Die Expansion des Universums

Beschreibung und Aufgaben

Die Expansion des Universums und die kosmologische Rotverschiebung gehören zu den bedeutendsten Resultaten der Allgemeinen Relativitätstheorie. Ohne auf die Details der Theorie einzugehen, verdeutlicht diese Flash-Animation schematisch die Expansion des Universums und zeigt den Grund für die kosmologische Rotverschiebung des Lichts.

Nach dem kosmologischen Prinzip, dem zufoge alle Punkte und alle Richtungen im Universum "gleichberechtigt" sind, besteht die Expansion des Universums darin, dass die Abstände von Galaxien größer werden (wobei die Eigenbewegung von Galaxien, die z.B. aufgrund ihrer Massenanziehung umeinander kreisen können, vernachlässigt wird). Die Entfernung zwischen je zwei Galaxien nimmt dabei in einem bestimmten Zeitintervall um den gleichen Faktor zu. Diese Art der Expansion kann auch als "Ausdehnung des Raumes" gedeutet werden. (Um diese Idee zu verdeutlichen, kann ein Raster, dessen Linienabstand unverändert bleibt, eingeblendet werden).
Aufgabe 1: In der Animation bewegt sich die im Zentrum des gezeigten Ausschnitts befindliche Galaxie nicht vom Fleck. Handelt es sich dabei um einen scheinbaren oder einen echten Effekt?
Aufgabe 2: Begründe das Hubble-Gesetz: Von einer beliebigen Galaxie aus betrachtet, ist die Fluchtgeschwindigkeit v einer anderen Galaxie proportional zu deren Entfernung d, d.h.

v  =  H d,

wobei die Proportionalitätskonstante H für alle Beobachter (auf welcher Galaxie sie sich auch befinden mögen) den gleichen Wert hat und Hubble-Parameter (oder Hubble-Konstante) genannt wird.
Aufgabe 3: H wird in (km/s)/Mpc gemessen. Was bedeutet das?
Der heutige Wert des Hubble-Parameters dürfte zwischen 60 (km/s)/Mpc und 80 (km/s)/Mpc liegen.
Wir merken hier an, dass die Expansion zu verschiedenen Zeiten unterschiedlich schnell vor sich gehen kann. (Daher ist der Hubble-Parameter nicht unbedingt konstant, sondern kann von der Zeit abhängen). Die genaue Dynamik der Expansion hängt vom Materie- und Energieinhalt des Universums und von der Art der fundamentalen in der Natur vorhandenen Wechselwirkungen ab. In den heutigen kosmologischen Theorien wird von einer sehr schnellen beschleunigten Expansion des frühen Universums (inflationäre Phase), einer nachfolgenden - mehrere Milliarden Jahre anhaltenden Abbremsung - und, wie neuere Messungen nahelegen, von einer neuerlichen Beschleunigung der Expansion durch die so genannte dunkle Energie (oder kosmologische Konstante) ausgegangen.

Neben den Galaxien sind in der Animation einige Licht-Wellenzüge schematisch dargestellt. Der Einfachheit halber besitzen sie zu jedem Zeitpunkt die gleiche Frequenz. Im Zuge der Expansion dehnen sich die Wellenzüge mit dem Raum aus, d.h. ihre Wellenlängen werden größer.
Aufgabe 4: Bedeutet eine Vergrößerung der Wellenlänge des Lichts eine Verschiebung ins Blaue oder ins Rote?
Die Rotverschiebung ist daher genau genommen gar kein "Dopplereffekt", sondern eine der Expansion folgende "Dehnung des Lichts". Ihr unterliegt sowohl das Licht, das schon Milliarden Jahre unterwegs ist (insbesondere die kosmische Hintergrundstrahlung), als auch jenes Licht, das erst vor relativ kurzer Zeit von einem Stern einer anderen Galaxie ausgesandt wurde und heute bei uns ankommt.
Aufgabe 5: Gewinnt oder verliert das Licht durch die Expansion Energie? Wird das Universum während der Expansion wärmer oder kälter? (Erinnere dich - oder schlage in der Literatur nach -, was die "Temperatur des Lichts" ist!)
Bei genauer Betrachtung der Animation scheint es, als ob sich manche Wellenzüge nicht genau in Längsrichtung, sondern auch ein bisschen quer dazu bewegen.
Aufgabe 6: Erkläre diesen Effekt!
Zum Abschluss verfolgen wir die Expansion in Gedanken zurück, bis wir zu einem Zeitpunkt in der fernen Vergangenheit gelangen, an dem alle Entfernungen auf Null geschrumpft sind. Das ist der Urknall!
Aufgabe 7: Was würdest du auf die Frage "Wo fand der Urknall statt?" antworten?
(Tipp: Du kannst dir als einfaches Modell vorstellen, dass das Universum - zumindest nach dem Urknall - unendlich groß ist, d.h. dass die Animation einen endlichen Ausschnitt eines unendlich großen Raumes zeigt, der überall auf die gleiche Weise von Galaxien und Licht-Wellenzügen erfüllt ist).
Tatsächlich wissen wir nicht, ob das Universum endlich oder unendlich groß ist. Als Modell eines endlichen Universums stelle dir einfach vor, die Animation zeige einen kleinen Ausschnitt einer Kugeloberfläche, die (wie ein Luftballon) aufgeblasen wird.