Gerhard B+Ârner - Kosmologie

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Text of Gerhard B+Ârner - Kosmologie

  • Die Bnde der Reihe FISCHER KOMPAKT gliedern sich in vier Abschnitte. Der GRUNDRISS gibt eine bndige Gesamtdarstellung des Themas. Die VERTIEFUNGEN geben die Mglichkeit, verschiedene Facetten, die im Grundriss angesprochen werden, genauer kennen zu lernen. Das GLOSSAR erlutert zentrale Begriffe. Die LITERATURHINWEISE geben Empfehlungen fr weitere Lektren. Laufend aktualisierte Hinweise des Autors auf interessante Texte und Links sind im Internet zu finden unter www.fischer-kompakt.de/kosmologie

    Die Markierungen in der Marginalspalte, zusammen mit Her-vorhebungen im Text, verweisen auf einen entsprechenden Abschnitt in den Vertiefungen.

    OriginalausgabeVerffentlicht im Fischer Taschenbuch Verlag, einem Unternehmen der S. Fischer Verlag GmbH, Frankfurt am Main, Oktober 2002 Gestaltungskonzept, Umschlagentwurf und Satz: Wolff Kommunikation, Frankfurt am Main Druck und Bindung: Clausen & Bosse, Leck Printed in Germany ISBN 3-596-15355-7

    S.105

  • KOSMOLOGIEGRUNDRISS

    Das expandierende Universum .............................................................. 3

    Galaxien ............................................................................................. 4Modellvorstellungen ............................................................................ 6Ein Zeitrafferbild .................................................................................. 7

    Die Ausdehnung des Weltalls.................................................................. 9

    Das Hubble'sche Gesetz ...................................................................... 9Bestimmung der Hubble-Konstanten durchCepheidenmessungen ......................................................................... 15Bestimmung der Hubble-Konstanten durch SNIa .............................. 16

    Das Alter der Sterne ................................................................................. 19

    Kugelsternhaufen ................................................................................. 19Entwicklung der Sterne: Das Hertzsprung-Russell-Diagramm ........ 20Die Altersbestimmung......................................................................... 24

    Die Wrmestrahlung des Universums .................................................... 25

    Die Kosmologischen Modelle .................................................................. 28

    Mathematische Vereinfachungen ....................................................... 28Der gekrmmte Raum.......................................................................... 31Rotverschiebung und zeitliche Entwicklung ..................................... 35

    Leuchtende und dunkle Kosmische Materie .......................................... 36

    Die leuchtende Materie ....................................................................... 36Dunkle Materie in Galaxien ............................................................... 38Dunkle Materie in Galaxienhaufen .................................................. 38Die baryonische Materie ..................................................................... 40Nichtbaryonische dunkle Materie ....................................................... 43

    Die kosmische Hintergrundstrahlung - CMB ......................................... 44

    Akustische Schwingungen im frhen Universum .............................. 45Beobachtungen und kosmische Parameter......................................... 48Dunkle Materie und dunkle Energie ................................................... 49

    Die Entstehung der Strukturen im Universum ....................................... 50

    Einige theoretische berlegungen ...................................................... 50Beobachtungen .................................................................................... 52

  • Dunkle Halos und leuchtende Galaxien ........................................... 54Sterne und Elemente ........................................................................ 58

    Elementarteilchenphysik und Kosmologie............................................59

    Die fundamentalen Krfte ............................................................... 59Baryonasymmetrie ........................................................................... 63

    Das Inflationre Universum .................................................................. 64

    Schwierigkeiten des Standardmodells .............................................64Das Inflationsmodell .......................................................................... 65Lsung der kosmologischen Rtsel .................................................... 70Chaotische Inflation .......................................................................... 70Kritische Anmerkungen....................................................................... 71

    Weltentstehung .....................................................................................73

    Die Mglichkeiten der Physik .............................................................73Das anthropische Prinzip ....................................................................74Die Auswahl des Anfangszustands.....................................................77Hawkings Vorschlag .......................................................................... 82

    Das Ende? ............................................................................................... 84

    VERTIEFUNGEN

    Einheiten................................................................................................ 86Entfernungen......................................................................................... 87Elementarteilchen ................................................................................ 89Kosmologische Modelle ........................................................................ 94Allgemeine Relativittstheorie.............................................................. 97Die Gravitation....................................................................................... 101Masse und Energie ............................................................................... 104Schwarze Lcher und Raumzeitsingularitt......................................... 106Gleichgewicht........................................................................................ 1 12Das Vakuum........................................................................................... 113

    ANHANG

    Glossar .................................................................................................. 119Literaturhinweise ................................................................................. 128

  • GRUNDRISS

    DAS EXPANDIERENDE UNIVERSUM

    Zu allen Zeiten hat der Anblick des nchtlichen Himmels die Men-schen fasziniert. Die Betrachtung der hellen Lichtpunkte der Sterne am schwarzen Firmament ist auch schon eine erste und einfache kosmologische Beobachtung. Warum ist der Himmel zwischen den Sternen dunkel? Wenn sich die Sterne gleichfrmig und unvernder-lich ohne Ende ins All erstrecken wrden, so trfe der Blick schlie-lich in jeder Richtung auf einen Stern und der ganze Himmel wre so hell wie die Oberflche der Sonne. Diese schlichte Tatsache heit Olbers'sches Paradoxon, obwohl sie weder von Olbers stammt noch paradox ist.

    Schon Johannes Kepler hatte 1610 bemerkt, dass die Dunkelheit des Nachthimmels einigen lteren Vorstellungen vom Weltenbau, insbesondere dem Weltbild Giordano Brunos, widerspricht. Spter wurde seine berlegung mehrfach wiederholt, auch 1823 von dem Bremer Arzt und Astronomen Heinrich Wilhelm Olbers. Interessan-terweise wurde aber zu Anfang des 20. Jahrhunderts dieses Argu-ment nicht beachtet. Damals glaubten alle Astronomen an eine sta-tische Welt. Selbst Albert Einstein versuchte zunchst aus seiner Theorie ein derartiges Modell abzuleiten.

    Wir wissen heute, dass die Welt nicht statisch ist, dass alle Sterne vor endlicher Zeit entstanden sind und wieder vergehen. Deshalb trifft unser Blick in vielen Richtungen nicht auf einen Stern und der Nachthimmel erscheint dunkel.

    In dunklen Nchten, weitab von der Lichterflle der Stdte, knnen wir das helle Band der Milchstrae sehen, wie es sich ber den Him-mel zieht - Milliarden von Sternen, die alle ihre Energie verstrmen. Eigentlich knnen wir mit dem bloen Auge, dem unbewaffneten Auge, wie sich militante Astronomen ausdrcken, nur etwa tausend

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  • Abb.1: Einige Spiralgalaxien, die unterschiedlich zur Blickrichtung orientiert sind, erscheinen als Scheibe oder nur als leuchtende Kante.

    unserer nchsten Sternnachbarn sehen. Aber bewaffnet mit einem Teleskop erkennen wir mehr und wir sehen auch, dass es neben der Milchstrae viele verschwommene Lichtflecken am Himmel gibt, die sich bei nherem Hinsehen als Sternsysteme wie unsere Milchstra-e, als Galaxien, zeigen.

    Galaxien

    Die Galaxien - riesige Systeme aus Sternen, Gas und Staub - sind die Bausteine des Universums, zumindest des Teils, der unserer Beob-achtung zugnglich ist (Abb. 1). Im Reich der Galaxien wurden fr unser Weltbild entscheidende Entdeckungen gemacht. Unsere Milchstrae besteht aus etwa 100 Milliarden Sternen und erstreckt sich ber riesige Distanzen. Die Astronomen verwenden als Messlatte nicht mehr das Meter, sondern die Laufzeit des Lichts: Von der Sonne zur Erde braucht das Licht 8 Minuten. Diese Entfernung von 144 Millionen Kilometern entspricht also dem Entfernungsma von

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    Das expandierende Universum

  • Abb.2: Ein winziger Ausschnitt (etwa eine Bogenminute zum Quadrat, d.h. 25 Mil-liardstel) des Himmels, den das Weltraumteleskop Hubble (kurz HST) 10 Tage lang beobachtete, um auch noch die lichtschwchsten Galaxien zu finden.

    8 Lichtminuten. Um ein Sternsystem wie unsere Milchstrae zu durchqueren, braucht d