aufgeblasen wird.

Stell dir vor, du lebst in einer der Galaxien auf dem Luftballon, während sich dieser ausdehnt. Alle anderen Galaxien scheinen sich von dir zu entfernen. Je weiter sie entfernt sind, desto schneller entfernen sie sich voneinander - genau wie Edwin Hubble es beobachtet hat. Dies gilt unabhängig davon, in welcher Galaxie du dich befindest. Keine einzige Galaxie steht im Mittelpunkt der Ausdehnung.

Das Schicksal des Universums

Bis vor kurzem dachte man, dass die Gravitation die Expansion des Universums verlangsamt. Nach diesem Modell hängt das Schicksal des Universums von seiner Gesamtmasse ab, die aber nicht genau bekannt ist. Wenn die Masse unter einem bestimmten kritischen Wert liegt, wird sich das Universum für immer ausdehnen. Aber wenn es mehr Masse hat, wird die Expansion schließlich stoppen und es wird eine Kontraktion folgen. Letztendlich wird es dann einen Big Crunch geben.

Das obige Modell wurde nun durch Forschungsergebnisse in Frage gestellt, die darauf hindeuten, dass die Expansionsrate des Universums nicht abnimmt, sondern tatsächlich zunimmt. Der Grund für diese Zunahme ist jedoch noch nicht klar. Man vermutet, dass die Dunkle Materie dahinter steckt.

Schätzung des Alters des Universums
Wissenschaftler haben die Geschwindigkeit abgeschätzt, mit der sich die Galaxien auseinander bewegen. Bei dem Wert ist man sich nicht einig, aber es könnte sich um $\mathrm {\tfrac {1}{15.000} \ km}$ pro Jahr und pro Million km handeln. Dieser Wert wird als Hubble-Konstante bezeichnet. Unter der Annahme einer konstanten Expansionsrate kann man feststellen, dass die Galaxien vor etwa 15 Milliarden Jahren begannen, sich voneinander zu entfernen. Wenn das so ist, dann ist der Urknall tatsächlich passiert.


Fragen

5 5 Millionen
($\mathrm {5 \ \cdot \ 10^6}$)
5 Milliarden
($\mathrm {5 \ \cdot \ 10^9}$)
15 Milliarden
($\mathrm {1,5 \ \cdot \ 10^{10}}$)

1. Welche der Zahlen oben könnte stehen für...

  1. ... den Abstand zwischen zwei benachbarten Galaxien in Lichtjahren?
  2. ... den Abstand zwischen zwei benachbarten Sternen in Lichtjahren?
  3. ... die Entfernung von der Erde zu den entferntesten beobachteten Galaxien in Lichtjahren?
  4. ... das Alter des Universums in Jahren?

Richtig ist:

  1. 5 Millionen
  2. 5
  3. 15 Milliarden
  4. 15 Milliarden

2. Das Licht aus fernen Galaxien zeigt eine Rotverschiebung

  1. Was ist mit "Rotverschiebung" gemeint?
  2. Was wird als Ursache für die Rotverschiebung des Lichts von fernen Galaxien angesehen?

Richtig ist:

  1. Rotverschiebung ist die Veränderung der Wellenlänge des Lichts hin zum langwelligen, roten Ende des sichtbaren Lichtspektrums.
  2. Der Grund dafür ist, dass sich die Galaxien mit großer Geschwindigkeit von uns entfernen und dadurch das Licht von ihnen auf dem Weg zu uns "gestreckt" wird.

Richtig ist:
Als Beweis kann die kosmische Mikrowellen-Hintergrundstrahlung gelten. Es wird allgemein angenommen, dass diese der Rest jener Strahlung ist, die beim Urknall entstanden ist.

Richtig ist:
Das ist die Gravitation.

Richtig ist:
Das Universum wäre dann 10 Milliarden Jahre alt.


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