Kosmologie
Die Kosmologie beschäftigt sich mit dem Universum als Ganzes und ist damit Teil der Astronomie.
Die Verteilung der Galaxien im Universum ist nicht gleichmäßig. 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.
HST; ROSAT; Hipparcos;
Die anerkannteste Theorie zur Entstehung des Universums ist der sogenannte Urknall (Big Bang), bei dem das Universum aus einem Punkt extrem großer Dichte und Energie entstanden ist.
Das Standardmodell der Kosmologie ist gut bestätigt und basiert auf drei Erkenntnissen: Hubble-Expansion, 2,7K Hintergrundstrahlung und primordiale Nukleosynthese.
- 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.
- 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.
- Primordiale Nukleosynthese (Big Bang Nucleosynthesis): Kurz nach dem Urknall (10-2 s) war das Universum so heiß, daß Materie in Quarks und Gluonen aufgelöst war, durch Expansion und Abkühlung entstanden Protonen und Neutronen. Nach ca. 1 Sekunde entstanden die Kerne leichter Elemente (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.
Geschichte des Universums
- 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;