Horizonzenproblem und Inflation –
zwei Flash-Animationen

Franz Embacher
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franz.embacher@univie.ac.at

Horizontenproblem
Bewegen Sie den Schieberegler langsam nach links, um in die Vergangenheit zurückzugehen!
Der Radius des blauen Kreises ist der Hubble-Radius zum jeweils gezeigten Zeitpunkt. Er ist ein Maß für die maximale Größe eines Gebiets, in dem (bei der jeweils geltenden Expansionsrate) physikalische Austauschprozesse stattfinden können. Jene Galaxien, die heute innerhalb eines Hubble-Radius von der Milchstraße entfernt liegen, sind rot dargestellt. Wird keine inflationäre Phase angenommen, so war der Hubble-Radius in frühen Zeiten viel kleiner als der durch die roten Galaxien definierte Bereich. Die kosmische Hintergrundstrahlung, wie sie heute beobachtet wird, bestünde demnach aus Photonen, die aus seinerzeit kausal getrennten Regionen stammen. Ihre weitgehende Isotropie könnte in diesem Modell nicht auf einen physikalischen Homogenisierungsprozess zurückgeführt werden, sondern müsste das Resultat eines extremen fine tunings sein – das ist das Horizontenproblem.
(Achtung: Die Animation zeigt die Verhältnisse nicht maßstabsgetreu, sondern illustriert sie nur schematisch! Die kleinen Kreise, die in späteren Zeiten Galaxien darstellen, müssen in früheren Zeiten eher als zaghafte Verdichtungen der Materie interpretiert werden.)



Inflation als Lösung des Horizontenproblems
Bewegen Sie den Schieberegler langsam nach links, um in die Vergangenheit zurückzugehen!
Eine kurze Phase, in der das sehr frühe Universum einer exponentiell beschleunigten Expansion unterworfen war, löst das Horizontenproblem: Während dieser inflationären Phase ist der Hubble-Radius konstant, während – wenn wir in der Zeit zurückgehen – die Größe des durch die roten Galaxien definierte Bereichs exponentiell kleiner wird. Unser gesamtes beobachtbares Universum war nach diesem Modell früher ein sehr kleiner Ausschnitt einer Region, in der die Homogenisierungsprozesse stattfinden konnten, die die Isotropie der kosmischen Hintergrundstrahlung erklären.
(Achtung: Die Animation zeigt die Verhältnisse nicht maßstabsgetreu, sondern illustriert sie nur schematisch! Die kleinen Kreise, die in späteren Zeiten Galaxien darstellen, müssen in früheren Zeiten eher als zaghafte Verdichtungen der Materie interpretiert werden. Sie könnten aus Quantenfluktuationen hervorgegangen sein, die aus der inflationären Phase stammen! Während dieser Phase ist die Materie des Universums in Form kontinuierlich eingefärbter Flächen gezeigt.)



Nachbemerkung: Wenn Sie genau hinsehen, werden Sie (in beiden Modellen) bemerken, dass – wenn Sie in der Zeit zurückgehen – der blaue Kreis zunächst langsamer schrumpft als das Gebiet der roten Galaxien – ein Effekt, der auf die – nach dem heutigen Standardmodell der Kosmologie von der Dunklen Energie verursachte – seit etwa 7 Milliarden Jahren anhaltende beschleunigte Expansion des Universums zurückgeht.

Anschlussfrage: Vorausgesetzt, die durch die Dunkle Energie beschleunigte Expansion setzt sich fort und geht in einen exponentiellen Modus über – wie wird sich das Verhältnis des blaue Kreises zum Bereich der roten Galaxien in der Zukunft entwickeln? Wie würde sich das für die Beobachtung des Universums (von der Milchstraße aus) auswirken – vorausgesetzt, es gäbe in vielen Milliarden Jahren noch Beobachter?




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