Kosmologie & Urknall: Rotverschiebung, Spektren und Kontinentaldrift

Kosmologie: Das Universum mit Modellen beschreiben

Kosmologie: Das Universum wird mittels mathematischer Modelle beschrieben. Mathematische Modelle sind eine Reihe von Gleichungen, die verwendet werden, um physikalische Systeme zu beschreiben, wie das Universum, sodass die Variablen vorhergesagt werden können und die Eigenschaften des Systems bei Änderung einiger seiner Parameter ermittelt werden können.

Geschwindigkeit der Galaxien (Recessionsgeschwindigkeit) messen

Messen der Geschwindigkeit der Galaxien:

Spektroskopie: Spektrum, Farben und Absorptionslinien

Das Licht, das die Erde von Sternen in Galaxien erreicht, ist eine Mischung von Strahlung verschiedener Wellenlängen oder Farben. Mit der Spektroskopie kann dieses Licht getrennt und in ein Spektrum aufgelöst werden. Jedes Spektrum besteht aus den Regenbogenfarben (ein Kontinuum von Rot bis Violett) und zeigt darüber hinaus charakteristische dunkle Linien.

Diese dunklen Streifen sind Absorptionslinien und entstehen, weil bestimmte chemische Elemente im interstellaren Gas der Galaxie einen Teil der Strahlung bei ganz bestimmten Wellenlängen absorbieren. Solche Spektren ähneln einem Code oder Fingerabdruck: jedes Element hat eigene charakteristische Wellenlängen, an denen Absorptionslinien erscheinen.

Durch das Messen der Position der Absorptionsbänder in den Spektren ferner Galaxien und den Vergleich mit den im Labor bestimmten Wellenlängen derselben Elemente kann man feststellen, ob und wie stark diese Linien verschoben sind. Es wurde beobachtet, dass die Absorptionsbanden in weiter entfernten Galaxien zu größeren Wellenlängen hin verschoben sind (Rotverschiebung).

Doppler-Effekt und Rotverschiebung

Dieses Phänomen der Verschiebung zu roten Spektrallinien wird durch den Doppler-Effekt erklärt. Eine Rotverschiebung bedeutet demnach, dass sich die betreffenden Galaxien von uns entfernen; sie weisen eine Fluchtgeschwindigkeit auf.

Urknall (Big Bang) und die Expansion des Universums

Das Phänomen der Rotverschiebung impliziert, dass das Universum insgesamt expandiert. Wenn man die Bewegung der Galaxien in der Zeit zurückverfolgt, führt dies zu dem Schluss, dass alle Galaxien in der Vergangenheit näher beieinander lagen und in einem gemeinsamen Zustand vereinigt gewesen sein könnten.

Das Modell des Urknalls (Big Bang) ergibt sich aus der heutigen Expansionsrate des Universums. Extrapoliert man diese Expansion nach hinten, gelangt man zu einem Zeitpunkt t = 0, an dem das gesamte Universum in einem Zustand extrem hoher Dichte und Temperatur vereinigt war. In diesem ursprünglichen Zustand wirkten die vier Grundkräfte (Gravitation, elektromagnetische Kraft, starke Kernkraft und schwache Kernkraft) zusammen mit Energie, Raum und Zeit in einem sehr kompakten, heißen Zustand, der mit den heutigen physikalischen Gesetzen nur schwer zu beschreiben ist.

In dem Moment des Urknalls entstanden Raum und Zeit; seitdem dehnt sich das Universum aus. In den ersten Augenblicken war die Energie des Universums so intensiv, dass Strahlung spontan in winzige Teilchen der Materie erzeugt wurde. Während sich Zeit und Raum ausweiteten, kühlte diese Ursuppe nach und nach ab. Aus dieser Abkühlung bildeten sich in großem Maßstab zuerst die einfachsten Atomkerne, hauptsächlich Wasserstoff und Helium, aus denen später durch Gravitation riesige Wolken entstanden, die die Keime der Galaxien wurden.

Es trat zudem eine Form von Materie in Erscheinung, die als dunkle Materie bezeichnet wird und die für die Bildung von Strukturen im Universum eine wichtige Rolle spielt. Das Universum kühlte weiter bis zur Erreichung seiner heutigen Gestalt. Das Auftreten von Elementarteilchen und die Ausbildung der vier Kräfte lassen sich als Folge der allmählichen Abkühlung der Ur-Energie infolge der Expansion der Raumzeit verstehen.

Kontinentaldrift: Alfred Wegener und die Verschiebung der Kontinente

Alfred Wegener formulierte die Hypothese der Kontinentalverschiebung: Kontinente bewegen sich, ähnlich wie Boote, die auf dem oberen Erdmantel (dem Mantel) treiben. Heute gibt es konsistente Beweise und fundierte Argumente, die diese Hypothese stützen und weiter ausbauen.

Paläontologische Beweise: Die Übereinstimmung fossiler Landpflanzen und -tiere, die auf heute getrennten Kontinenten gefunden werden, deutet darauf hin, dass diese Kontinente einst einen gemeinsamen Lebensraum bildeten.

Geographische Beweise: Die Küstenlinien unterschiedlicher Kontinente passen in vielen Fällen so gut zusammen, dass dies für ein früher vorhandenes zusammenhängendes Land spricht.

Geologische und paläoklimatische Beweise: Die Kontinuität von Gebirgsketten und Gesteinsformationen zwischen z. B. Südamerika, Afrika und der Antarktis sowie die Verteilung bestimmter Lagerstätten und paläoklimatischer Hinweise lassen sich durch die Existenz eines vereinten Kontinents erklären.