Kosmologie

Die Kosmologie beschäftigt sich mit dem Universum als Ganzes und ist damit Teil der Astronomie.

Die Kosmologie versucht, das heute sichtbare Universum mittels physikalischer Gesetzmäßigkeiten zu beschreiben. Dabei ist besonders die heute beobachtete, ungleichmäßige Verteilung der Galaxien im Universum zu verstehen. Haufenbildung mit großen Leerräumen (voids) dazwischen führt dazu, dass man von einem "klumpigen" Universum spricht. Der größte bisher entdeckte langgestreckte Galaxienhaufen "Die Große Mauer" ist ca. 500 Mio. LJ lang.

Weiterhin muss eine umfassende Kosmologie die Kosmische Hintergrundstrahlung, die Expansion des Universums und die Häufigkeit der Elemente im Universum zusammenfassend beschreiben.

Das Standardmodell der Kosmologie ist die heute anerkannte kosmologische Theorie, die viele beobachtete Phänomene zufriedenstellend beschreibt. Darin wird von einem sehr heißen und dichten Frühzustand des Universums (Urknall, englisch Big Bang) ausgegangen. Das Modell bestätigt die folgenden drei Beobachtungen:

1. Häufigkeit der Elemente: In der primordialen Nukleosynthese (englisch Big Bang Nucleosynthesis) kurz nach dem Urknall (10^-2 s) war das Universum so heiß, dass Materie in Quarks und Gluonen aufgelöst war. Durch die Expansion und Abkühlung des Universums entstanden Protonen und Neutronen. Nach ca. 1 Sekunde verschmolzen aus Protonen und Neutronen die Kerne leichter Elemente (Deuterium, ³He, ⁴He, ⁷Li). Der Prozess endet nach etwa 3 min. Es wurden also die relativen Häufigkeiten der Elemente vor der Bildung der ersten Sterne festgelegt.
2. Kosmische Hintergrundstrahlung (engl. cosmic microwave background radiation CMBR): 1946 von George Gamov postuliert, wurde sie 1964 durch Arno Penzias und Robert Wilson entdeckt - mit einer mittleren Temperatur von 2,73K. Die Hintergrundstrahlung stammt aus der Zeit ca. 300.000 Jahre nach dem Urknall als das Universum etwa 1/1000 seiner heutigen Größe hatte. Das ist auch der Zeitpunkt an dem das Weltall transparent wurde, vorher bestand es aus undurchsichtigem ionisiertem Gas. Messungen durch COBE, BALOON, MAP.
3. Expansion des Universums: Edwin Hubble konnte 1929 die Expansion des Weltalls nachweisen, da Galaxien mit wachsender Entfernung eine zunehmende Rotverschiebung in den Spektrallinien zeigen (Dopplereffekt). Proportionalitätsfaktor ist die Hubble-Konstante H, deren Wert zwischen 50 und 80 angenommen wird. Dabei stehen wir nicht im Mittelpunkt der Expansion - der Raum selbst dehnt sich überall gleichmäßig aus (isotropes Universum). Durch zurückrechnen der Expansion kann man das Alter des Universums (Hubble-Zeit) bestimmen: Für unveränderliches H liegt es zwischen 12,5 und 20 Mrd. Jahren. Die Frage, ob das Universum verzögert, gleichmäßig oder beschleunigt expandiert, ist noch nicht geklärt.

Nach dem Standardmodell der Kosmologe sieht die Geschichte des Universums folgendermaßen aus:

Planck-Ära; bis 10^-43s; alle vier Kräfte noch vereint;

Quark-Ära; bis 10^-7s; Inflationäre Phase; es bilden sich Quarks, Leptonen und Photonen;

Hadronen-Ära; bis 10^-4s; Protonen, Neutronen und deren Antiteilchen entstehen; außerdem Myonen, Elektronen, Positronen, Neutrinos und Photonen;

Lepton-Ära; bis 10s; Myonen zerfallen, Elektronen und Positronen zerstrahlen;

Strahlungs-Ära; ca. 300.000Jahre; H,He,Li entsteht;

Materie-Ära; bis heute; Universum wird durchsichtig, Galaxien entstehen;

Wichtige Instrumente zur Erforschung des Universums werden heute von Satelliten getragen: Das Hubble-Space-Teleskop, ROSAT und Hipparcos.

Eine Liste von Personen, die wichtige Beiträge zur Kosmologie geleistet haben.