Das kleine Buch der Kosmologie E-Book

Lyman Page

• Herausgeber: FinanzBuch Verlag
• Kategorie: Lebensstil
• Sprache: Deutsch

Seitenzahl: 194

Veröffentlichungsjahr: 2024

Beschreibung

Das kleine Buch der Kosmologie bietet einen atemberaubenden Blick auf unser Universum in den größten nur vorstellbaren Dimensionen. Packend geschrieben von einem der weltweit führenden experimentellen Kosmologen, Lyman Page, beschreibt es, was Wissenschaftler durch präzise Messungen des schwachen thermischen Nachleuchtens des Urknalls – bekannt als kosmische Mikrowellenhintergrundstrahlung (CMB) – aufdecken und wie ihre Erkenntnisse unsere Sicht auf den Kosmos verändern. Page erklärt nicht nur die Basics der Kosmologie sowie aktuelle Beobachtungen, sondern beschreibt auch, wie diese zu einem einheitlichen Bild verwoben werden können, um das Standardmodell der Kosmologie zu bilden. Dieses prägnante Buch beschreibt auch die Suche nach immer tieferen Erkenntnissen an den Grenzen des Fachgebiets – von der Suche nach der Natur der Neutrinos und der dunklen Energie bis hin zur Erforschung der Physik des frühen Universums. Die kürzeste Geschichte der Kosmologie im Westentaschenformat.

Leseprobe

Lyman Page

Das kleine Buch der Kosmologie

Daskleine BuchderKosmologie

Lyman Page

Aus dem Englischen von Karsten Petersen

»Es gibt keine bessere Einführung in unsere moderne Sicht der Kosmologie.« Avi Loeb, Harvard University

Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek:

Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://d-nb.de abrufbar.

Für Fragen und Anregungen

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Wichtiger Hinweis

Ausschließlich zum Zweck der besseren Lesbarkeit wurde auf eine genderspezifische Schreibweise sowie eine Mehrfachbezeichnung verzichtet. Alle personenbezogenen Bezeichnungen sind somit geschlechtsneutral zu verstehen.

1. Auflage 2024

© 2024 by Finanzbuch Verlag, ein Imprint der Münchner Verlagsgruppe GmbH

Türkenstraße 89

80799 München

Tel.: [phone]

Die amerikanische Originalausgabe erschien 2020 bei Princeton University Press unter dem Titel The little book of cosmology. © 2020 by Princeton University Press. All rights reserved.

Alle Rechte, insbesondere das Recht der Vervielfältigung und Verbreitung sowie der Übersetzung, vorbehalten. Kein Teil des Werkes darf in irgendeiner Form (durch Fotokopie, Mikrofilm oder ein anderes Verfahren) ohne schriftliche Genehmigung des Verlages reproduziert oder unter Verwendung elektronischer Systeme gespeichert, verarbeitet, vervielfältigt oder verbreitet werden. Wir behalten uns die Nutzung unserer Inhalte für Text und Data Mining im Sinne von § 44b UrhG ausdrücklich vor.

Übersetzung: Karsten Petersen

Redaktion: Redaktionsbüro Diana Napolitano, Augsburg

Korrektorat: Manuela Kahle

Umschlaggestaltung: Marc-Torben Fischer, in Anlehnung an das Original von Jessica Massabrook

Satz: abavo GmbH, Buchloe

eBook: ePUBoo.com

ISBN Print 978-3-95972-774-7

ISBN E-Book (PDF) 978-3-98609-509-3

ISBN E-Book (EPUB, Mobi) 978-3-98609-510-9

Weitere Informationen zum Verlag finden Sie unter:

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Inhalt

Vorwort

Kapitel 1 Grundlagen

Die Größe des Universums

Das expandierende Universum

Das Alter des Universums

Das beobachtbare Universum

Ist das Universum unendlich?

Wie wir in der Zeit zurückblicken

Kapitel 2 Zusammensetzung und Entwicklungsgeschichte des Universums

Die kosmische Mikrowellenhintergrundstrahlung

Materie und Dunkle Materie

Dunkle Materie

Die kosmologische Konstante

Strukturbildung und die Entwicklung des Universums

Kapitel 3 Vermessung der kosmischen Mikrowellenhintergrundstrahlung

Vermessung der CMB

Die CMB-Anisotropie

Quantifizierung der CMB

Kapitel 4 Das Standardmodell der Kosmologie

Die Geometrie des Universums

Die Keime der Strukturbildung

Das Gesamtbild

Kapitel 5 Grenzbereiche der kosmologischen Forschung

CMB-Lensing

Neutrinos

Gravitationswellen

Strukturbildung und grundlegende physikalische Zusammenhänge

Der Sunjajew-Seldowitsch-Effekt (SZ-Effekt) und Galaxienhaufen

Das Temperaturspektrum

Zusammenfassung und Schlussfolgerungen

Danksagung

Anhänge

Anhang A.1: Das elektromagnetische Spektrum

Anhang A.2: Expandierender Raum

Anhang A.3: Tabelle der Entwicklungsgeschichte des Universums

Anhang A.4: Das beobachtbare Universum im Lauf der Zeit

Anmerkungen

Für Lisa und die Jungs

Kapitel 1

Grundlagen

Die Größe des Universums

Wie groß ist das Universum? Es ist sehr, sehr groß! Aber jetzt mal im Ernst: Das ist eine ausgesprochen tiefgründige Frage. Die Suche nach der Antwort wird uns bis ins Herz der Kosmologie führen. Doch bevor wir überlegen, was diese Frage überhaupt bedeutet, wollen wir uns zunächst einige typische Entfernungen ansehen. In der Kosmologie sind die Entfernungen wirklich extrem groß. Um den Maßstab festzulegen, fangen wir in unserer unmittelbaren Umgebung an und arbeiten uns dann in immer größere Entfernungen nach außen vor. Der Mond ist etwa 384.400 Kilometer von der Erde entfernt, was als »nah« betrachtet wird. Das entspricht etwa der Kilometerleistung eines Autos, bevor es kaputtgeht. Mit einem sehr guten Auto könnte man also bis zum Mond fahren und es vielleicht sogar wieder zurück schaffen. Doch jenseits des Mondes wird es mühsam, Entfernungen immer noch in Kilometern zu messen. Da das Universum so riesig ist, messen wir solche Entfernungen typischerweise anders – nämlich mit Licht. Wir können uns fragen, wie lange Licht braucht, um von einem Objekt im Weltraum zu uns zu kommen. Da die Lichtgeschwindigkeit eine Naturkonstante ist, eignet sie sich gut als Maßeinheit. Anders ausgedrückt: Eine Lichtsekunde ist die Entfernung, die Licht in einer Sekunde zurücklegt (also etwa 300.000 Kilometer). Entsprechend legt Licht in 1,3 Sekunden eine Entfernung von 390.000 Kilometern zurück. Also können wir, anstatt die Entfernung in Kilometern anzugeben, einfach sagen, dass der Mond 1,3 Lichtsekunden entfernt ist. Bitte beachten Sie, dass wir hier einen auf Zeit beruhenden Begriff – nämlich die Lichtsekunde – verwenden, um eine Entfernung anzugeben.

Die Sonne ist im Durchschnitt etwa 150 Millionen Kilometer von uns entfernt, also etwas über acht Lichtminuten.3 Da die schnellste Geschwindigkeit, mit der Informationen sich fortbewegen können, die Lichtgeschwindigkeit ist, müssen wir, wenn auf der Oberfläche der Sonne etwas passiert, etwa acht Minuten warten, bis das Licht dieses Ereignisses unsere Augen erreicht. Wir werden später noch auf dieses Konzept zurückkommen, um es auf den kosmischen Maßstab anzuwenden. Vorerst werden wir uns aber auf Entfernungen konzentrieren und nicht auf die Zeit, die es braucht, um diese Entfernung zurückzulegen.

Wenn Sie das nächste Mal in einer Neumondnacht abseits der Lichter einer Stadt sind und den Nachthimmel betrachten, werden Sie einen Streifen sehen, der heller ist als alles andere. Dieses sanfte Leuchten kommt von vielen Milliarden Sternen, welche die Milchstraße bilden – unsere Galaxie, in der unsere Sonne ein ziemlich typischer Stern ist. Eine typische Galaxie besteht aus etwa hundert Milliarden Sternen. Eine Möglichkeit, sich die Bedeutung dieser Zahl zu erschließen, besteht darin, dass unser Gehirn etwa hundert Milliarden Neuronen enthält – für jeden Stern in unserer Galaxie gibt es also in Ihrem Gehirn ein Neuron.

Die Sterne der Milchstraße bilden eine Art Scheibe mit einem Durchmesser von etwa 100.000 Lichtjahren und einer Ausbuchtung in der Mitte. Abbildung 1.1 zeigt eine Skizze, wie die Milchstraße aussehen würde, wenn wir sie aus einiger Entfernung betrachten könnten. Die galaktische Ebene (»galactic plane«) ist eine gedachte Fläche, die diese Scheibe in zwei Hälften teilt, als würde man ein flaches Brötchen aufschneiden. Unser Sonnensystem ist etwa auf halber Strecke vom Mittelpunkt der Scheibe entfernt. Wenn wir in Richtung Mitte der Scheibe blicken, sehen wir viel mehr Sterne, als wenn wir abseits der Mitte auf eine Seite der Scheibe schauen. Es ist ungefähr so, als würde man am Stadtrand leben: Obwohl man sich innerhalb des Stadtgebiets befindet, sieht man alle hohen Gebäude des Stadtzentrums nur in einer Richtung.

Abbildung 1.1 Die Milchstraße, wie ein imaginärer Betrachter sie aus einiger Entfernung sehen würde. Das galaktische Zentrum befindet sich in der Mitte der Ausbuchtung. Die Ausrichtung der Erde in Bezug auf die Galaxie ist nur näherungsweise dargestellt.

Bildnachweis: Stewart Brand und Jim Peebles in The CoEvolution Quarterly.

Tafel 2 (siehe Bildteil) ist ein Bild der Milchstraße, das mit einer CCD-Kamera im Bereich des sichtbaren Lichts aufgenommen wurde.4 Wenn unsere Augen empfindlicher und größer wären, würden wir die Galaxie so sehen. Die dunklen Schwaden in diesem Bild stammen von dem Staub in unserer Galaxie, der das Licht der Sterne verdunkelt, ganz ähnlich wie Rauch die Flammen eines Feuers verdunkelt. In der Kosmologie bezieht sich der Begriff »Staub« auf mikroskopisch kleine Partikel, die aus einer Vielzahl von Materialien wie Kohlenstoff, Sauerstoff und Silizium bestehen. Tafel 3 (siehe Bildteil) zeigt eine andere Ansicht der Milchstraße, die mit dem Diffuse InfraRed Background Explorer (DIRBE) aufgenommen wurde, einem Infrarotteleskop, das eines der drei Instrumente des Satelliten COsmic Background Explorer (COBE) ist.5 Im Gegensatz zu der Darstellung in Tafel 2 (siehe Bildteil) wurde dieses Bild im Wellenlängenbereich »Ferninfrarot« aufgenommen, in erster Linie bei einer Wellenlänge von 100 Mikrometern. Die Intensität der Infrarotstrahlung eines Objekts zeigt uns, wie viel Wärme dieses Objekt ausstrahlt. In Tafel 3 (siehe Bildteil) sehen wir hauptsächlich das thermische Glühen der Milchstraße, oder anders ausgedrückt: die Emission von Wärme. Diese Wärme stammt von dem Staub, den unsere Galaxie enthält, demselben Staub, der das Licht der Sterne verdunkelt.

Eine typische Galaxie wie die Milchstraße hat eine Durchschnittstemperatur von etwa 30 Kelvin, ist also nicht gerade heiß, strahlt aber doch Wärmeenergie ab. Wir können einen losen Vergleich zu einer Glühbirne ziehen. Die Glühbirne nehmen wir hauptsächlich wahr aufgrund des sichtbaren Lichts, das sie ausstrahlt, entsprechend dem Licht in Tafel 2 (siehe Bildteil). Doch tatsächlich erzeugt die Glühbirne viel mehr Energie in Form von Wärme, die wir zwar fühlen, aber nicht sehen können.6 Wenn Sie eine Glühbirne berühren, fühlt sie sich heiß an. Vielleicht haben Sie schon einmal ein Wärmebild von einem Haus gesehen, das mit Infrarotlicht aufgenommen wurde. Solche Bilder zeigen uns, wo die Wärme austritt (oft an den Fenstern). Wenn Sie die Wärme eines heißen Körpers spüren, ist es hauptsächlich Infrarotstrahlung, die Sie wahrnehmen.

Abbildung 1.2 Die Lokale Gruppe von Galaxien. Die Andromedagalaxie ist etwa 2,5 Millionen Lichtjahre entfernt, ist aber bei Dunkelheit und abseits von städtischem Streulicht leicht mit bloßem Auge zu erkennen. Ihre Länge erscheint einige Male so groß wie der Vollmond. Auf der Südhalbkugel sind die Magellanschen Wolken gut mit bloßem Auge zu erkennen. In diesem Bild ist die größere der beiden Wolken in der Nähe der Milchstraße zu sehen; auf Tafel 3 (siehe Bildteil) ist zu erkennen, dass sie Wärme ausstrahlt. Sie hat einen Durchmesser von etwa zwanzig Vollmonden. Die oberen und unteren »Speichenräder« haben einen Durchmesser von 6 Millionen Lichtjahren.

Bildnachweis: Andrew Z. Colvin, https://en.wikipedia.org/wiki/Local_Group.

Gehen wir noch einen Schritt weiter hinaus in den Kosmos. Unsere Galaxie gehört zu der sogenannten »Lokalen Gruppe« von etwa 50 Galaxien, wie in Abbildung 1.2 dargestellt. Die Lokale Gruppe hat einen Durchmesser von etwa 6 Millionen Lichtjahren. In dieser Galaxiengruppe ist die Milchstraße nach der Andromedagalaxie die zweitgrößte Galaxie, doch die Größenunterschiede sind erheblich. Während die Andromedagalaxie etwa 1000 Milliarden Sterne enthält, haben die kleineren »Zwerggalaxien« einige zehn Millionen Sterne. Die Große Magellansche Wolke (Tafel 3 und Seite 22, Abbildung 1.2) ist eine nicht sonderlich weit entfernte kleine Galaxie, die um die Milchstraße kreist.7 Wenn Galaxien umeinander kreisen, sind die Entfernungen zwar schon recht groß, aber wie der Name schon sagt, werden diese Galaxien immer noch als »lokal« angesehen. Obwohl es keine eindeutige Grenze dafür gibt, ab wann Distanzen als »kosmologisch« bezeichnet werden, assoziieren wir mit diesem Begriff typischerweise eine Kugel oder einen Würfel mit einem Durchmesser von mindestens 25 Millionen Lichtjahren. Die Größe der Lokalen Gruppe ist nur ein Bruchteil davon.

Tafel 4 (siehe Bildteil) ist ein atemberaubendes Bild, das mit dem Hubble-Weltraumteleskop aufgenommen wurde, indem es fast 300 Stunden lang dieselbe Himmelsregion beobachtete, um die Empfindlichkeit für das von schwach leuchtenden Objekten ausgestrahlte Licht zu erhöhen. Dieses Bild, das als »Hubble Ultra Deep Field« bekannt ist, könnte man als eine extrem lang belichtete Fotografie bezeichnen. Die am weitesten entfernten Objekte in diesem Bild sind mehrere Milliarden Lichtjahre entfernt. Das von dem Bild abgedeckte Himmelsareal entspricht etwa einem Sechzigstel der Fläche des Vollmondes. Das können wir auch etwas genauer ausdrücken: Die Winkelbreite des Vollmonds beträgt ungefähr ein halbes Grad, was etwa der Hälfte des Bogenwinkels Ihres auf Armlänge hochgehaltenen kleinen Fingers entspricht.8 Wir können ausrechnen, dass es etwa 200.000 Vollmonde braucht, um die gesamte Fläche des Himmels abzudecken. Das Atemberaubende an diesem Bild ist, dass nur eine Handvoll der Objekte darin Sterne sind – bei der weitaus überwiegenden Mehrzahl der Objekte handelt es sich um Galaxien. Und jede dieser Galaxien enthält typischerweise etwa 100 Milliarden Sterne.

Um die Anzahl der Galaxien auf diesem Bild zu ermitteln, muss man sie einfach zählen. Bei einem Bild mit voller Auflösung könnte man dies von Hand tun, aber es ist einfacher, das von einem Computer erledigen zu lassen. Das »Hubble Ultra Deep Field«-Team zählte etwa 10.000 Galaxien in diesem Bild, was darauf hindeutet, dass es am gesamten Himmel etwa 100 Milliarden Galaxien gibt.9 Um es noch einmal zu betonen: Wir beobachten, dass es eine endliche Anzahl von Galaxien typischer Größe gibt. Wir sagen, dass es im beobachtbaren Universum – der Teilmenge des gesamten Universums, die wir im Prinzip beobachten können – etwa 100 Milliarden Galaxien gibt, von denen jede typischerweise etwa 100 Milliarden Sterne enthält. Es ist Zufall, dass diese zwei Zahlen so nahe beieinanderliegen.

Wir haben gerade ein grundlegendes Konzept eingeführt, nämlich das des »beobachtbaren Universums«, und eine grundlegende Feststellung getroffen, und zwar, dass wir im »Hubble Ultra Deep Field« so gut wie alle Galaxien vom Typ Milchstraße erfasst haben, die in dieser Richtung zu sehen sind. Mit anderen Worten: Mit dem »Hubble Ultra Deep Field« sind wir in Bezug auf das Zählen von Objekten bis an die Grenzen des Möglichen vorgestoßen. Um diese Aussagen zu verstehen, müssen wir ein Universum in Betracht ziehen, das sich im Lauf der Zeit verändert, doch bis wir das im nächsten Abschnitt tun werden, wollen wir uns den Kosmos als eine unermessliche und statische Weite vorstellen, die wir nach Belieben erforschen können.

Was würden wir zu sehen bekommen, wenn wir die Zeit anhielten und durch das Universum reisen könnten? Wenn wir einmal außer Acht lassen, dass die Lichtgeschwindigkeit endlich ist, können wir uns vorstellen, dass jemand – wie Alice im Wunderland – sich sofort an jeden beliebigen Ort im Universum begeben und ohne Zeitverlust mit jemandem an einem beliebigen anderen Ort kommunizieren kann. Die Galaxien könnten wir uns dabei als kosmische Wegweiser vorstellen. Im Prinzip könnten wir ihnen Namen geben und registrieren, wo im Universum sie sich befinden. Wie Sie auf dem Bild der Lokalen Gruppe in Abbildung 1.2 (siehe Seite 22) sehen können, wurde diese Kartierung für unsere lokale Umgebung bereits erledigt. Aber das genügt uns nicht – wir wollen in viel weiter entfernte Regionen des Weltalls vordringen. Nehmen wir an, Alice würde sich in einer 10 Milliarden Lichtjahre entfernten Galaxie befinden. Wir bitten sie, die lokale kosmische Umgebung in groben Zügen zu beschreiben, etwa die Anzahl und das ungefähre Aussehen der anderen Galaxien in ihrer Nähe. Dann vergleichen wir unsere Beschreibung von unserem eigenen Standort in der Milchstraße mit dem, was Alice uns mitgeteilt hat und stellen fest, dass die Beschreibungen ähnlich sind. Obwohl es ganz unabhängig davon, wohin wir reisen, egal wie weit und in welche Richtung, eine große Vielfalt an Galaxien gäbe, würde die galaktische Umgebung im Durchschnitt sehr ähnlich aussehen wie in unserer unmittelbaren Nachbarschaft. Und überall würden dieselben Gesetze der Physik gelten und die natürliche Umgebung hervorbringen.

Dies ist ein wichtiger konzeptioneller Punkt, der es wert ist, wiederholt zu werden, weil wir darauf aufbauen werden: In der Gegenwart sieht jede Region des Universums in groben Zügen ähnlich aus. Wir könnten jemanden in der Nähe einer weit entfernten Galaxie anrufen und ihn bitten, die Galaxien innerhalb einer gedachten Kugel mit einem Durchmesser von 25 Millionen Lichtjahren, in deren Mittelpunkt er sich befindet, zu beschreiben. Wir würden feststellen, dass seine Beschreibung im Großen und Ganzen auch unsere galaktische Nachbarschaft beschreibt.

Das Konzept, dass das Universum im Durchschnitt unabhängig davon, wohin man zu einem bestimmten Zeitpunkt gerade geht, gleich ist, wird als Einsteins kosmologisches Prinzip bezeichnet. Wenn eine Größe überall im Raum gleich ist, sagt man, sie sei homogen. Demnach besagt das kosmologische Prinzip, dass das Universum homogen ist, wenn es über ein ausreichend großes Volumen gemittelt wird. Darüber hinaus besagt das kosmologische Prinzip, dass der Kosmos im Durchschnitt in jeder Richtung gleich aussieht. Diese Eigenschaft wird Isotropie genannt. Sie bedeutet, dass im Durchschnitt das Bild des »Hubble Ultra Deep Field« überall gleich aussieht, ganz unabhängig davon, in welche Richtung wir den Satelliten richten, solange wir von nahen Objekten wie der galaktischen Ebene wegschauen. Unser Universum ist homogen und isotrop, ganz gleich, wo wir uns darin befinden.

Die Konzepte der Homogenität und der Isotropie sind miteinander verwandt, unterscheiden sich aber. Wenn zum