Kosmologie: Ursprung und Entwicklung des Universums

Kosmologie: Ein Zweig der Astronomie

Die Kosmologie ist ein Teilgebiet der Astronomie, das sich mit der Struktur, dem Ursprung und der Entwicklung des gesamten Universums befasst.

Astronomie und Astrophysik

• Astronomie: Die Wissenschaft, die sich mit dem Studium der Himmelskörper und der Bestandteile des Universums befasst.
• Astrophysik: Untersucht die Zusammensetzung, Struktur und Entwicklung der Sterne.

Mathematische Modelle in der Kosmologie

Die Kosmologie beschreibt das Universum durch die Anwendung von mathematischen Modellen. Diese Modelle verwenden Gleichungen, um physikalische Systeme zu beschreiben, die Eigenschaften des untersuchten Systems zu verstehen und Vorhersagen über zukünftige Zustände zu treffen.

Das statische Universum (frühes 20. Jahrhundert)

Im frühen 20. Jahrhundert war das akzeptierte kosmologische Modell das eines statischen, ewigen und unendlichen Universums. Es wurde angenommen, dass es immer existiert hat und immer existieren wird, ohne Anfang und Ende.

Das expandierende Universum und der Big Bang

• 1929: Hubble zeigte experimentell, dass sich Galaxien voneinander entfernen und dass sich das Universum ausdehnt. Dies impliziert, dass das Universum einen Ursprung hatte.
• Big-Bang-Modell: Ein dynamisches und endliches Universum, das aus einer Explosion eines unendlich dichten und heißen Punktes entstanden ist und sich seitdem, angetrieben durch eine Energie, die als dunkle Energie bezeichnet wird, weiter ausdehnt.

Das Steady-State-Modell

1948: Als Alternative zum Big-Bang-Modell wurde das Steady-State-Modell vorgeschlagen. Es geht von einem expandierenden Universum aus, aber auch von einem unendlichen Universum, in dem kontinuierlich durch unbekannte Mechanismen Materie erzeugt wird.

Wichtige Persönlichkeiten und Entdeckungen

• Albert Einstein (1915): Allgemeine Relativitätstheorie, eine mathematische Beschreibung des Universums (ursprünglich mit der falschen Annahme eines statischen Universums).
• Edwin Hubble (1929): Bewies die Expansion des Universums.
• George Gamow (1948): Arbeitete am Big-Bang-Modell und zeigte eine aktualisierte Version, die die Entstehung der ersten chemischen Elemente beinhaltete.

Die Expansion des Universums

• 1924: Hubble entdeckte, dass Nebel tatsächlich weit entfernte Galaxien waren, ähnlich unserer eigenen.
• Er maß die Entfernungen zu mehreren Galaxien und stellte fest, dass sie sich von uns entfernen.

Das Hubble-Gesetz

Das Hubble-Gesetz besagt, dass die Fluchtgeschwindigkeit einer Galaxie direkt proportional zu ihrer Entfernung ist. Es wird ausgedrückt als: v = H₀ * D

Dabei gilt:

• v = Geschwindigkeit (in km/s)
• D = Abstand zwischen Galaxie und Erde (in Megaparsec, Mpc)
• H₀ = Hubble-Konstante (ca. 70 km/s/Mpc)

Messung der Rezessionsgeschwindigkeit von Galaxien

Das Licht, das von Sternen in Galaxien zur Erde gelangt, ist eine Mischung von Farben, die durch ein Spektroskop getrennt werden können. Jedes Spektrum zeigt die sieben Farben des Regenbogens (rotes Licht hat die längste Wellenlänge, violettes die kürzeste). Diese Spektren ähneln Barcodes.

Hubble maß die Position der Absorptionsbanden bestimmter chemischer Elemente in mehreren Galaxien in unterschiedlichen Entfernungen von der Erde und verglich diese Spektren mit denen, die im Labor für dieselben Elemente erhalten wurden. Er entdeckte, dass die Absorptionsbanden Verschiebungen zu längeren Wellenlängen aufwiesen, die umso ausgeprägter waren, je weiter die Galaxien entfernt waren. Dieses Phänomen, bekannt als Rotverschiebung, ist auf den Doppler-Effekt zurückzuführen und bedeutet, dass sich die Galaxien voneinander entfernen.