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Vom Anfang und Ende des Kosmos

Der Begriff Kosmos entstammt aus dem griechen Wort = kósmos = die Welt-Ordnung, Weltall, Weltraum, die Welt als geordnetes Ganzes, sowohl als das sichtbare Universum als auch als geordnetes, harmonisches Ganzes. Ebenfalls bedeutet es auch umgangssprachlich Schmuck und Anstand. Die Kosmologie ist die Lehre von der Enstehung und Entwicklung des Weltalls. Schon immer hat die Menschheit die Frage beschäftigt, wie die Sterne und das Universum entstanden sind. Seit Jahrtausenden suchen viele kluge Köpfe nach Antworten auf die Frage, ob das Universum unendlich groß ist und ob es einen letzten Tag des Weltraumes geben wird. Dieses Thema gilt heute noch als grosses Rätsel und es wird intensiv daran geforscht möglichst viele neue Erkenntnisse zu sammeln.

Ausgehend von astronomischen Beobachtungen und wissenschaftlichen Experimenten an den Teilchenbeschleunigungen und ist man in der Kosmologie der Ansicht, das Universum habe seinen Ursprung in einem sehr dichten und sehr heißen „Punkt“ gehabt, genannt Urknall oder Big Bang. Danach soll sich das Universum ausgedehnt haben, während die Temperatur abnahm. Zu dieser sogenannten Urknalltheorie kamen die Physiker auf Grund der astronomischen Beobachtungen. Dank neuester Beobachtungstechnik, riesiger Teleskope und automatischer Observatorien ist die Kosmologie heute in der Lage, Fragen zu stellen, auf die sie vor Jahren noch gar nicht gekommen wäre. Das betrachten heute Kosmologen und Astrophysiker vielleicht als größeren Fortschritt, als eine neue Galaxie zu entdecken. Tatsache ist aber, dass ihnen die Grundfragen des Universums noch rätselhafter sind. Wir wissen heute aufgrund vieler Beobachtungsdaten, dass unser Universum irgendwann in der Vergangenheit einen Anfang hatte.

Es existiert nicht seit ewigen Zeiten, sondern ist mit 13,7 Milliarden Jahren sogar als noch recht jung zu bezeichnen. Bis zu Albert Einsteins revolutionären Gedanken nahm man Raum und Zeit als unveränderliche Größe hin. Man sah das gesamte Universum als beständige, sich in aller Ewigkeit nie ändernde Einrichtung. Für uns fast unbegreiflich, bestand das gesamte Universum bis in die frühen Jahre des 20. Jahrhunderts lediglich aus der Milchstrasse, zu der auch die seltsamen Nebelflecke gehörten. Im Jahre 1948 veröffentlichte der Wissenschaftler Georg Gamow seine Theorie eines heißen Anfangs des Weltalls, nach der alles in einem heißen Urbrei (Ylem) begann, der irgendwann expandierte.

Den entscheidenden Beweis für den Urknall lieferten dann 1965 zwei US-Ingenieure, Arno Penzias und Robert Wilson. Sie entdeckten die sogenannte 3 K-Hintergrundstrahlung mit rund –270°C. Georg Gamow hatte in seiner Theorie bereits vorhergesagt, dass aus dem von Strahlung dominierten Urbrei auch heute noch Reste vorhanden sein sollten. Aus jedem Bereich des Himmels kann elektromagnetische Strahlung nachgewiesen werden. Diese Strahlung wird Hintergrundstrahlung auch: kosmische Hintergrundstrahlung oder Drei-Kelvin-Strahlung genannt. Hintergrundstrahlung wurde bisher im Mikrowellenbereich des elektromagnetischen Spektrums, im Röntgenbereich und im fernen Infrarot beobachtet. Je nach dem beobachteten Energiebereich kann man verschiedene Quellen der Hintergrund- strahlung ausmachen. Es gibt eine ganze Reihe weiterer Ideen zur Entstehung und Zukunft des Universums. Alle Modelle basieren auf der Allgemeinen Relativitätstheorie oder gehen von einer noch nicht gefundenen Theorie der Quantengravitation aus. Eines steht jedenfalls fest: Alle gemachten Beobachtungen weisen darauf hin, dass einst unser gesamtes Universum aus einem winzig kleinen Raumgebiet entstand.

Sämtliche Berechnungen eines Alters des Universums setzen voraus, dass der Urknall tatsächlich als zeitlicher Beginn des Universum betrachtet werden kann, was wegen Unkenntnis der physikalischen Gesetze für den Zustand unmittelbar nach Beginn des Urknalls nicht gesichert ist. Allerdings kann ein statisches Universum, das unendlich alt und unendlich groß ist, ausgeschlossen werden, nicht jedoch ein dynamisches unendlich großes Weltall. Dies wird unter anderem durch die beobachtete Expansion des Weltalls begründet. Des Weiteren wies schon der Astronom Heinrich Wilhelm Olbers darauf hin, dass bei unendlicher Ausdehnung und unendlichem Alter eines statischen Universums der Nachthimmel hell leuchten müsste (Olberssches Paradoxon), da jeder Blick, den man gen Himmel richtet automatisch auf einen Stern fallen müsste. Ist das Universum allerdings unendlich groß, hat aber nur ein endliches Alter, so hat uns das Licht von bestimmten Sternen einfach noch nicht erreicht.

Die Anschauung könnte die Vermutung nahelegen, dass aus der Urknalltheorie eine „Kugelform“ des Universums folge; das ist jedoch nur eine von mehreren Möglichkeiten. So wurden neben einem flachen unendlichen Universum viele andere Formen vorgeschlagen. Darunter beispielsweise eine Hypertorusform, oder auch die in populärwissenschaftlichen Publikationen als „Fußballform“ und „Trompetenform“ bekannt gewordenen Formen. Die Anschauung könnte die Vermutung nahelegen, dass aus der Urknalltheorie eine „Kugelform“ des Universums folge; das ist jedoch nur eine von mehreren Möglichkeiten. So wurden neben einem flachen unendlichen Universum viele andere Formen vorgeschlagen. Wichtig ist der Unterschied zwischen Unendlichkeit und Unbegrenztheit: Auch wenn das Universum ein endliches Volumen besitzen würde, so ist wäre dennoch unbegrenzt

Die Struktur des Kosmos ist durch die großräumige Anordnung und Verteilung der beobachtbaren Materie im Universum charakterisiert. Astronomie und Kosmologie beobachten das Weltall, um dessen Strukturen im großen Maßstab zu verstehen.
Zur Zeit sind bereits viele Strukturen bekannt: Sterne sind in Galaxien zusammengefasst, Galaxien wiederum in Galaxienhaufen und diese dann in Superhaufen, die durch Voids getrennt werden. Bis 1989 wurde angenommen, dass die Superhaufen die größten Strukturen in unserem Universum sind und relativ gleichmäßig über den gesamten Raum verteilt sind. 1989 entdeckten Margaret Geller und John Huchra dann mithilfe von Daten aus der Untersuchung der Rotverschiebung die Große Mauer. Dies ist eine Ansammlung von Galaxien mit einer Länge von 500 Millionen Lichtjahren, einer Breite von 200 Millionen Lichtjahren und einer Tiefe von lediglich 15 Millionen Lichtjahren. Die Große Mauer blieb so lange unbemerkt, weil für ihre Entdeckung die Erfassung der Position der Galaxien in drei Dimensionen notwendig war.

Dies wurde erreicht, indem man die Ortsdaten der Galaxien mit den Entfernungsdaten aus der Rotverschiebung kombinierte. In Richtung der Sternbilder Hydra und Zentaur, etwa 250 Millionen Lichtjahre vom Virgo-Galaxienhaufen entfernt, in dem auch die Milchstraße liegt, befindet sich eine gravimetrische Anomalie, genannt großer Attraktor. Diese Anomalie zieht Galaxien bis zu einer Entfernung von mehreren hundert Millionen Lichtjahren an. Das Licht all dieser Galaxien ist zwar nach dem Hubble-Gesetz verschoben, aber die feinen Unterschiede in der Rotverschiebung ermöglichen es, den großen Attraktor nachzuweisen oder zumindest die Existenz einer Masseansammlung in der Größenordnung mehrerer zehntausend Galaxien. Im Zentrum des großen Attraktors liegt der fast durch die Milchstraßenscheibe verborgene Norma-Galaxienhaufen. In seiner Umgebung befindet sich eine Ansammlung vieler großer und alter Galaxien, von denen viele miteinander zusammenstoßen und/oder große Mengen an Strahlung abgeben.

In der Kosmologie wird versucht, ein Modell der Großraumstruktur unseres Universums zu schaffen. Dabei werden vor allem das Urknallmodell und Annahmen über die Art der Materie im Universum zugrunde gelegt. Damit ist es möglich, Vorhersagen über die Verteilung der Materie im All zu machen, die mit den Beobachtungen verglichen werden und es so ermöglichen, die Theorien zu verbessern. Zurzeit legen die Beobachtungen nahe, dass der größte Teil des Universums aus kalter, dunkler Materie besteht. Theorien, die hingegen mit heißer, dunkler oder baryonischer, dunkler Materie arbeiten, liefern keine guten Vorhersagen. Andere Möglichkeiten, diese Modelle zu betrachten, sind auf der Grundlage minimaler Schwankungen in der kosmologischen Hintergrundstrahlung oder aber mit stark rotverschobenen Supernovae möglich. Dabei gibt es einen wachsenden Konsens, dass alle diese Ansätze ein Ergebnis liefern: Wir leben in einem beschleunigten Universum. Heute spricht man vom „Goldenen Zeitalter“ der Astrophysik, da nie zuvor mit so vielen Observatorien und modernen Hochleistungsrechnern den grundlegenden Fragen von Raum und Zeit, von Anfang und Ende des Universums nachgegangen werden konnte. Dunkle Materie, Dunkle Energie, Schwarze Löcher und auch Entdeckungen im Sonnensystem sowie extrasolare Planeten haben in den letzten Jahren unser Weltbild verändert.

Das Universum dehnt sich immer weiter aus. Das hat der amerikanische Astronom Edwin Hubble schon vor mehr als 80 Jahren nachgewiesen. Lange Zeit besagte die gängigste Theorie, dass diese Expansion irgendwann zum Erliegen kommen wird, gebremst von der Schwerkraft, die der Ausdehnung entgegenwirkt. Ab diesem Moment, so die Vorstellung vieler Astrophysiker, würde sich das Universum wieder zusammenziehen. Am Ende stünde der Kollaps, der Kosmos würde in sich zusammenfallen in einem "Big Crunch", einer Art umgekehrter Urknall. Neue Experimente lassen jetzt aber genau das Gegenteil vermuten: Die Ausdehnung des Universums wird nicht langsamer, sondern stattdessen immer schneller. Beobachtungen haben gezeigt, dass sich sehr weit entfernte Sterne und Galaxien viel schneller entfernen als nahe gelegene. Und diese Fluchtgeschwindigkeit wächst ständig. Diese Kraft, die das Universum gegen die Schwerkraft auseinander zieht, nennen Astronomen "dunkle Energie". "Dunkel", weil sie keine elektromagnetischen Wellen abstrahlt und deshalb auch nicht leuchtet.

Die Wissenschaftler haben dem Phänomen zwar einen Namen gegeben, viel mehr wissen sie allerdings nicht über die "dunkle Energie", die nur eine hypothetische Vorstellung ist. Gäbe es sie tatsächlich, wäre sie komplett anders als alle bisher bekannten Kräfte. Denn sie wird nicht schwächer mit zunehmender Entfernung, sondern immer stärker, je weiter die Materie schon weg ist. Da die Astrophysiker nicht wissen, wonach sie suchen sollen, ist ihre Hoffnung, die "dunkle Energie" irgendwo im Weltall zu beobachten, nicht gerade groß. Stimmen die heutigen Vorstellungen von der geheimnisvollen Kraft, würde sie das Weltall immer weiter auseinander blasen. Aber auch diese Expansion könnte irgendwann zu Ende sein, wenn die Beschleunigung zu groß und ganze Galaxien, Sterne und Planeten in einem gewaltigen "Big Rip" auseinander gerissen würden.

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