Unser Universum

Der Urknall

Georges Lemaître, ein belgischer Priester und Physiker, präsentierte erstmals 1927, basierend auf der Allgemeinen Relativitätstheorie und den Friedmann-Gleichungen, die ein dynamisches Universum postulierten, die Idee, dass unser Universum einen Ursprung gehabt haben müsste. Im Gegensatz zu dieser Theorie stand damals das Steady State Modell Fred Hoyles, das von einem unendlich alten Universum ausging.
Eine erste Bestätigung, dass unser Universum endlich ist, fand sich erstmalig 1964 in der Entdeckung der Hintergrundstrahlung durch Arnold Allan Penzias und Robert Woodrow Wilson, die für ihre Entdeckung den Physik-Nobelpreis erhielten. Sie registrierten ein Rauschen in ihrer Radioantenne, das aus allen Richtungen gleich zu kommen schien und seinen Ursprung nur im Kosmos haben konnte.
Im Jahr 1992 kartografierte schließlich der COBE Satellit die Hintergrundstrahlung und bestätigte letztlich das von Lemaître entworfene Urknallmodell, wonach unser Universum einen Anfang hatte.

Das offiziell anerkannte kosmologische Standardmodell besagt, dass der Urknall der Beginn unseres Universums aus einer Singularität heraus war, aus dem Materie, Raum und Zeit hervorgingen. Eine Erklärung warum dieser stattgefunden hat und was davor war, gibt es lt. diesem Modell allerdings nicht. Durch neueste Beobachtungsdaten der Sonde WMAP kann jedoch ein relativ genauer Zeitpunkt des Urknalls von 13,7 Mrd. Jahre angegeben werden.
Die Theorie besagt weiterhin, dass in der Anfangsphase des Urknalls, der sog. Planck Ära, die uns bekannten Grundkräfte der Natur, die Gravitation, die Starke Wechselwirkung, die Elektromagnetische Wechselwirkung und die Schwache Wechselwirkung in einer einzigen Urkraft auf unendlich kleinem Raum, etwa 10⁹⁴ g/cm³ vereint waren. Die Temperatur dabei betrug etwa 10³² K, als das Universum begann sich auszudehnen.
Nach diesem Prozess wurde die dabei entstandene Energie im Prozess der Baryogenese in Materie und Antimaterie umgewandelt (lt. e=mc²).

Lt. Standardmodell der Teilchenphysik ist es so, dass in der Natur aus Strahlung grundsätzlich Teilchen und deren Antiteilchen im gleichen Verhältnis zueinander entstehen. Dies hätte auch nach dem Urknall der Fall sein müssen als sich die Strahlung abkühlte und in einen anderen Aggregatzustand überging. Allerdings überwog dabei die Materie gegenüber der Antimaterie im Verhältnis 1.000.000.001 zu 1.000.000.000! Scheinbar gibt es in der Natur einen noch unbekannten Prozess, der diese Symmetriebrechung hervorgerufen hat. Genaueres darüber wird sich möglicherweise bereits in den nächsten Jahren in Teilchenbeschleuniger-Experimenten, vor allem am LHC, zeigen.
Nachdem sich dann schließlich die ersten stabilen Quarks aus der übrig gebliebenen Materie bilden konnten, durchlief das Universum bereits eine Sekunde nach dem Urknall einen weiteren Prozess, genannt Primordiale Nukleosynthese, aus dem dann bereits die ersten Atomkerne für Wasserstoff und Helium hervorgingen.

Inflationäres Modell

Ein generelles Problem des Standardmodells, das 1947 formuliert wurde, besteht darin zu erklären, warum nahezu jeder Winkel des Universums gleich aussieht (homogen ist), obwohl diese Bereiche nie in Kontakt zueinander standen. Ein weiteres Erklärungsproblem bezieht sich auf die winzigen Dichteschwankungen in der Ursuppe des Universums (Hintergrundstrahlung). Zudem sollten magnetische Monopole und eine stärkere Krümmung des Raumes auftreten.
Um die Unzulänglichkeiten des klassischen Urknallmodells zu umgehen, wurde 1981 von Alan H. Guth die Theorie eines Inflationären Universums vorgeschlagen, die sich mittlerweile sehr gut mit unseren Beobachtungsdaten deckt. Dieses besagt, dass das Universum kurz nach dem Urknall zwischen 10^-35 und 10^-32 eine superluminale Expansion durchlief, wodurch Strahlung und Materie homogen im Universum verteilt wurden.

Ekpyrotisches Modell

Sehr elegant lassen sich diese Probleme ebenfalls mit einem im Jahr 2002 von Paul Steinhardt und Neil Turok entwickelten Modells eines Ekpyrotischen Universums erklären.
Hierbei soll unser Universum, basierend auf der M-Theorie eines elfdimensionalen Raumes (siehe Stringtheorie), durch die Kollision von zwei Paralleluniversen entstanden sein.
In diesem vieldimensionalen Raum können gleichzeitig mehrere Paralleluniversen existieren, wobei Energie aus einem anderen Universum in unseres eindrang und mit der Fläche bzw. Membran unseres Universums kollidierte (Abb. rechts).
Dabei entstand, nahezu gleichzeitig im ganzen Universum, ein heisses Bad (daher ekpyrotisch - aus der griechischen Mytologie ekpyrosis für Weltenbrand) aus Energie und Materie wie man es in der Hintergrundstahlung beobachten kann.
Diese Theorie erklärt also nicht nur den Urknall und was danach geschah, sondern bietet vor allem einen Erklärungsansatz für das "Davor". Was war vor unserem Universum, woher kam die Energie für unsere Materie?
War die Entstehung unseres Universums vielleicht doch nur purer Zufall?

Interessante Weblinks:
Unausgewogener B-Mesonen-Zerfall http://www.atlasoftheuniverse.com/bigbang.html
http://wmap.gsfc.nasa.gov/media/030651/index.html

Entwicklung des Universums

Die Hintergrundstrahlung

Einen direkten Nachweis für den Urknall stellt die heute noch nachweisbare Hintergrundstrahlung dar. Diese wurde bereits 1948 von George Gamow, Ralph A. Alpher und Robert C. Herman als Folge des Urknalls vorhergesagt und 1965 von Arno Penzias und Robert Woodrow per Zufall entdeckt.
Diese Strahlung bezieht sich auf die Tatsache, dass das Universum nicht vollständig auf den absoluten Nullpunkt abgekühlt ist, sondern sich darin Bereiche befinden, die wenig darüber liegen, nämlich bis zu 2,72 Kelvin. Das aktuelle kosmologische Modell erklärt die Ursache hierfür folgendermaßen:
Am Anfang der Zeit war das Universum noch wesentlich kompakter und von einem heißen Urplasma erfüllt. Dieses Urplasma befand sich im thermischen Gleichgewicht und bestand vorwiegend aus Elektronen und Protonen die bereits im Urknall in der GUT-Ära entstanden. Aufgrund der Ausdehnung des Universums kühlte dieses Urplasma immer weiter hab, bis es nur noch eine Temperatur von ca. 3000 Kelvin hatte. Bei dieser Temperatur in etwa konnten nun die Elektronen von den Protonen eingefangen werden, wodurch das Universum für die emittierten Photonen durchsichtig wurde (siehe Entkopplung Materie/Energie).
Da sich das Universum seit dem Urknall kontinuierlich ausdehnt, werden Lichtwellen, die den Raum durchqueren, in den Rotbereich verschoben (siehe Dopplereffekt). Für den Zeitpunkt, an dem die Entkoppelung von Materie und Energie stattgefunden hat, ergibt sich heute ein Rotverschiebungsfaktor von z = 1100, wodurch sich folgender mathematischer Bezug herstellen lässt:

3000 K (Temp. Urplasma) / 1100 (Rotversch.) = 2,72 Kelvin

Diese Restwärmestrahlung von 2,72 K, die sich heute noch in Form von Mikrowellen messen lässt, ergibt sich also aus der Tatsache, dass die anfängliche Temperatur des Urplasmas linear mit der Ausdehnung des Universums auf den heute beobachtbaren Wert abgesunken ist. Die Temperatur dieser Restwärmestrahlung ist allerdings nicht vollständig homogen, das heißt, es gibt darin Bereiche die leicht variieren. Diese Temperaturunterschiede wurden mit einem extrem empfindlichen Messgerät des NASA-Satelliten COBE (Cosmic Background Explorer) kartografiert, woraus sich nebenstehende Bilder ergaben.

Eine wesentlich genauere Karte der Hintergrundstrahlung konnte mit Hilfe der Sonde WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) angefertigt werden (siehe rechts). Diese Sonde, die sich im Lagrange Point L2 des Erde-Sonne-Systems befindet, ist das Nachfolgeprojekt des COBE-Satelliten und mit noch empfindlicheren Messgeräten ausgestattet. Aufgrund dieser hochsensiblen Systeme können mittlerweile Temperaturschwankungen in der Hintergrundstrahlung von einem 20 Millionstel Grad gemessen werden.
Aufgrund umfangreicher Datenauswertungen durch COBE und WMAP stellte sich mittlerweile heraus, dass die Hintergrundstrahlung ab einem Winkel von ca. 60° ihre Richtungsunabhängigkeit verliert, das heißt nicht mehr isotrop ist. Vergleicht man daher zwei verschiedene Himmelsausschnitte untereinander, so ergibt sich also eine Anisotropie in der Hintergrundstrahlung im Bereich von einigen Mikrokelvin.
Diese Tatsache lässt sich mit dem aktuellen kosmologischen Modell nicht widerspruchsfrei vereinbaren. Soll heißen, dass das aktuelle Modell über unser Universum dahingehend erweitert werden muss. Eine mögliche Lösung findet sich in der Annahme, dass diese Anisotropie durch die ersten Galaxien im Universum verursacht wurde, zudem können noch unbekannte Streumechanismen aus der Frühzeit des Universums diesen Effekt verursacht haben. Im schlimmsten Fall muss das aktuelle kosmologische Modell in Frage gestellt werden. Genauere Resultate werden sich möglicherweise aus dem Projekt Planck im Jahr 2007 ergeben.

Anhand der gewonnenen Daten von COBE und WMAP können folgende kosmologische Parameter mittlerweile sehr genau bestimmt werden:

• die Entkoppelung von Materie und Energie fand 397.000 Jahre nach dem Urknall statt.
• das Alter des Universums wird derzeit auf 13,7 Mrd. Jahre bestimmt
• Masseanteil der Dunklen Energie im Universum 73%
• freier Wasserstoff und Helium 3%
• Masseanteil baryonische (sichtbare) Materie 4%
  schwere Elemente (kompakte Materie) 0,03%
  Schwarze Löcher 0,06%
  Neutrinos 0,3%
  Sterne 0,5%
  freier Wasserstoff 3%
• Masseanteil Dunkle Materie 23%
• die Hubble-Konstante wird mit 72 km/s/Mpc angegeben

Die maximale Wellenlänge der Hintergrundstrahlung kann anhand des Wienschen Verschiebungsgesetztes bestimmt werden.

Der Hubble-Effekt

Edwin Hubble hat mit den zwei wichtigsten Endeckungen in seinem Leben unser Bild des Universums grundlegend verändert. Er war der erste Astronom, der über die Cepheiden-Entfernungsbestimmung nachweisen konnte, dass sich der Andromedanebel außerhalb unserer Milchstraße befinden.
Zudem konnte er anhand des Dopplereffekts nachweisen, dass sich fast alle Galaxien aufgrund ihrer Rotverschiebung von unserer Milchstraße entfernen. Diese Tatsache lässt auf ein expandierendes Universum schließen, das in einem Punkt entstanden sein muss. Daraus folgerte er, dass, wenn man die Expansionsgeschwindigkeit bestimmen kann und mit dem räumlichen Abstand der Galaxien zeitlich zurückrechnet, könnte man auf das Alter des Universums schließen.
Nach zahlreichen Beobachtungen und Messungen des Dopplereffekts bestimmte er diesen 1929 mit 558km/ sec/Megaparsec, was bezogen auf die Andromedagalaxie ein Alter des Universums von 1,2 Mrd. Jahren ergeben würde. Bezogen auf das Erdalter, das damals bereits auf mind. 3 Mrd. Jahre datiert war, konnte dieses Ergebnis nicht stimmen. Der Grund dafür lag in der noch sehr ungenau zu bestimmenden Datenlage über die Cepeiden Methode.

Neueste Untersuchungen, durchgeführt vom Satelliten WMAP der 2001 von der NASA gestartet wurde, lassen derzeit auf eine Expansionsgeschwindigkeit von 72 Kilometer pro Sekunde pro Megaparsec schließen. Das heißt, auf einer Entfernung von 3.26 Millionen Lichtjahren erhöht sich die Fluchtgeschwindigkeit einer Galaxie jeweils um 72 Kilometer pro Sekunde, folglich bedeutet dies, je weiter ein Objekt von uns entfernt ist, desto höher ist seine Fluchtgeschwindigkeit.

Measuring the Curvature of the Universe by Measuring the Curvature of the Hubble Diagram

Expansion des Universums

Die Weltanschauung des Determinismus betrachtete das Universum seit Isaak Newton als statisch bzw unveränderlich. Erst die Feldgleichungen Albert Einsteins zeigten auf, dass das Universum nicht statisch sein kann, da dieses sonst aufgrund seiner Gravitation kollabieren würde. Um dieses Problem zu umgehen, führte Einstein seine Kosmologische Konstante ein.
Als Edwin Hubble allerdings die Galaxienflucht aufgrund des Dopplereffekts nachweisen konnte, revidierte Einstein seine Konstante als "die größte Eselei" seines Lebens. Die Kosmologische Konstante Einsteins kann allerdings heute wiederum für die Dunkle Energie eingesetzt werden.

Alexander Alexandrowitsch Friedmann entwickelte 1922 bereits verschiedene Modelle auf Basis relativistischer Kosmologie, die auf ein dynamisches Universum hinwiesen, womit er damals allerdings noch keine Beachtung fand.
In der modernen Kosmologie sind die Friedmannmodelle allerdings unverzichtbar. Diese ergeben sich wiederum aus folgenden Teiltheorien: kosmologisches Prinzip, Weylsches Postulat, Robertson-Waltker-Metrik und der kosmologischen Konstante (Allg. Relativitätstheorie).

Seit Edwin Hubble 1929 die Raumexpansion entdeckt hat, weiß man also, dass sich unser Universum ausdehnt. Hier gibt es natürlich auch ein schwerwiegendes Gegenargument: Je weiter wir ins Weltall blicken, desto weiter befinden wir uns in der Vergangenheit. Das heißt, wir sehen die Galaxien so, wie sie sich vor Milliarden Jahren von uns weg bewegt haben. Es kann also sein, dass sich die Expansion heute bereits verlangsamt hat oder sogar zum Stillstand gekommen ist. Wie lässt sich also nachweisen dass diese tatsächlich noch stattfindet?
Zu diesem Zweck können zwei Projekte herangezogen werden, das High z SN Search und das Supernova Cosmology Project. Hierbei beobachtete man ca 10 000 Galaxien und deren Supernovae vom Typ Ia. Aus der Spektralanalyse der Supernovae erhielt man zum Einen deren Leuchtkraftentfernung bzw. die scheinbare Helligkeit und zum Anderen die Rotverschiebung z. Vergleicht man nun diese beiden Werte untereinander, so ergibt sich daraus die Hubble-Beziehung und somit ein sehr aussagekräftiges Bild.
An diesem Bild hat man nun Modelle mit verschiedenen kosmologischen Parametern gefittet, und der beste Fit ist das Modell mit etwa 73% Dunkler Energie und 27% Materie (dunkel und baryonisch) aus dem dann auch die Beschleunigung folgt.
Die Beschleunigung der Galaxien ergibt sich also aus dem gängigen kosmologischen Modell und den Beobachtungsdaten. Diese Daten beruhen letztlich auf einem Vergleich von Supernovae Ia Daten mit hoher und niedriger Rotverschiebung.

Eine weitere Messmethode, die von der SN-Methode unabhängig ist, bezieht sich auf die Hintergrundstrahlung. Hier lassen sich ebenso kosmologische Parameter, wie beispielsweise die Energiedichte der Dunklen Energie, ableiten. Ein Resultat dieser Methode ist dann wiederum ein beschleunigtes Universum. Genauere Messergebnisse werden sich voraussichtlich aus einem Zukunftsprojekt, genannt PLANCK im Jahre 2007 ergeben.

Wodurch allerdings die Expansion ausgelöst wird, lässt sich noch nicht genau bestimmen. Man vermutet, dass eine sogenannte Dunkle Energie (Vakuumenergie), der Gravitation entgegen- wirkt und den Raum expandieren lässt.
Diese Vakuumenergie, so vermutet man, bildete sich während des schockartigen Phasenübergangs von Energie in Materie.
Ein Indiz der Dunklen Energie sind vermutlich Virtuelle Teilchen, die im Casimir Effekt aufgrund ihrer Wellenlängen nachweisbar sind.

Eine weitere Frage ergibt aus der gravitativen Koppelung, das heißt, ab welchen Distanzen die Expansion wirksam wird. Eine theoretische Grundlage dazu bietet die sogenannte Einstein Strauss Vakuole. Diese besagt, dass innerhalb eines Radius von 13,2 Mpc, aufgrund gravitativer Koppelung der vorhandenen Materie, die Expansion keinen Einfluss nimmt. Eine Rotverschiebungsanalyse des Galaxienhaufens Abell 194 deckte sich sehr gut mit den Berechnungen Strauss'. Ob sich dieser Wert allerdings verallgemeinern lässt, konnte noch nicht bestätigt werden, da dieser sehr wahrscheinlich von der Massekonzentration in einer Region an sich abhängig ist.

http://www.astronews.com/forum/showthread.php?t=1364

Welt der Physik: die Dunkle Energie

http://www.wissenschaft.de/wissenschaft/news/151057.html

Supernova vom Typ Ia

Im Grunde sind Supernovae im Universum nichts aussergewöhnliches. Sie entstehen normalerweise, wenn massereiche Sterne an ihrem Lebensende ihren Brennstoff Wasserstoff aufgebraucht haben und der Strahlungsdruck nicht mehr ausreicht, der Gravitation entgegenzuwirken, wonach der Stern kollabiert.
Nun beobachtet man im Universum allerdings Supernovae, in deren Spektren kein Helium und Wasserstoff vorkommt, wie es bei einer Supernova normalerweise üblich ist; stattdessen findet man Silizium, Kalzium und Eisen. Zudem kann man diese Sternexplosion in jungen sowie in alten Galaxien beobachten. Normalerweise ist es so, dass Supernovae vorwiegend in jungen Galaxien auftreten, da alte Galaxien so gut wie keine massereichen, also kurzlebigen Sterne mehr enthalten.
Aus diesen Fakten hat man nun folgendes Modell entwickelt: Man nimmt an, dass das Ausgangsobjekt einer Supernova vom Typ Ia ein Weißer Zwerg ist, der sich in einem Doppelsternsystem befindet. Diese Art von Sternsytemen kommen zudem sehr häufig in Galaxien vor. Nun kann es vorkommen, dass sich die Hülle des Partnersterns, aufgrund zunehmenden Alters, beginnt auszudehnen. Er bläht sich also zu einem Roten Riesen auf, wobei die äusseren Gashüllen in den Gravitationsbereich des Weißen Zwerges geraten. Der Weiße Zwerg akkretiert nun Plasma von seinem Partner, wodurch er selbst an Masse zunimmt.
Überschreitet der Weiße Zwerg nun die Massenobergrenze von 1,44 Sonnenmassen (Chandrasekhargrenze), so kann der Sauerstoff-Kohlenstoff-Zwerg seinen Entartungsdruck nicht mehr aufrecht erhalten. Die Gravitation gewinnt hierbei die Oberhand, wonach Kohlenstoff und Sauerstoff schlagartig zu Eisen fusioniert werden. Im Inneren des Sterns findet eine thermonukleare Kettenreaktion statt, die den Weissen Zwerg nun vollständig in einer Explosion zertört.
Denkbar wäre allerdings auch, dass der Begleitstern des Weissen Zwerges ebenfalls ein Weißer Zwerg ist. Hier könnte es vorkommen, dass durch die Abstrahlung von Gravitationswellen beide Sterne ihren jeweiligen Drehimpuls verlieren, sich immer näher kommen und verschmelzen. Falls die Summer ihrer beiden Massen die Obergrenze von 1,44 Sonnemassen überschreitet, würden sie ebenfalls in einer Supernova Ia explodieren.

Nun hat diese ganz spezielle Sternexplosion einen für Kosmologen unverzichtbaren Vorteil - ihre absolute Helligkeit oder auch Leuchtkraft, lässt sich aus der Form ihrer Lichtkurve, also aus dem zeitlichen Verlauf ihrer scheinbaren Helligkeit ableiten. Das bedeutet, da man weiß, dass die absolute Helligkeit einer Supernova vom Typ Ia in etwa immer gleich ist (etwa -19,7 mag), lässt sich aus der scheinbaren Helligkeit die Distanz bestimmen. Sie dienen den Kosmologen somit als sogenannte Standardkerzen, über die man grosse Entfernungen im Kosmos relativ genau bestimmen kann.
Ein weiterer Vorteil ist, dass sich dieser Supernova-Typ noch in sehr großen Distanzen, etwa bis Rotverschiebung z=1,5 beobachten lässt, was einer Entfernung von mehr als acht Mrd. Lichtjahren entspricht. Ab dieser Entfernung reicht die Leuchtkraft nicht mehr aus, um genaue Aussagen über die Entfernung des Objekts zu treffen. Allerdings besteht eine relativ hohe Fehlertoleranz bzw Unterschiede in der Leuchtkraft, die sich im Bereich von etwa 10% bewegt, je nachdem, welchen Nickel und Siliziumanteil ein Weißer Zwerg hatte.

Nun hat man kürzlich allerdings eine Supernova Ia beobachtet, deren enorme Helligkeit sich nicht mit diesem Modell erklären lässt. Nach längeren Auswertungen der Daten ergab sich, dass der explodierte Weiße Zwerg eine Masse von ca. 2,1 Sonnemassen gehabt haben müsste, womit er eindeutig die Chandrasekhar Grenze überschritten hätte. Eine Lösung wäre nun, dass dieser Super-Chandra-Weisser-Zwerg einer ungewöhnlich hohen Rotation unterlegen hat, die diese Masse ermöglichte.
Fänden sich nun allerdings mehrere Supernovae Ia dieser Art, so müsste man die Chandrasekhar-Grenze neu bewerten und möglicherweise Modelle entwickeln, um die Leuchtkraftdistanz neu zu kalibrieren, was sicherlich eine Krise in der SN-Ia-Kosmologie auslösen würde. Man darf gespannt sein...

Ein beschleunigtes Universum durch Dunkle Energie?

Im Jahr 1998 machten Saul Perlmutter vom Supernova Cosmology Project sowie Brian Schmidt mit dem High-z Supernova Search Team unabhängig voneinander, anhand der Beobachtung an zahlreichen Supernovae vom Typ Ia, eine erstaunliche Entdeckung. Ihnen fiel auf, dass das Licht sehr weit entfernter SNIa lichtschwächer war, als es laut den Rotverschiebungsdaten hätte sein dürfen. Daraus ergab sich, dass diese Sternexplosionen weiter weg waren, als das bisherige Modell damals voraussagte. Dies hatte folgenschwere Konsequenzen für die Kosmologie. Unser Universum scheint sich nicht gleichmäßig auszudehnen, sondern sogar beschleunigt. Das heisst, je weiter wir ins Universum blicken, desto schneller entfernen sich die Galaxien von uns.
Nun stellte sich natürlich die Frage nach der Ursache dafür. Wie kann sich das Universum beschleunigt ausdehnen, wo doch die Gravitation einer Ausdehnung entgegenwirken sollte? Eigentlich erwartete man anhand dieser beiden Projekte eine Abbremsung der Expansion nachzuweisen, nun war das genaue Gegenteil der Fall.
Aus diesem Dilemma kommt man nur heraus, wenn man eine noch völlig unbekannte Energieform annimmt - die Dunkle Energie. Nach bisherigem Erkenntnisstand nimmt diese Energieform 73% an der Gesamtenergie unseres Universums ein, wobei ihr Dichteparameter konstant zu sein scheint. Das heisst, die Dunkle Energie dünnt nicht mit der Expansion des Universums aus, wie es die baryonische und Dunkle Materie tut, sondern ihre Dichte bleibt zeitlich konstant. Was genau nun Dunkle Energie eigentlich ist, lässt sich noch nicht sagen. Die bisher plausibelste Erklärung ist wohl, dass es sich dabei um die selbe Energieform handelt, wie sie sich auch in Form des Quantenvakuums (Casimir Effekt) zeigt. Allerdings weicht der beobachtete Wert der Energiedichte des Vakuums vom berechneten Wert um 120 Größenordnungen ab. Die tatsächliche Energie des Vakuums unterscheidet sich also um 120 ! Zehnerpotenzen vom quantenmechanisch ermittelbaren Wert, was letztendlich zu einem gravierenden Skalenproblem in der Physik führt.

Grundsätzlich legen Beobachtungen an Supernovae Ia nahe, die von Einstein postulierte Kosmologische Konstante mit w=-1 zu favorisiern. Der w-Parameter leitet sich aus Druck durch Energiedichte ab. Ein w-Parameter von -1 bedeutet im Grunde, dass der Druck, den die Dunkle Energie im Universum ausübt, geringfügig höher ist, als der Gegendruck, der von der Gravitation der Materie verursacht wird. Die Dunkle Energie wirkt also antigravitativ auf die Materie ein, wodurch das Universum, je weiter es sich ausdehnt, sich immer schneller beschleunigt.

Wie bereits oben beschrieben (siehe Supernovae vom Typ Ia), ist es bisher noch nicht möglich, SNIa in Entfernungen grösser als z=1,5 zu beobachten. Um nun allerdings endgültig auf eine Konstanz der Dichte Dunkler Energie schließen zu können, müssten entweder die Teleskoptechniken weiterentwickelt werden, um SNIa in noch größeren Entfernungen beobachten zu können oder es müssten andere Technologien für Standardkerzen entwickelt werden, wie es beispielsweise mit GRBs (Gamma Ray Bursts) zukünftig der Fall sein könnte. Bei GRBs handelt es sich um die Explosion sehr massereicher Sterne, die in noch größeren Entfernungen, aufgrund ihrer enormen Helligkeit, beobachtbar sind. Hierbei wurden im Jahr 2006 52 GRBs beobachtet, deren zeitlicher Verlauf der Lichtkurve darauf schließen lässt, dass die Dunkle Energie doch zeitlich variiert. Da diese Methode der Standardkerze allerdings bei weitem noch nicht so präzise ist, wie die der SNIa Analyse, kann noch keine endgültige Aussage zur zeitlichen Konstanz der DE getroffen werden.

Struktur des Universums

Seit der Bestätigung des Urknallmodells durch die Hintergrund- strahlung ging man davon aus, dass sich die Galaxien nahezu gleichmäßig im Raum verteilen.
Diese Vorstellung wurde von der Astronomin Margaret Geller 1989 widerlegt, die als Erste zusammen mit ihrem Kollegen John Huchra, durch die Kartographierung tausender Galaxien anhand ihrer Rotverschiebung, eine komplexe Struktur - das Geller-Huchra-Männchen (in der Großen Mauer) - entdeckte.
Hierbei handelt es sich um die größte zusammenhängende Struktur von Galaxien mit einem Durchmesser von 1,37 Mrd. Lichtjahren, einer Dicke von 15 Mio. LJ. und einer Höhe von 300 Mio. Lj.
Theoretisch ist unser Universum nicht alt genug, um Strukturen solchen Ausmaßes zu bilden. Man vermutet deshalb, dass Dunkle Materie, die einen wesentlich größeren Anteil als Sichtbare im Universum einnimmt, sich schneller in Massezentren formiert hat. Diese Zentren dienten dann für die sichtbare Materie als Kondensationskeime.
Aufgrund solcher Beobachtungen gleicht der Aufbau des Universums einer Art Schaumbad, in dem sich immense Leerräume befinden und an den Schnittstellen der Seifenblasen die Galaxien aufreihen. Durch das Aufblähen jeder einzelnen Blase entfernen sich letztendlich die Galaxien voneinander.

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Krümmung der Raumzeit

Ausgehend davon, dass die Massen im Universum die Raumzeit krümmen, entwickelte Bernhard Rieman, auf Grundlagen der ART, den Krümmungstensor bzw. Rieman-Tensor.
Anhand dieses Tensors lässt sich ermitteln, welcher Topologie das Universum unterliegt, das heisst in welcher Art und Weise die Raumzeit gekrümmt ist.
Legt man dabei einen Krümmungsparameter von k = -1 zugrunde so hätte das Universum eine hyperbolische Form. Ein Krümmungsparameter von k = 0 würde eine flache Form bedeuten, k = +1 wäre elliptisch.
Bisher ging man davon aus, dass die Gravitation, welche von den Massen im Universums erzeugt wird, die Raumzeit krümmen sollte.
Auswertungen der Hintergrundstrahlung haben allerdings ergeben, dass das Universum auf großen Skalen, also im beobachtbaren Bereich bis z = 1100, wesentlich weniger gekrümmt ist, als bisher angenommen wurde. Beobachtungen am zeitlichen Verlauf des Lichtkegels an Supernovae vom Typ Ia, stützen diese Vermutung. Diese voneinander unabhängigen Beobachtungsmethoden favorisieren derzeit einen Krümmungsparameter von k = 0.
Die Gravitationskonstante verhält sich also scheinbar auf großen Distanzen anders, als im lokalen Bereich. Der Verursacher dafür könnte nun wieder die Dunkle Energie sein, die hier "glättend" auf die Raumzeit einwirkt, was zu einem flachen Universum führt. Allerdings nicht vollständig, wie sich mittlerweile herausstellte. Derzeit lässt sich innerhalb des Beobachtungshorizonts eine Krümmung von einem Prozent erkennen, also eine minimale Abweichung von einer vollkommenen Flachheit.
Wie es denn so oft ist in der Kosmologie, so werfen neue Antworten wiederum eine Vielzahl neuer Fragen auf, wie beispielsweise diese:
Ist diese Krümmung von einem Prozent ein Indiz dafür, dass es ein Paralleluniversum gibt, das mit seiner Masse, auf die Krümmung der Raumzeit unseres Universums einwirkt?

Dunkle Materie

Hier befinden wir uns in dem wohl geheimnisvollsten Bereich unseres Universums. Aufgrund von Beobachtungen und Berechnungen von Galaxien, in Bezug auf ihr gravitatives Rotationsverhalten, fand man bereits im frühen letzten Jahrhundert heraus, dass sich in unserem Universum wesentlich mehr Materie befinden muss, als wir beobachten können. Diese Dunkle Materie besteht möglicherweise aus sogenannten WIMPs - Teilchen, die ausschließlich durch ihre Masse wechselwirken.

Nach heutigem wissenschaftlichem Stand gilt als gesichert, dass die Dunkle Materie (wie lässt sich der Anteil von DM bestimmen? - siehe hier!) mindestens 23% der Gesamtmasse in unserem Universum ausmacht. Aufgrund der Kartografierung von Galaxien hat man festgestellt, dass sich im Umkreis von 200 Mio. Lichtjahren alle Galaxien der lokalen Gruppe auf ein riesiges Schwerkraftfeld in der Centaurus Region zu bewegen. Dieser Bereich, mit der Bezeichnung Großer Attraktor, besteht möglicherweise aus einer gigantischen Ansammlung Dunkler Materie, die durch ihre enormen Gravitationskräfte alle Galaxien in ihrem Umkreis beeinflusst.

Man geht davon aus, dass nicht alle, der im Urknall entstandenen Materie in sichtbare umgewandelt wurde, sondern lediglich 4,4% davon in Form von Sonnen, Planeten und Interstellarer Materie entstand. Weitere 0,3% werden in Form von Neutrinos ins Universum geschleudert, die als Massedifferenz (lt. E=MC²) bei der Umwandlung von Wasserstoff zu Helium in Sonnen entstehen. Bereits genannte 22% der Masse tritt in Form von Dunkler Materie auf und der Rest, ca. 73%, besteht aus Dunkler Energie.

Jung-Pei Ma und Edmund Bertschinger gehen in einer kürzlich erschienenen Publikation davon aus, dass die Verteilung der Dunklen Materie im Universum der Fokker-Planck-Gleichung zu folgen scheint. Diese mittlerweile 90 Jahre alte Gleichung beschreibt die Bewegung von Pollen in der Luft anhand der Brown'schen Molekularbewegung. Dieses Bewegungsverhalten lässt sich anhand dieser Formel scheinbar auch auf die Bewegung von Sternen innerhalb einer Galaxie und auf Galaxien innerhalb von Galaxienclustern anwenden. Siehe Links:
Einstein's Explanation of Brownian Motion
Publikation von Chung Pei-Ma

Presseberichte:

Forscher erhellen Dunkle Materie!
Astronomen entdecken Galaxie ohne Sterne
Andromeda IX - die lichtschwächste bekannte Galaxie
Das Sloan Digital Sky Survey testet die Theorie der Dunklen Materie
Dunkle Materie - direkter Nachweis gelungen