Universum

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Als Universum (von lat.: universus = gesamt; von unus und versus = „in eins gekehrt“) wird allgemein die Gesamtheit aller Dinge und Objekte bezeichnet. Im Speziellen meint man damit den Weltraum, auch Weltall oder Kosmos (von griechisch kósmos – (Welt)Ordnung, Schmuck, Anstand; das Gegenstück zum Chaos), bezeichnet die Welt bzw. das Weltall sowohl als das sichtbare Universum als auch als geordnetes, harmonisches Ganzes.

Hubble Deep Field
Der tiefste Blick ins sichtbare Universum
Vermutete Daten
Alter	13,77·10⁹ Jahre 13,77 Mrd. Jahre
Durchmesser*	46·10⁹ Lichtjahre 46 Mrd. Lichtjahre
Masse*	8,5·10⁵²–10⁵³ kg
Anzahl Galaxien*	100 Mrd.
Anzahl Teilchen*	4·10⁷⁸–6·10⁷⁹
Anzahl Photonen*	10⁸⁸
Heutige Temperatur	2,725 K −270,425°C
Mittlere Dichte	10⁻²⁷–5·10⁻²⁷kg/m³
Kritische Dichte	9,7·10⁻²⁶ kg/m³
Hubble-Konstante	ca. 71 (+/− 6) km/s·M pc
* bezogen auf das beobachtbare Hubble-Volumen.

Der Begriff Universum wurde von Philipp von Zesen durch den Ausdruck Weltall eingedeutscht. Oft wird mit dem Begriff Weltraum auch nur der Raum außerhalb der Erdatmosphäre bezeichnet. Da der Übergang von der Erdatmosphäre zum Weltraum fließend ist, existieren mehrere festgelegte Grenzen. International anerkannt ist die Definition der Fédération Aéronautique Internationale, nach der der Weltraum in einer Höhe von 100 km beginnt. Nach der Definition der NASA und der US Air Force beginnt der Weltraum bereits in einer Höhe von etwa 80 km (50 Meilen) über dem Boden.

Allgemeines

Die heute allgemein anerkannte Theorie zur Beschreibung der großräumigen Struktur des Universums ist die Allgemeine Relativitätstheorie von Albert Einstein. Auch die Quantenphysik hat bislang wichtige Beiträge zum Verständnis speziell des frühen Universums geliefert, in dem die Dichte und Temperatur sehr hoch waren und viele Prozesse unter Beteiligung von Elementarteilchen abliefen (Astroteilchenphysik). Wahrscheinlich wird ein erweitertes Verständnis des Universums erst erreicht, wenn die Physik eine Theorie entwirft, die die Allgemeine Relativitätstheorie mit der Quantenphysik vereint. In dieser Theorie der Quantengravitation sollen die vier Grundkräfte der Physik einheitlich erklärt werden.

Die Kosmologie, ein Teilgebiet sowohl der Physik als auch der Philosophie, befasst sich mit dem Studium des Universums und versucht Eigenschaften des Universums wie beispielsweise die Frage nach der Feinabstimmung zu beantworten.

Herkunft, Alter und Zusammensetzung

In der klassischen Urknalltheorie wird angenommen, dass das Universum zu einem bestimmten Augenblick, dem Urknall (engl. Big Bang), entstand und sich seitdem ausdehnt. Diese Theorie macht jedoch keine Aussagen darüber, was vor dem Urknall war, oder weshalb er überhaupt stattfand. Da die physikalischen Gesetze für die extremen Bedingungen für die ersten etwa 10^-43 Sekunden (Planck-Zeit) nach dem Urknall nicht bekannt sind, beschreibt die Urknalltheorie genaugenommen den eigentlichen Urknall überhaupt nicht. Erst nach Ablauf dieser Planck-Zeit kann das Universum beschrieben, und ihm z.B. eine Temperatur von 1,41679 ·10³² K (Planck-Temperatur) zugeordnet werden.

Das Alter des Universums ist aufgrund von Präzisionsmessungen des Satelliten WMAP mit 13,7 Milliarden Jahren relativ genau datierbar. Dies setzt voraus, dass der Urknall tatsächlich als zeitlicher Beginn des Universum betrachtet werden kann, was wegen Unkenntnis der physikalischen Gesetze für den Zustand unmittelbar nach Beginn des Urknalls nicht gesichert ist. Allerdings kann ein statisches Universum, das unendlich alt und unendlich groß ist, ausgeschlossen werden, nicht jedoch ein dynamisches unendlich großes Weltall. Dies wird unter anderem durch die beobachtete Expansion des Weltalls begründet. Des Weiteren wies schon der Astronom Heinrich Wilhelm Olbers darauf hin, dass bei unendlicher Ausdehnung und unendlichem Alter eines statischen Universums der Nachthimmel hell leuchten müsste (Olberssches Paradoxon).

Im intergalaktischen Raum (siehe auch Galaxie) beträgt die Materiedichte etwa ein Wasserstoff-Atom pro Kubikkilometer, innerhalb von Galaxien ist sie jedoch wesentlich höher. Desgleichen ist der Raum von Feldern und Strahlung durchsetzt. Die Temperatur der Hintergrundstrahlung beträgt derzeit 2,7 Kelvin (also ca. −270°C). Sie entstand 380.000 Jahre nach dem Urknall und wird auch als Geburtsschrei unseres Universums bezeichnet. Das Universum besteht nur zu einem kleinen Teil aus uns bekannter Materie und Energie (4 %), den größten Teil macht eine bis heute weitgehend unverstandene „dunkle Materie“ (23 %) und „dunkle Energie“ (73 %) aus, die für die beschleunigte Expansion verantwortlich ist, auf welche aus den Daten des Satelliten WMAP geschlossen wurde. Die Gesamtmasse des sichtbaren Universums liegt zwischen 8,5·10⁵² und 10⁵³ kg. Ohne dunkle Energie würde sich durch die Gravitationswirkung der Materie die Expansion des Universums verlangsamen und, sofern genügend Materie vorhanden ist, letztendlich umkehren: das Universum würde in einem sogenannten „Big Crunch“ wieder in sich zusammenstürzen und zu einer Singularität kollabieren.

Ein Stern besteht zu ca. 70 % aus Wasserstoff und ca. 30 % aus Helium. Die anderen chemischen Elemente, insbesondere die, aus denen die Planeten bestehen, können bei dieser groben Rechnung vernachlässigt werden. Daraus errechnet sich das Durchschnittsgewicht eines Atoms mit 2,14·10^-27 kg. Die Masse eines Sterns beträgt in der Regel 2·10³⁰ kg, enthält also 10⁵⁷ Atome. Im sichtbaren Universum kann man von 100 Milliarden oder 10¹¹ Galaxien ausgehen, die jeweils 10¹¹ Sterne enthalten. Das ergibt 10²² Sterne. Die Zahl der Atome im sichtbaren Weltall dürfte daher bei 10⁷⁹ Atomen liegen. Nach genaueren Berechnungen unter Verwendung der Theorie des inflationären Universums wird die Anzahl der Teilchen im beobachtbaren Universum zwischen 4·10⁷⁸ und 6·10⁷⁹ geschätzt.

Form und Volumen

Die Anschauung könnte die Vermutung nahelegen, dass aus der Urknalltheorie eine „Kugelform“ des Universums folge; das ist jedoch nur eine von mehreren Möglichkeiten. So wurden neben einem flachen unendlichen Universum viele andere Formen vorgeschlagen. Darunter beispielsweise eine Hypertorusform, oder auch die in populärwissenschaftlichen Publikationen als „Fussballform“ und „Trompetenform“ bekannt gewordenen Formen.

Im CDM-Standardmodell (CDM von engl. Cold Dark Matter, „kalte dunkle Materie“) sowie dem aktuelleren Lambda-CDM-Standardmodell, welches die gemessene Beschleunigung der Expansion des Universums berücksichtigt, wird von einer euklidischen Geometrie und einem unendlichen Volumen des Universums ausgegangen. Dies ist nicht zwingend, da es gegenwärtig nur möglich ist, eine untere Grenze für die Ausdehnung des Universums anzugeben. Beobachtungsdaten des Satelliten WMAP schließen nach Neil Cornish die meisten Beschreibungsmodelle des Universums, welche einen Durchmesser kleiner 78 Milliarden Lichtjahren besitzen, aus. Da die gemessene Geometrie von einer euklidischen nicht zu unterscheiden ist, wird das Lambda-CDM-Standardmodell jedoch als das einfachste Modell angesehen, welches an die Beobachtungsdaten angepasst werden kann.

Wichtig ist der Unterschied zwischen Unendlichkeit und Unbegrenztheit: Auch wenn das Universum ein endliches Volumen besitzen würde, so wäre es dennoch unbegrenzt. Leicht anschaulich lässt sich dieses Modell folgendermaßen darstellen: eine Kugeloberfläche (Sphäre) ist endlich, besitzt aber keinen Mittelpunkt und ist unbegrenzt (man kann sich auf ihr fortbewegen, ohne jemals einen Rand zu erreichen). So wie eine zweidimensionale Kugeloberfläche eine dreidimensionale Kugel umhüllt, kann man, falls das Universum nicht flach sondern gekrümmt ist, sich den dreidimensionalen Raum als "Rand" eines höherdimensionalen Raums vorstellen.

Zusammenhang zwischen Massendichte, lokaler Geometrie und Form

Obwohl die lokale Geometrie sehr nahe an einer flachen, euklidischen Geometrie liegt, ist auch eine sphärische oder hyperbolische Geometrie nicht ausgeschlossen. Da die lokale Geometrie mit der globalen Form (Topologie) und dem Volumen des Universums verknüpft ist, ist letztlich auch unbekannt, ob das Volumen endlich ist (mathematisch ausgedrückt: ein topologischer Kompakter Raum) oder ob das Universum einen unendlichen Rauminhalt besitzt. Welche Geometrien und Formen für das Universum möglich sind, hängt gemäß der Friedmann-Gleichungen, welche die Entwicklung des Universums im Standard-Urknallmodell beschreiben, wiederum wesentlich von der Energiedichte bzw. der Massendichte im Universum ab:

Ist diese Dichte kleiner als ein bestimmter, als kritische Dichte bezeichneter Wert, so wird die lokale Geometrie als hyberbolisch bezeichnet, da sie als das dreidimensionale Analogon zu einer zweidimensionalen hyperbolische Fläche angesehen werden kann. Ein hyberbolisches Universum ist offen, d. h., ein gegebenes Volumenelement innerhalb des Universums dehnt sich immer weiter aus, ohne jemals zum Stillstand zu kommen. Das Gesamtvolumen eines hyperbolischen Universums kann sowohl unendlich als auch endlich sein.

Ist die Energiedichte exakt gleich der kritischen Dichte, ist die Geometrie des Universums flach (euklidisch). Das Gesamtvolumen eines flachen Universums ist im einfachsten Fall, wenn man einen euklischen Raum als einfachste Topologie annimmt, unendlich. Es sind aber auch Topologien mit endlichem Rauminhalt mit einem euklidischen Universum zu vereinbaren. Beispielsweise ist ein Hypertorus als Form möglich. Auch ein flaches Universum ist wie das hyperbolische Universum offen, ein gegebenes Volumenelement dehnt sich also immer weiter aus.

Ist die Energiedichte größer als die kritische Dichte, wird es als „sphärisch“ bezeichnet. Das Volumen eines sphärischen Universums ist endlich. Im Gegensatz zum euklidischen und zum hyperbolischen Universum kommt die Ausdehnung des Universums irgendwann zum Stillstand und kehrt sich danach um. Das Universum "stürzt" also wieder in sich zusammen.

Gegenwärtige astronomische Beobachtungsdaten erlauben es nicht, das Universum von einem euklidischen Universum zu unterscheiden. Die bisher gemessene Energiedichte des Universums liegt also so nahe an der kritischen Dichte, dass die experimentellen Fehler es nicht ermöglichen, zwischen den drei grundlegendenen Fällen zu unterscheiden.

Überlegungen zum unendlichen Volumen

Interessant sind auch die philosophischen Implikationen, welche sich als Konsequenzen aus einem Universum mit unendlichem Volumen ergeben würden. Selbst extrem unwahrscheinliche, aber mögliche Ereignisse müssten sich in einem solchen Universum unendlich oft ereignen, solange die Wahrscheinlichkeit wenigstens noch größer als Null ist. Dies wird zum Beispiel oft in Argumentationen zusammen mit dem anthropischen Prinzip verwendet, um einige, für die menschliche Existenz notwendige Voraussetzungen zu erklären. Zieht man allerdings in Betracht, dass gemäß der Quantentheorie in einem vorgegebenen Raumvolumen nur eine endliche Anzahl von Zuständen untergebracht werden kann, ergeben sich manche dieser Konsequenzen schon bei Universen mit endlichem aber hinreichend großem Volumen. So schloss der Physiker Max Tegmark, dass aus dem gegenwärtigen Standardmodell des Universums folge, dass im Durchschnitt alle ${{10}^{10}}^{28}$ Meter eine „Zwillingswelt“ existieren müsse.

Strukturen innerhalb des Universums

Auf der derzeit größten beobachtbaren Skala findet man Galaxienhaufen, die sich zu noch größeren Superhaufen zusammenfinden. Die Superhaufen bilden wiederum fadenartige Filamente, die riesige, blasenartige, praktisch galaxienfreie Hohlräume (engl. Voids, void = leer) umspannen. Man spricht mitunter auch von der wabenartigen Struktur des Universums. Es ergibt sich die folgende Rangfolge von den größten zu den kleinsten Strukturen des beobachtbaren Universums:

Filamente und [[Voids]#Galaxien (Bsp.: Milchstraße, Mikrometeorid)

Siehe auch

Wikiquote: Weltall – Zitate

Literatur

Die ersten drei Minuten, Steven Weinberg (Nobelpreisträger Physik)
Bildatlas des Weltraums, Antonín Rükl, Werner-Dausien-Verlag, Prag 1988 / Hanau 1992 (dt. Übers.) - ISBN 3768428087
A Map of the Universe, J. Richard Gott III, Mario Juric, David Schlegel, Fiona Hoyle, Michael Vogeley, Max Tegmark, Neta Bahcall, Jon Brinkmann

Weblinks

Abhandlungen, Specials, Simulationen

Videos

Aus der Fernsehsendung Alpha Centauri: