Andere Links:
Bestimmung der Entfernungen zu astronomischen Objekten
Eine Erklärung der verschiedenen wissenschaftlichen Methoden zur Bestimmung der Entfernungen anderer Objekte im Universum.
Universum: Kosmologie 101
Eine Einführung für Anfänger in den Urknall und verwandte Themen.
Ned Wrights Kosmologie-Tutorial
Referenzen und Erklärungen zum aktuellen Stand der kosmologischen Wissenschaft.
Bad Astronomy
Eine gründliche Entlarvung verschiedener Arten von astronomischem Pseudowissenschaft.

Inhaltsverzeichnis

0) Einleitung

a) Zweck dieser FAQ

Laut der Willkommensseite dieses Archivs ist die Newsgroup talk.origins für Debatten über "biologische und physikalische Ursprünge" gedacht, und das Archiv dient dazu, "mainstream wissenschaftliche Antworten auf die vielen häufig gestellten Fragen (FAQs), die in der talk.origins Newsgroup auftauchen", bereitzustellen. Viele aktuelle FAQs befassen sich mit Fragen zu biologischen und geologischen Ursprüngen hier auf der Erde. Diese Seite wird einen breiteren Ansatz verfolgen und sich auf das Universum selbst konzentrieren.

Bevor mit der Untersuchung der Beweise rund um die aktuelle Kosmologie begonnen wird, ist es wichtig zu verstehen, was die Urknalltheorie (BBT) ist und was sie nicht ist. Im Gegensatz zur allgemeinen Wahrnehmung handelt die BBT nicht von der Entstehung des Universums. Vielmehr beschreibt sie die Entwicklung des Universums im Laufe der Zeit. Dieser Prozess wird oft als "kosmische Evolution" oder "kosmologische Evolution" bezeichnet; während diese Begriffe sowohl von Personen innerhalb als auch außerhalb der astronomischen Gemeinschaft verwendet werden, ist es wichtig zu beachten, dass die BBT völlig unabhängig von der biologischen Evolution ist. In den letzten Jahrzehnten wurde das grundlegende Bild der Kosmologie, das durch die BBT gegeben wird, von Astronomen, Physikern und der breiteren wissenschaftlichen Gemeinschaft allgemein akzeptiert. Allerdings wurde kein ähnlicher Konsens über Ideen zur ultimativen Entstehung des Universums erzielt. Dies bleibt ein Bereich aktiver Forschung, und einige der aktuellen Ideen werden im Folgenden diskutiert. Dennoch geht es bei der BBT um Entstehungen – die Entstehung von Materie, die Entstehung der Elemente, die Entstehung großräumiger Strukturen, die Entstehung der kosmischen Hintergrundstrahlung usw. All dies wird im Folgenden im Detail behandelt.

Neben der Tatsache, dass es sich bei der BBT um eine Theorie über die Entstehung der grundlegenden Bausteine handelt, die wir heute in der Welt sehen, ist sie auch paradoxerweise eine der bekanntesten Theorien in der allgemeinen Öffentlichkeit und eine der am meisten missverstandenen (und gelegentlich auch falsch dargestellten). Angesichts der Natur des Themas wird sie auch häufig mit starken religiösen Untertönen diskutiert. Junge-Erde-Kreationisten lehnen sie als eine „atheistische Theorie" ab, die von Wissenschaftlern erfunden wurde, die darauf abzielen, die göttliche Schöpfungsgeschichte aus Genesis zu leugnen. Im Gegensatz dazu haben Alte-Erde-Kreationisten (sowie andere Christen) die BBT als Beweis für Genesis übernommen und behauptet, dass die Theorie zeigt, dass das Universum einen Ursprung hatte und zu einem bestimmten Zeitpunkt in der fernen Vergangenheit nicht existierte. Schließlich haben einige Atheisten argumentiert, dass BBT einen Schöpfer für das Universum ausschließt.

Eine detaillierte Diskussion dieser religiösen Argumente findet sich in einer Reihe anderer Quellen (z. B. das Buch von Craig und Smith in den Referenzen). Diese FAQ konzentriert sich ausschließlich auf die Wissenschaft: was die Theorie besagt, warum sie entwickelt wurde und welche Beweise es dafür gibt.

b) Allgemeiner Überblick

Viele Erklärungen des Urknallmodells beginnen damit, verschiedene astronomische Beobachtungen vorzustellen und zu argumentieren, dass sie natürlich zur Idee eines expandierenden, sich abkühlenden Universums führen. Hier verfolgen wir einen anderen Ansatz: Wir beginnen damit, zu beschreiben, was das Urknallmodell nicht ist, und einige verbreitete Missverständnisse über die Theorie zu korrigieren. Sobald dies erledigt ist, sprechen wir darüber, was die Theorie ist und welche Annahmen getroffen werden, wenn eine physikalische Theorie darüber beschrieben wird, wie das Universum funktioniert. Mit diesem Rahmen im Gepäck wenden wir uns der Untersuchung zu, was das Urknallmodell für unser Universum vorhersagt und wie dies mit dem übereinstimmt, was wir sehen, wenn wir den Himmel betrachten. Der nächste Schritt besteht darin, einige der häufigsten Einwände gegen die Theorie sowie Diskrepanzen zwischen der Theorie und den Beobachtungen zu betrachten, was natürlich zu einer Untersuchung einiger alternativer kosmologischer Modelle führt. Wir beenden dies mit zwei weiteren spekulativen Themen: aktuellen Ideen über die frühesten Stadien des Universums und seinen ultimativen Ursprung sowie eine Diskussion darüber, was wir erwarten können, dass die nächste Generation kosmologischer Experimente und Umfragen uns über das Urknallmodell verrät.

c) Weitere Quellen für Informationen

Wie man bei einem Thema mit einer großen öffentlichen Anhängerschaft erwarten könnte, gibt es eine riesige Menge an Literatur zum BBT sowohl in gedruckten Medien als auch im Internet. Das Niveau dieses Materials ist sehr unterschiedlich – von fortgeschrittenen Texten für Graduiertenkurse und darüber hinaus bis hin zu Popularisierungen für Laien. Ebenso kann die Qualität der Erklärung in diesen Ressourcen erheblich variieren. Insbesondere vereinfachen einige Popularisierungen das Material so stark, dass es hochgradig irreführend sein kann. Schließlich gibt es eine Reihe von Abhandlungen gegen das Standard-Kosmologiemodell, die voller Missverständnisse, Falschdarstellungen und offener Wut gegen das BBT und Kosmologen im Allgemeinen sind. Wir haben versucht, diese riesige Informationsmenge zu filtern und diejenigen Quellen hervorzuheben, die die Theorie korrekt beschreiben und sie so klar wie möglich darstellen. Wir bitten im Voraus um Entschuldigung für wertvolle Quellen, die unbeabsichtigt übersehen und ausgeschlossen wurden.

Für eine ernsthafte, technische Einführung in das Thema sind zwei Bücher besonders nützlich: Principles of Physical Cosmology von Peebles und The Early Universe von Kolb & Turner. Diese sind für fortgeschrittene Studierende und Doktoranden geschrieben, sodass ein gewisses mathematisches Wissen vorausgesetzt wird. Für eine weniger technische Beschreibung der frühen Stadien des Universums (mit besonderem Schwerpunkt auf Nukleosynthese und Teilchenphysik) sind die Bücher von Fritzsch und Weinberg sehr gut und richten sich an die allgemeine Öffentlichkeit.

Obwohl die oben genannten Bücher gut geschrieben sind, ist das Material etwas veraltet, da es vor den Beobachtungen und den darauffolgenden Entwicklungen der letzten Jahre verfasst wurde (z. B. die beschleunigte Expansion des Universums und die Einbeziehung der Dunklen Energie in das Standard-Kosmologiemodell). Neuere Texte wie die von Peacock, Kirshner und Livio behandeln diese Themen. Der erste ist auf dem Niveau von Peebles und Kolb & Turner, während die beiden anderen für ein allgemeines Publikum geschrieben sind. Schließlich wird ein neues Buch von Kippenhahn vom Autor dieses FAQ's mit Vorbehalt sehr empfohlen, da es derzeit nur auf Deutsch erhältlich ist.

Im Internet ist die bekannteste Quelle für populärwissenschaftliche Informationen über den Urknall das Kosmologie-Tutorial von Ned Wright. Dr. Wright ist ein professioneller Kosmologe an der University of California, Los Angeles, und sein Tutorial wurde umfassend bei der Erstellung dieser FAQ verwendet. Er hat zudem sein eigenes Big Bang FAQ verfasst und aktualisiert seine Website regelmäßig mit den neuesten Nachrichten aus der Kosmologie und behandelt einige der beliebtesten alternativen Modelle in der Kosmologie.

Die Seiten der Wilkinson Microwave Anisotropy Probe bei NASA bieten eine sehr gute Beschreibung der theoretischen Grundlagen der BBT, die auf ein Laienpublikum zugeschnitten ist. Weitere gut geschriebene Seiten über die BBT sind die Wikipedia-Seiten zum Universum und zum Urknall. Schließlich gibt es die kurze FAQ Der Urknall und die Expansion des Universums im Atlas of the Universe, der auch einige der häufigsten Missverständnisse korrigiert.

1) Was ist die Urknalltheorie?

a) Häufige Missverständnisse über den Urknall

In den meisten populärwissenschaftlichen Quellen wird BBT oft so beschrieben: „Das Universum entstand durch die Explosion eines Punktes, in dem sich alle Materie konzentrierte." Nicht überraschend ist dies wahrscheinlich der Standard-Eindruck, den die meisten Menschen von der Theorie haben. Gelegentlich hört man sogar: „Am Anfang war nichts, das explodierte."

In diesen Aussagen sind mehrere Missverständnisse versteckt:

  • Das BBT handelt nicht vom Ursprung des Universums. Vielmehr liegt sein primärer Fokus auf der Entwicklung des Universums über die Zeit.
  • Das BBT impliziert nicht, dass das Universum jemals punktförmig war.
  • Der Ursprung des Universums war keine Explosion von Materie in bereits existierenden Raum.

Der berühmte Kosmologe P. J. E. Peebles fasste dies im Januar 2001 in einer Ausgabe von Scientific American prägnant zusammen (die gesamte Ausgabe widmete sich der Kosmologie und ist lesenswert!): „Dass sich das Universum ausdehnt und abkühlt, ist das Wesen der Urknalltheorie. Sie werden bemerken, dass ich nichts über eine 'Explosion' gesagt habe – die Urknalltheorie beschreibt, wie sich unser Universum entwickelt, nicht wie es begann." (S. 44). Auch die Ausgabe vom März 2005 enthielt einen hervorragenden Artikel, der viele der üblichen Missverständnisse über die BBT aufdeckt und korrigiert.

Ein weiterer Kosmologe, der Deutsche Rudolf Kippenhahn, schrieb in seinem Buch "Kosmologie fuer die Westentasche" ("Kosmologie für die Hosentasche"): "Es gibt auch die weit verbreitete irrige Annahme, dass nach dem Hubble-Gesetz der Urknall an einem bestimmten Punkt im Raum stattfand. Zum Beispiel: An einem bestimmten Punkt ereignete sich eine Explosion, und von dort aus breitete sich eine Explosionswolke in den leeren Raum aus, wie eine Explosion auf der Erde, und die Materie darin verdünnt sich immer mehr in größeren Bereichen des Raumes. Nein, das Hubble-Gesetz besagt lediglich, dass die Materie zu einem früheren Zeitpunkt überall dichter war, und dass sie sich im Laufe der Zeit verdünnt, weil alles voneinander wegfliest." In einem Fußnote fügte er hinzu: "In populärwissenschaftlichen Darstellungen werden oft frühe Phasen des Universums als 'zur Zeit, als das Universum so groß wie ein Apfel war' oder 'wie eine Erbse' erwähnt. Was dort gemeint ist, ist im Allgemeinen die Epoche, in der nicht das Ganze, sondern nur der Teil des Universums, der heute beobachtbar ist, diese Größen hatte." (S. 46, 47; Übersetzung des FAQ-Autors, alle Hervorhebungen im Original)

Schließlich enthält die Webseite, die das ekpyrotische Universum (ein Modell für das frühe Universum, das Konzepte aus der Stringtheorie beinhaltet) beschreibt, eine gute Zusammenfassung der gängigen Missverständnisse. Lesen Sie den ersten Absatz, „Was ist das Urknall-Modell?".

Es gibt eine Reihe von Gründen, warum diese Missverständnisse in der öffentlichen Meinung bestehen bleiben. Vor allem wurde der Begriff "Big Bang" 1950 von Sir Fred Hoyle, einem entschiedenen Gegner der Theorie, geprägt. Er war Befürworter des konkurrierenden "Steady State"-Modells und hatte eine sehr niedrige Meinung von der Idee eines expandierenden Universums. Eine weitere Quelle der Verwirrung ist der oft wiederholte Ausdruck "primeval atom". Dies wurde von Lemaitre (einem der frühen Entwickler der Theorie) 1927 verwendet, um das Konzept einem Laienpublikum zu erklären, das jedoch einige Jahrzehnte lang nicht mit der Idee von Kernwaffen vertraut sein würde. Mit diesen und anderen irreführenden Beschreibungen, die von ansonsten gut gemeinten (und nicht so gut gemeinten) Medienfiguren endlos verbreitet wurden, ist es nicht verwunderlich, dass viele Menschen völlig verzerrte Vorstellungen davon haben, was die BBT besagt. Ebenso ist es zu erwarten, dass viele in der Öffentlichkeit die Theorie für ziemlich lächerlich halten, angesichts ihres ungenauen Verständnisses der Theorie und der dahinterstehenden Daten.

b) Was sagt die Theorie wirklich?

Eine genaue Beschreibung der BBT in allgemein verständlichen Begriffen ist extrem schwierig. Wie bei vielen modernen wissenschaftlichen Themen wird jeder solche Versuch notwendigerweise vage und unbefriedigend sein, da bestimmte Details hervorgehoben und andere unter den Teppich gekehrt werden. Um eine solche Theorie wirklich zu verstehen, muss man sich mit den Gleichungen befassen, die die Theorie vollständig beschreiben, und das kann recht herausfordernd sein. Dennoch sollten die Zitate von Peebles und Kippenhahn eine Vorstellung davon vermitteln, was die Theorie tatsächlich besagt. In den folgenden Absätzen werden wir ihre grundlegende Beschreibung erläutern.

Die einfachste Beschreibung der Theorie wäre etwa: "In der fernen Vergangenheit war das Universum sehr dicht und heiß; seitdem hat es sich ausgedehnt, wodurch es weniger dicht und kühler geworden ist." Der Begriff "ausgedehnt" sollte nicht so verstanden werden, dass sich Materie voneinander entfernt – vielmehr bezieht er sich auf die Idee, dass der Raum selbst größer wird. Häufig verwendete Analogien zur Beschreibung dieses Phänomens sind die Oberfläche eines Ballons (wobei Galaxien durch Punkte oder Münzen auf der Oberfläche dargestellt werden) oder das Backen von Brot (wobei Galaxien durch Rosinen im sich ausdehnenden Teig dargestellt werden). Wie alle Analogien ist die Ähnlichkeit zwischen der Theorie und dem Beispiel unvollkommen. In beiden Fällen impliziert das Modell, dass sich das Universum in einen größeren, bereits existierenden Raum ausdehnt. Tatsächlich sagt die Theorie nichts dergleichen. Stattdessen ist die Ausdehnung des Universum vollständig in sich abgeschlossen. Dies widerspricht unseren gängigen Vorstellungen von Volumen und Geometrie, folgt aber den Gleichungen. Eine weitere Diskussion dieser Frage findet sich im Abschnitt Was dehnt sich das Universum aus? von Ned Wrights FAQ.

Menschen haben oft Schwierigkeiten mit der Vorstellung, dass sich "der Raum selbst ausdehnt". Eine einfachere Möglichkeit, dieses Konzept zu verstehen, besteht darin, es als die Zunahme des Abstands zwischen zwei beliebigen Punkten im Universum zu betrachten (mit einigen bemerkenswerten Ausnahmen, wie im Folgenden diskutiert). Nehmen wir zum Beispiel zwei Punkte (A und B), die an festen Koordinatenpositionen liegen. In einem expandierenden Universum würden wir zwei bemerkenswerte Tatsachen feststellen. Erstens ist der Abstand zwischen A und B eine Funktion der Zeit, und zweitens nimmt der Abstand immer zu.

Um wirklich zu verstehen, was dies bedeutet und wie man in einem solchen Modell „Distanz" definieren würde, ist es notwendig, eine Vorstellung davon zu haben, worum es in Einsteins Theorie der Allgemeinen Relativitätstheorie (ART) geht – ein weiteres Thema, das sich nicht leicht einfachen Erklärungen entzieht. Eines der beliebtesten Lehrbücher zur ART von Misner, Thorne & Wheeler fasst es wie folgt zusammen: „Der Raum sagt der Materie, wie sie sich bewegen soll, die Materie sagt dem Raum, wie er sich krümmen soll." Natürlich lässt diese Aussage bestimmte Details der Theorie außer Acht, wie zum Beispiel, dass der Raum auch elektromagnetische Strahlung anweist, sich zu bewegen (am schönsten demonstriert durch die Gravitationslinsenwirkung – die Ablenkung von Licht um massive Objekte), dass sich der Raum auch auf Energie hin krümmt und dass Energie dem Raum weit mehr als nur eine Krümmung bewirken kann. Vielleicht wäre eine bessere (wenn auch längere) Beschreibung der ART etwas wie: „Die Energie bestimmt die Geometrie und Änderungen der Geometrie des Universums, und wiederum bestimmt die Geometrie die Bewegung der Energie".

Also, angesichts dessen, wie gelangt man von der Allgemeinen Relativitätstheorie (GR) zur Big-Bang-Theorie (BBT)? Die Grundgleichungen der BBT leiten sich direkt aus Einsteins GR-Gleichung unter zwei Schlüsselannahmen ab: Erstens, dass die Verteilung von Materie und Energie im Universum homogen ist, und zweitens, dass die Verteilung isotrop ist. Eine einfachere Formulierung dafür ist, dass das Universum überall und in jede Richtung gleich aussieht. Die Kombination dieser beiden Annahmen wird oft als Kosmologisches Prinzip bezeichnet. Offensichtlich beschreiben diese Annahmen das Universum nicht auf allen physikalischen Skalen. Wenn Sie in Ihrem Stuhl sitzen, haben Sie eine Dichte, die etwa 1000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 mal so hoch ist wie die mittlere Dichte des Universums. Ebenso liegen die Dichten von Objekten wie Sternen, Galaxien und Galaxienhaufen deutlich über dem Mittelwert (wenn auch nicht annähernd so sehr wie bei Ihnen). Stattdessen stellen wir fest, dass diese Annahmen nur auf extrem großen Skalen gelten, in der Größenordnung von mehreren hundert Millionen Lichtjahren. Allerdings sind wir, obwohl wir gute Belege dafür haben, dass das kosmologische Prinzip auf diesen Skalen gültig ist, auf einen einzigen Beobachtungspunkt und ein begrenztes Volumen des Universums beschränkt, das wir untersuchen können, sodass diese Annahmen genau das bleiben müssen.

Wenn wir diese scheinbar einfachen Annahmen übernehmen, sind die Implikationen für die Geometrie des Universums sehr tiefgreifend. Erstens kann man mathematisch nachweisen, dass es nur drei mögliche Krümmungen des Universums gibt: positive, negative oder Null-Krümmung (diese werden auch häufig als "geschlossene", "offene" und "flache" Modelle bezeichnet). Siehe diese Vorlesungen zur Kosmologie und GR und diese Diskussion der Friedman-Robertson-Walker-Metrik (manchmal auch Friedman-Lemaître-Robertson-Walker-Metrik genannt) für detailliertere Herleitungen. Darüber hinaus sagt uns die Annahme der Homogenität, dass die Krümmung überall gleich sein muss. Um die drei Möglichkeiten zu visualisieren, können zweidimensionale Modelle des tatsächlichen dreidimensionalen Raums hilfreich sein; die folgende Abbildung vom NASA/WMAP Science Team gibt ein Beispiel. Das bekannteste Modell mit positiver Krümmung ist die Oberfläche einer Kugel. Nicht das gesamte dreidimensionale Objekt, nur die Oberfläche (man kann erkennen, dass die Oberfläche zweidimensional ist, da man jede Position mit nur zwei Zahlen angeben kann, wie Längengrad und Breitengrad auf der Erdoberfläche). Null-Krümmung kann als einfache flache Ebene modelliert werden; dies sind die klassischen kartesischen Koordinaten, die die meisten Menschen aus der Schule in Erinnerung behalten werden. Schließlich kann man sich negative Krümmung als die Oberfläche eines Sattels vorstellen, wo parallele Linien voneinander divergieren, wenn sie in Richtung des Unendlichen projiziert werden (sie bleiben in einem Raum mit Null-Krümmung parallel und konvergieren in einem positiv gekrümmten Raum).

Possible geometries of the universe

Es gibt komplexere Beispiele für diese Geometrien, aber wir werden uns hier nicht damit beschäftigen. Wer mehr über diesen Punkt lesen möchte, kann sich diese Beschreibung der Topologie des Universums ansehen.

Die zweite Hauptfolgerung, die wir aus dem kosmologischen Prinzip ziehen können, ist, dass das Universum keine Grenze und keinen Mittelpunkt hat. Offensichtlich wäre die Idee, dass alle Punkte im Universum ununterscheidbar sind (d. h. das Universum ist isotrop), falsch, wenn einer dieser beiden Aussagen wahr wäre. Diese Schlussfolgerung kann kontraintuitiv sein, insbesondere wenn man ein Universum mit positiver Krümmung wie eine sphärische Hülle in Betracht zieht. Dieser Raum ist eindeutig endlich, aber, wie auch nach einem kurzen Nachdenken klar wird, ist es auch möglich, eine beliebig große Strecke um die Kugel herum zu reisen, ohne die Oberfläche zu verlassen. Daher hat er keine Grenze. Für die flachen und negativ gekrümmten Flächen ist es klar, dass diese Fälle sich auf eine unendliche Größe erstrecken müssen. Bemerkenswert ist, dass angesichts der enormen Unterschiede, die diese Fälle für die Geometrie und Größe des Universums darstellen, die Bestimmung, welche dieser drei Fälle für unser Universum zutrifft, in der Kosmologie tatsächlich noch eine offene Frage ist.

c) Inhalt des Universums

Wie oben bereits erwähnt, besagt die GR, dass der Materie- und Energieinhalt des Universums sowohl die gegenwärtige als auch die zukünftige Geometrie des Raumes bestimmt. Daher müssen wir, wenn wir Vorhersagen darüber treffen wollen, wie sich das Universum im Laufe der Zeit verändert, eine Vorstellung davon haben, welche Arten von Materie und Energie im Universum vorhanden sind. Auch hier vereinfacht die Anwendung des kosmologischen Prinzips die Dinge erheblich. Tatsächlich reicht es aus, wenn die Verteilung von Materie und Energie auf sehr großen Skalen homogen ist, den Dichte- und Druckwert jeder Komponente zu kennen. Noch besser ist es, dass für die meisten Fälle, die für die Kosmologie relevant sind, Druck und Dichte durch eine sogenannte "Zustandsgleichung" miteinander verknüpft sind. Somit kennen wir, wenn wir die Dichte einer gegebenen Komponente kennen, ihren Druck über die Zustandsgleichung und können berechnen, wie sie die Geometrie des Universums jetzt und zu jedem Zeitpunkt in der Vergangenheit oder Zukunft beeinflusst.

Nach einer großen Menge theoretischer und beobachtender Arbeit gibt es im Wesentlichen drei breite Kategorien von Materie und Energie, die wir betrachten müssen

  • Materie: Im normalen Verlauf des Lebens auf der Erde neigen wir dazu, die Beziehung zwischen Druck und Dichte der Materie als wichtig, aber unvollständig zu betrachten. Aus grundlegenden Chemie- oder Physik-Kursen lernen wir, dass der Druck ebenfalls typischerweise eine Funktion der Temperatur ist. Eine andere Möglichkeit, sich Temperatur vorzustellen, ist sie als Maß für die Geschwindigkeit zu betrachten, mit der sich Materie bewegt, zwar in einer ungeordneten, zufälligen Weise (denken Sie an die Luftmoleküle in einem Ballon; sie bewegen sich schnell im Inneren des Ballons, aber der Ballon selbst bleibt unbewegt). Während diese Moleküle nach unseren Maßstäben schnell sein mögen, im Vergleich zur Lichtgeschwindigkeit (was relevant ist, wenn wir GR betrachten), sind diese Teilchen effektiv unbewegt. In sehr guter Näherung können wir einfach den Druck für Materie auf null setzen; was wir wirklich sagen, ist, dass der Druck im Vergleich zur Energiedichte der Materie winzig ist.

    In kosmologischer Terminologie wird diese Klasse der Materie generisch als "kalte Materie" beschrieben, ein Begriff, der Sterne, Planeten, Asteroiden, interstellaren Staub und so weiter einschließt. Da wir darauf beschränkt sind, Photonen vom Rest des Universums zu beobachten, bedeutet die Tatsache, dass ein Großteil dieser kalten Materie in keiner nennenswerten Weise leuchtet, dass wir sie indirekt beobachten müssen, hauptsächlich durch ihre gravitative Wirkung auf Materie, die wir sehen können. Diese Art von dunkler Materie (hauptsächlich Planeten, ausgebrannte Sterne und kaltes Gas) ist im Universum sehr abundant.

    Neben dieser normalen dunklen Materie gibt es auch ample Belege dafür, dass das Universum eine große Menge dunkler Materie enthält, die grundlegend anders ist als die oben beschriebene dunkle Materie. Während normale Materie leuchten würde, wenn sie ausreichend erhitzt wird, ist diese dunkle Materie dunkel, weil sie überhaupt nicht mit Licht interagiert. Dies steht natürlich unserer alltäglichen Erfahrung entgegen, aber die aktuelle Quantenfeldtheorie sagt die Existenz einer Anzahl von Teilchen voraus, die dieser Anforderung entsprechen würden (z.B. das "Neutralino", das von der Supersymmetrie vorhergesagt wird, oder das "Axion"; siehe unten für weitere Details).

    Wie im Fall der normalen dunklen Materie (die generisch als "baryonische dunkle Materie" bezeichnet wird, da sie hauptsächlich aus Protonen und Neutronen besteht, die zu einer Teilchengruppe gehören, die "Baryonen" genannt wird), müssen wir nicht die genauen Details dieser dunklen Materie kennen, um kosmologische Vorhersagen zu treffen. Alles, was wir wissen müssen, ist ihre Zustandsgleichung. "Kalte Dunkle Materie" würde aus massiven, langsam bewegten Teilchen bestehen, wobei "massiv" relativ zur Masse von Teilchen wie dem Proton und "langsam" relativ zur Lichtgeschwindigkeit ist. Wie bei der kalten baryonischen Materie wäre der Druck, der mit diesen Teilchen verbunden ist, effektiv null. Auf der anderen Seite, wenn die dunklen Materieteilchen sehr leicht sind, würden sie dazu neigen, sich sehr schnell zu bewegen, und ihr verbundener Druck wäre nicht mehr vernachlässigbar. Diese Art von dunkler Materie wird "Heiße Dunkle Materie" genannt. Zum Vollständigkeitshalb könnte man sich auch einen dritten, intermediären Fall vorstellen ("Warme Dunkle Materie"). Schließlich ist es erwähnenswert, dass, da sie nicht mit Licht interagiert, die "Temperatur" der dunklen Materie nichts mit der Gesamttemperatur des Universums zu tun haben wird; Heiße Dunkle Materie bleibt heiß, egal wie kalt das Universum wird. Wie wir später besprechen werden, deuten aktuelle Beobachtungen darauf hin, dass die Materiekomponente des Universums von Kalter Dunkler Materie dominiert wird, mit kleinen Mengen baryonischer Materie und wenig bis keiner Warmen oder Heißen Dunklen Materie.
  • Strahlung: Streng genommen umfasst diese Kategorie nur elektromagnetische Strahlung. Allerdings wird oft Dunkle Warme Materie zusammen mit Strahlung gruppiert, da sich die Teilchen mit Geschwindigkeiten bewegen, die der Lichtgeschwindigkeit sehr nahe kommen, und sie damit im Wesentlichen denselben Zustandsgleichung haben. Bei Strahlung ist der Druck gleich einem Drittel der Energiedichte. Aus Beobachtungen wissen wir, dass Strahlung heute keinen wesentlichen Anteil am Energiedichte-Budget des Universums hat. Aufgrund der Zustandsgleichung skaliert jedoch die Energiedichte der Strahlung umgekehrt proportional zur vierten Potenz der Größe des Universums. Wenn wir beispielsweise in die Vergangenheit zurückgehen bis zum Zeitpunkt, an dem das beobachtbare Universum nur die Hälfte seiner heutigen Größe hatte, würden wir feststellen, dass die Energiedichte 16-mal so hoch war wie der aktuelle Wert, während die Energiedichte der Materie nur 8-mal so hoch war wie heute. Die klare Implikation daraus ist, dass, egal welche Werte sie heute haben, Strahlung bei ausreichender Rückkehr in die Vergangenheit die dominante Quelle der Energiedichte im Universum sein wird. Dies hat enorme Implikationen sowohl für die Entstehung der leichten Elemente in den sehr frühen Stadien des Universums (auch bekannt als primordialer Nukleosynthese) als auch für die Bildung der Kosmischen Mikrowellenhintergrundstrahlung (CMBR).
  • Der dritte Bestandteil des Standardbildes der BBT ist auch derjenige, über den wir am wenigsten Bescheid wissen. Der generische Begriff für dieses Stück ist dunkle Energie, obwohl dieser Begriff eine sehr diverse Palette von Möglichkeiten abdeckt. Aus der Quantenfeldtheorie wissen wir, dass der gesamte Raum mit Energie gefüllt sein sollte, selbst wenn keine Materie oder Strahlung vorhanden ist. Diese Energie wird unter verschiedenen Namen bekannt: "Nullpunktsenergie", "Nullpunktsschwankungen", "Vakuumenergie", "Vakuumfluktuationen" usw. Wie einige der Namen implizieren, persistiert diese Energie nicht auf die Weise, wie normale Materie oder Strahlung; stattdessen tauchen die Teilchen, die sie tragen, gemäß der Heisenbergschen Unschärferelation aus dem Nichts auf und verschwinden wieder. Diese Art von Energie kann nicht direkt detektiert werden, aber Messungen von z. B. dem Casimir-Effekt demonstrieren, dass sie existiert.

    Wenn wir dies als Indikator dafür betrachten, dass diese Art von Energie existiert, können wir untersuchen, welche Auswirkungen dies aus kosmologischer Sicht haben könnte. Unabhängig von der Expansion des Universums bleibt die Nullpunktsenergiedichte konstant und positiv. Dies führt zu der eher kuriosen (und nicht intuitiven) Schlussfolgerung, dass der Druck, der mit dunkler Energie assoziiert ist, negativ ist. Wenn man einen solchen Bestandteil in die Standardgleichungen der BBT einsetzt, ist die Wirkung des negativen Drucks größer als die der positiven Energiedichte. Als Ergebnis ist die Wirkung der Schwerkraft in einem von dunkler Energie angetriebenen Universum, die Expansion des Universums zu beschleunigen, anstatt sie zu verlangsamen (wie man es für ein Universum mit nur Materie erwarten würde).

    Man hört auch oft den Begriff "kosmologische Konstante" im Zusammenhang mit dunkler Energie. Um den Grund dafür zu verstehen, muss man etwas über die Geschichte der Anwendung der GR auf das gesamte Universum wissen. Als Einstein das zum ersten Mal versuchte, fand er heraus, dass es vorhersagte, das Universum sollte sich entweder ausdehnen oder zusammenziehen. Aber in Einsteins Zeiten wurde das Universum als statisch angesehen. Also schaute er sich erneut die Annahmen an, die er bei der Herleitung der Gleichungen der GR gemacht hatte. Eine davon war, dass ein leeres Universum, d. h. eines, das keine Materie oder Energie enthält, eine Krümmung von null haben sollte ("flach", wie oben erwähnt). Einstein fand heraus, dass, wenn er diese Annahme fallen ließ, ein zusätzlicher freier Parameter in den Gleichungen der GR erschien. Wenn dieser Parameter auf einen bestimmten Wert gesetzt wird, ergeben die Gleichungen tatsächlich das statische Universum, das damals erwartet wurde! Demzufolge nannte er diesen zusätzlichen Parameter die "kosmologische Konstante".

    Offensichtlich war dies eine eher ad hoc-Lösung für ein nur scheinbares Problem (das besonders unnötig wurde, als Beweise zeigten, dass das Universum nicht statisch war). Nach Gamow nannte Einstein später diesen Trick "sein größter Fehler". Das gesagt, wissen wir nun auch, dass leerer Raum, ohne "gewöhnliche" (oder sogar exotische) Materie und Energie, immer noch die Vakuumfluktuationen enthalten muss, die von der Quantenfeldtheorie vorhergesagt werden. Mit anderen Worten, enthält auch "leerer" Raum immer noch Energie und muss daher nicht flach sein. Dies (sozusagen) rechtfertigt die Verwendung des kosmologischen Parameters; in dieser Interpretation würde er die "Vakuumenergiedichte" darstellen, die durch Quantenfluktuationen verursacht wird, und verwandelt die kosmologische Konstante in eine bestimmte Art von dunkler Energie. Aus dieser Sichtweise war die Einführung der kosmologischen Konstante kein Fehler - eher wie das zufällige Entdecken eines notwendigen, sogar entscheidenden zusätzlichen Parameters in den Gleichungen der GR und dementsprechend auch in den Gleichungen der BBT.

d) Zusammenfassung: Parameter der Urknall-Theorie

Wie jede physikalische Theorie benötigt auch die BBT Parameter. Aus dem, was wir bisher festgestellt haben, ergeben sich

  • Die Krümmung des Raumes. Wie wir oben diskutiert, ist dies entweder positiv (geschlossen), negativ (offen) oder null (flach).
  • Der Skalierungsfaktor. Eines der ersten Dinge, die man beim Studium der Kosmologie bemerkt, ist, dass die Messung des absoluten Werts einer bestimmten Größe extrem herausfordernd sein kann. Vielmehr sind die meisten Größen, die Kosmologen zu messen versuchen, eigentlich Verhältnisse. Der Skalierungsfaktor ist das Verhältnis zwischen der aktuellen „Größe" des Universums und der Größe des Universums zu einem bestimmten Zeitpunkt in der Vergangenheit oder Zukunft („Größe" wird hier so definiert, wie es für eine gegebene Krümmung angemessen ist). Offensichtlich ist dieser Parameter heute gleich eins und für ein expandierendes Universum zu jedem Zeitpunkt in der Vergangenheit kleiner als eins.
  • Der Hubble-Parameter. Dieser wird oft mit der „Hubble-Konstante" verwechselt. Zum Teil liegt dies an einem Relikt aus Hubbels ursprünglicher Arbeit zur Demonstration der Expansion des Universums, wo er lediglich ein Anpassungsparameter war, um Geschwindigkeit in Distanz umzurechnen. In der modernen Verwendung bezieht sich dieser Begriff nur auf den aktuellen Wert; tatsächlich variiert diese Größe über die Zeit. Formal misst der Hubble-Parameter die Änderungsrate des Skalierungsfaktors zu einem gegebenen Zeitpunkt (die Ableitung des Skalierungsfaktors, normiert durch den aktuellen Wert). Ein einfacherer Weg, dies zu verstehen, ist, dass der Hubble-Parameter angibt, wie schnell sich das Universum zu einem bestimmten Zeitpunkt ausdehnt.
  • Der Abbremsungsparameter. In einem Universum, das nur aus Materie besteht, würde die Expansion des Universums durch die Eigengravitation der Materie verlangsamt, möglicherweise sogar genug, um den Kollaps des Universums zu verursachen. Dies bedeutet, dass sich die Expansionsrate (der Hubble-Parameter) ändern würde und der Abbremsungsparameter diese Änderungsrate quantifizierte (die zweite Ableitung des Skalierungsfaktors, für diejenigen, die dies verfolgen). Der erste Hinweis darauf, dass Dunkle Energie für die Kosmologie wichtig ist, kam mit der Entdeckung, dass der Abbremsungsparameter nicht negativ war (wie erwartet), sondern tatsächlich positiv. Daher wurde die Expansion statt zu verlangsamen, tatsächlich beschleunigt. Ironischerweise hat dies dazu geführt, dass Kosmologen diesen Parameter größtenteils zugunsten der nächsten Gruppe von Parametern ignorieren.
  • Komponentendichten. Sehr einfach hier; wie viel Strahlung, Materie (baryonische und dunkle) und dunkle Energie gibt es im Universum? Diese Dichten werden üblicherweise als Verhältnisse zwischen der Dichte in einer bestimmten Komponente und der Dichte ausgedrückt, die erforderlich wäre, um die Krümmung des Universums flach zu machen. Wenn man die Werte dieser Dichten und den Hubble-Parameter zu einem bestimmten Zeitpunkt kennt, kann man den Wert des Abbremsungsparameters bestimmen; daher das Verschwinden dieses Parameters aus einem großen Teil der kosmologischen Literatur in den letzten Jahren.
  • Zustandsgleichung der Dunklen Energie. Wie oben erwähnt, sind für Strahlung und Materie die Zustandsgleichungen durch bekannte Physik bestimmt. Für dunkle Energie sind die Daten jedoch noch nicht in der Lage, ein bevorzugtes Modell auszuwählen. Daher behandeln die meisten Papiere in der Literatur die Zustandsgleichung der dunklen Energie als einen freien Parameter (möglicherweise zeitabhängig, je nach Modell) oder wählen explizit einen Wert als vorherige Einschränkung (siehe unten).

Dies scheint eine lange Liste von Parametern zu sein – so viele, dass man argumentieren könnte, jede Theorie mit so vielen Reglern könnte auf jede Menge von Beobachtungen abgestimmt werden. Wie oben erwähnt, sind sie jedoch nicht wirklich unabhängig. Die Wahl eines Wertes für den Hubble-Parameter beeinflusst sofort die erwarteten Werte für die Dichten und den Abbremsungsparameter. Ebenso wird eine andere Mischung von Komponenten-Dichten die Art und Weise verändern, wie sich der Hubble-Parameter über die Zeit verändert. Darüber hinaus gibt es eine große Vielfalt an kosmologischen Beobachtungen zu machen – Beobachtungen mit völlig unterschiedlichen Methoden, Empfindlichkeiten und systematischen Verzerrungen. Ein konsistentes Modell muss alle verfügbaren Daten abdecken, und in den letzten zehn Jahren der Kosmologie hat die Kombination dieser Experimente zu dem geführt, was als „Konsistenzmodell" bezeichnet wurde.

Dieses grundlegende Bild basiert auf dem Rahmen des sogenannten "Lambda CDM"-Modells. Das Lambda zeigt die Einbeziehung von dunkler Energie in das Modell an (speziell die kosmologische Konstante, die eine Zustandsgleichung impliziert, bei der der Druck gleich -1 mal der Energiedichte ist). "CDM" ist die Abkürzung für "kalte dunkle Materie". Somit umfasst der Name des Modells, was als die beiden wichtigsten Komponenten des Universums gilt: dunkle Energie und dunkle Materie. Die jeweiligen Häufigkeiten dieser beiden Komponenten und der dritten wichtigen Komponente, baryonische (oder "gewöhnliche") Materie, sind im untenstehenden Kreisdiagramm dargestellt (gestellt vom NASA/WMAP Science Team):

Contents of the universe

Wie oben erwähnt, stammen diese Werte aus der gleichzeitigen Anpassung der Daten von einer Vielzahl kosmologischer Beobachtungen, was unser nächstes Thema ist.

2) Beweise

Nachdem wir die grundlegenden Ideen und den Sprachgebrauch der BBT etabliert haben, können wir nun untersuchen, wie die Daten mit dem, was wir von der Theorie erwarten, übereinstimmen. Wie wir am Ende des letzten Abschnitts erwähnt haben, gibt es kein einzelnes Experiment, das für alle Aspekte der BBT sensitiv ist. Vielmehr liefert jede gegebene Beobachtung Einblicke in eine Kombination von Parametern und Aspekten der Theorie, und wir müssen die Ergebnisse verschiedener Forschungsansätze kombinieren, um das klarste mögliche globale Bild zu erhalten. Dieser Ansatz wird am deutlichsten in den beiden letzten Abschnitten sichtbar, in denen wir die Evidenz für die beiden exotischsten Aspekte der aktuellen BBT diskutieren: Dunkle Materie und Dunkle Energie.

a) Großräumige Homogenität

Zurück zu unserer ursprünglichen Diskussion der BBT, eine der zentralen Annahmen bei der Herleitung der BBT aus der GR war, dass das Universum in einem gewissen Maßstab homogen ist. Auf kleinen Skalen, auf denen wir Planeten, Sterne und Galaxien antreffen, ist diese Annahme offensichtlich nicht wahr. Daher würden wir nicht erwarten, dass die Gleichungen, die die BBT regeln, eine sehr gute Beschreibung des Verhaltens dieser Systeme darstellen. Allerdings wird die Annäherung an die Realität desto besser, je größer der betrachtete Maßstab wird – bis hin zu wirklich riesigen Skalen – hunderten von Millionen Lichtjahren.

Als Beispiel betrachten wir das untenstehende Diagramm, das Galaxien aus der Las Campanas Redshift Survey (gestellt von Ned Wright) zeigt. Jeder Punkt repräsentiert eine Galaxie (ungefähr 20.000 in der gesamten Umfrage), bei der sowohl die Position am Himmel als auch die Rotverschiebung gemessen und in eine Position im Universum übersetzt wurde. Stellen Sie sich vor, Sie legen viele Kreise einer festen Größe auf dieses Diagramm und zählen, wie viele Galaxien sich in jedem Kreis befinden. Wenn Sie eine kleine Öffnung verwenden (wobei „klein" alles unterhalb von zehn Millionen Lichtjahren bedeutet), dann wird sich die Anzahl der Galaxien in einem beliebigen Kreis im Vergleich zur durchschnittlichen Anzahl der Galaxien in allen Kreisen stark schwanken: einige Kreise werden völlig leer sein, während andere mehr als ein Dutzend enthalten könnten. Auf der anderen Seite, wenn Sie große Kreise verwenden (und innerhalb der Grenzen bleiben!), endet die Variation von Kreis zu Kreis als recht klein im Vergleich zur durchschnittlichen Anzahl der Galaxien in jedem Kreis. Das ist das, was Kosmologen meinen, wenn sie sagen, dass das Universum homogen ist. Ein noch stärkerer Fall für Homogenität kann mit dem CMBR gemacht werden, den wir unten diskutieren werden.

Las Campanas Redshift Survey

b) Hubble-Diagramm

Die grundlegende Idee eines expandierenden Universums ist die Vorstellung, dass der Abstand zwischen zwei beliebigen Punkten im Laufe der Zeit zunimmt. Eine der Konsequenzen dieses Effekts ist, dass die Wellenlänge von Licht, das sich durch diesen expandierenden Raum bewegt, ebenfalls gedehnt wird. Im optischen Bereich des elektromagnetischen Spektrums hat rotes Licht eine längere Wellenlänge als blaues Licht, daher bezeichnen Kosmologen diesen Prozess als Rotverschiebung. Je länger Licht durch expandierenden Raum reist, desto stärker erfährt es eine Rotverschiebung. Daher sagt uns das BBT, dass die für Licht von einem weit entfernten Objekt beobachtete Rotverschiebung mit dem Abstand zu diesem Objekt zusammenhängen sollte. Diese eher elegante Schlussfolgerung wird etwas komplizierter durch die Frage, was man genau mit "Abstand" in einem expandierenden Universum meint (siehe den Abschnitt Many Distances in Ned Wrights Kosmologie-Tutorial für eine Übersicht darüber, was "Abstand" im BBT bedeuten kann), aber die grundlegende Idee bleibt gleich.

Der kosmologische Rotverschiebungseffekt wird oft irreführend mit dem Phänomen verwechselt, das als Doppler-Effekt bekannt ist. Dies ist die Änderung der Wellenlänge (entweder für Schall oder Licht), die man aufgrund der relativen Bewegung zwischen Beobachter und Schall-/Lichtquelle wahrnimmt. Das am häufigsten zitierte Beispiel für diesen Effekt ist die Tonhöhenänderung, wenn ein Zug auf den Beobachter zu kommt und ihn dann passiert; während sich der Zug nähert, steigt die Tonhöhe, gefolgt von einem schnellen Abfall, wenn sich der Zug weiter entfernt. Da die Expansion des Universums wie eine Art relative Bewegung erscheint und wir aus der obigen Diskussion wissen, dass wir rotverschobene Photonen beobachten sollten, ist es verlockend, den kosmologischen Rotverschiebungseffekt als eine weitere Manifestation des Doppler-Effekts darzustellen. Tatsächlich war die anfängliche Interpretation von Edwin Hubble, als er erstmals Messungen der Expansion des Universums durchführte, in Bezug auf eine reale, physikalische Bewegung der Galaxien; daher die Einheiten der Hubble-Konstante: Kilometer pro Sekunde pro Megaparsec.

In der Realität ist die "Bewegung" entfernter Galaxien jedoch keine echte Bewegung wie Sterne, die um das Zentrum unserer Galaxie kreisen, die Erde um die Sonne oder sogar jemand, der durch den Raum läuft. Vielmehr dehnt sich der Raum aus und nimmt die Galaxien mit auf die Fahrt. Dies lässt sich aus der Formel zur Berechnung der Rotverschiebung einer gegebenen Quelle erkennen. Die Rotverschiebung (z) steht im Verhältnis zum Quotienten der beobachteten Wellenlänge (W_O) und der emittierten Wellenlänge des Lichts (W_E) wie folgt: 1 + z = W_O/W_E. Die Wellenlänge des Lichts dehnt sich mit derselben Geschwindigkeit aus wie das Universum, sodass wir auch wissen, dass: 1 + z = a_O/a_E, wobei a_O der aktuelle Wert des Skalenfaktors ist (meistens auf 1 gesetzt) und a_E der Wert des Skalenfaktors zum Zeitpunkt der Lichtemission. Wie man sieht, ist die Geschwindigkeit in diesen Gleichungen nicht vorhanden, was unsere frühere Behauptung bestätigt. Weitere Details zu diesem Punkt finden Sie unter The Cosmological Redshift Reconsidered. Wenn man darauf besteht (und sehr genau darauf achtet, was man genau mit "Entfernung" und "Geschwindigkeit" meint), ist das Verständnis der kosmologischen Rotverschiebung als Dopplerverschiebung möglich, aber (um Gründe, die wir im nächsten Abschnitt behandeln werden) ist dies nicht die übliche Interpretation.

Wie bereits erwähnt, bestand auch nach der Entwicklung der Allgemeinen Relativitätstheorie durch Einstein der Konsens in der Astronomie darin, dass das Universum statisch sei und für immer bestanden habe. Im Jahr 1929 jedoch führte Edwin Hubble eine Reihe von Messungen am Mount Wilson Observatory in der Nähe von Pasadena, Kalifornien, durch. Unter Verwendung von Cepheid-Variablensternen in einer Reihe von Galaxien stellte Hubble fest, dass die Rotverschiebung (die er, wie oben erwähnt, als Geschwindigkeit interpretierte) ungefähr proportional zur Entfernung war. Diese Beziehung wurde als Hubbles Gesetz bekannt und löste eine Reihe theoretischer Arbeiten aus, die schließlich zur modernen Urknalltheorie (BBT) führten.

Auf den ersten Blick scheint es einfach zu sein, ein Hubble-Diagramm zu erstellen und den Wert der Hubble-Konstante zu bestimmen. In der Praxis ist dies jedoch nicht der Fall. Die Messung der Entfernung zu Galaxien (und anderen astronomischen Objekten) ist niemals einfach. Wie oben erwähnt, ist die einzige Datenquelle, die wir vom Universum haben, Licht; stellen Sie sich die Schwierigkeit vor, die Entfernung zu einer Person auf der Straße genau zu schätzen, ohne zu wissen, wie groß sie ist, oder ohne Ihren Kopf bewegen zu können. Allerdings haben Astronomen durch eine Kombination aus Geometrie, Physik und Statistik eine Reihe sich gegenseitig ergänzender Methoden entwickelt, die als Entfernungsleiter bekannt sind und relativ zuverlässig sind. Die TO FAQ zur Bestimmung astronomischer Entfernungen bietet eine ausführliche Übersicht über diese Methoden, ihre Anwendbarkeit und ihre Grenzen.

Umgekehrt ist die andere Seite der Gleichung, die Rotverschiebung, angesichts der heutigen astronomischen Hardware relativ einfach zu messen. Leider enthält der gemessene Wert der Rotverschiebung einer Galaxie mehr als nur die kosmologische Rotverschiebung. Wie Sterne und Planeten haben Galaxien reale Bewegungen in Reaktion auf ihre lokale gravitative Umgebung: andere Galaxien, Galaxienhaufen und so weiter. Diese Bewegung wird im kosmologischen Sprachgebrauch als Eigengeschwindigkeit bezeichnet und erzeugt über den Dopplereffekt eine damit verbundene Rotverschiebung (oder Blauverschiebung!). Bei relativ nahen Galaxien kann die Amplitude dieses Effekts die kosmologische Rotverschiebung leicht übersteigen. Das auffälligste Beispiel hierfür ist die Andromedagalaxie innerhalb unseres eigenen Lokalen Gruppen. Obwohl sie etwa 2 Millionen Lichtjahre entfernt ist, befindet sie sich auf einer Kollisionsbahn mit der Milchstraße, und das Licht von Andromeda wird folglich zum blauen Ende des Spektrums verschoben, nicht zum roten. Die Konsequenz dieser Komplikation ist, dass wir, wenn wir den Hubble-Parameter messen wollen, Galaxien betrachten müssen, die weit genug entfernt sind, sodass die kosmologische Rotverschiebung größer ist als die Effekte der Eigengeschwindigkeiten. Dies setzt eine untere Grenze von etwa 30 Millionen Lichtjahren. Und selbst wenn wir diesen Punkt überschreiten, benötigen wir eine große Anzahl von Objekten, um sicherzustellen, dass sich die Effekte der Eigengeschwindigkeiten gegenseitig aufheben.

Die Kombination dieser beiden Komplikationen erklärt (teilweise), warum es mehrere Jahrzehnte gedauert hat, bis die besten Messungen der Hubble-Konstante zu einem Konsenswert konvergieren. Mit den aktuellen Datensätzen ist die nahezu lineare Natur der Hubble-Beziehung, wie in der untenstehenden Abbildung gezeigt (basierend auf Daten von Riess (1996); bereitgestellt von Ned Wright), sehr deutlich.

Hubble diagram

Wie früher erwähnt, ging die Standardversion des BBT davon aus, dass die dominante Energie-Dichte-Quelle für die letzten Milliarden Jahre kalte, dunkle Materie war. Wenn man diese Annahme in die Gleichungen einsetzt, die die Expansion des Universums regeln, erwarteten Kosmologen, dass die Expansion mit der Zeit verlangsamt würde. Allerdings deuteten Messungen der Hubble-Beziehung mit weit entfernten Supernovae im Jahr 1998 darauf hin, dass das Gegenteil der Fall war. Statt sich zu verlangsamen, hat sich die Expansion des Universums in den letzten Milliarden Jahren apparently beschleunigt (Riess 1998; neuere Messungen: Wang 2003, Tonry 2003). Im Wesentlichen wurde beobachtet, dass das Licht der beobachteten Supernovae schwächer war als erwartet, wenn man ihre Entfernung unter Verwendung des Hubble-Gesetzes berechnet.

Im Rahmen des Standard-BBB gibt es mehrere Möglichkeiten, diese Art von Beobachtung zu erklären. Die einfachste Möglichkeit ist, dass die Geometrie des Universums offen ist (negative Krümmung). In einem solchen Universum liegt die Materiedichte unter dem kritischen Wert, und die Expansion wird bis dahin weitergehen, bis die effektive Energiedichte des Universums null ist. Die zweite Möglichkeit ist, dass die weit entfernten Supernovae künstlich abgedunkelt wurden, als das Licht von ihren Heimatgalaxien zu Beobachtern hier auf der Erde reiste. Diese Art der Absorption durch interstellaren Staub ist ein häufiges Problem bei Beobachtungen, bei denen man durch die Scheibe unserer eigenen Galaxie hindurchsehen muss, sodass man sich leicht etwas Ähnliches vorstellen könnte. Diese Absorption ist jedoch normalerweise wellenlängenabhängig, und die beiden Teams, die die weit entfernten Supernovae untersuchten, stellten keinen solchen Effekt fest. Zum Zwecke der Argumentation könnte man jedoch postulieren, dass es einen „grauen Staub" gibt, der Objekte bei allen Wellenlängen gleichmäßig abdunkelt. Die letzte Möglichkeit ist, dass das Universum eine Form von dunkler Energie enthält (siehe Abschnitte 1c und 2n). Dies würde die Expansion beschleunigen, könnte aber die Geometrie flach halten.

Bei Rotverschiebungen unterhalb von Eins (z < 1) sind diese Möglichkeiten angesichts der verfügbaren Messgenauigkeit alle grob nicht unterscheidbar. Allerdings gibt es bei einem Universum mit einer Mischung aus dunkler Materie und dunkler Energie einen Übergangspunkt von der Dominanz der ersteren zur letzteren (genau wie der Übergang zwischen der Strahlungs- und der Materiedominanz vor der Entstehung der kosmischen Hintergrundstrahlung). Vor dieser Zeit war die dunkle Materie dominant, sodass die Expansion verlangsamt sein sollte und erst dann zu beschleunigen begann, wenn die Dichte der dunklen Energie die der Materie überstieg. Dieser sogenannte kosmische Stoß impliziert, dass Supernovae vor diesem Zeitpunkt merklich heller sein sollten, als man es von einem offenen Universum (konstante Verlangsamung) oder einem Universum mit grauem Staub (konstantes Verdunkeln) erwarten würde. Neue Messungen bei Rotverschiebungen weit oberhalb von Eins haben gezeigt, dass dieser „Stoß" tatsächlich das ist, was wir sehen – vor etwa 8 Milliarden Jahren wechselte unser Universum von einer langsamen Verlangsamung zu einer beschleunigten Expansion, genau wie von dunkler-Energie-Modellen vorhergesagt (Riess 2004).

c) Häufigkeit leichter Elemente

Wie wir zuvor erwähnt haben, umfasst das Standard-Big-Bang-Modell nicht den Anfang unseres Universums. Vielmehr verfolgt es das Universum lediglich bis zu einem Zeitpunkt, an dem es extrem heiß und extrem dicht war. Wie heiß und wie dicht es sein konnte und dabei noch durch die Allgemeine Relativitätstheorie (GR) angemessen beschrieben werden kann, ist ein Bereich aktiver Forschung, aber wir können sicher bis zu Temperaturen und Dichten zurückgehen, die weit über denen liegen, die man im Kern der Sonne finden würde.

In diesem Grenzfall waren die Temperaturen und Dichten hoch genug, dass Protonen und Neutronen als freie Teilchen existierten, nicht in Atomkernen gebunden. Dies war die Ära der primordialen Nukleosynthese, die den Großteil der ersten drei Minuten des Bestehens unseres Universums umfasste (daher der Titel von Weinbergs berühmtem Buch "The First Three Minutes"). Eine detaillierte Beschreibung der Big-Bang-Nukleosynthese (BBN) findet sich auf der Website von Ned Wright, einschließlich der relevanten Kernreaktionen, Diagramme und Referenzen. Für unsere Zwecke reicht eine kurze Einführung aus.

Wie im Kern unserer Sonne unterlagen die freien Protonen und Neutronen im frühen Universum einer Kernfusion und erzeugten vor allem Heliumkerne (He-3 und He-4), mit einem Hauch von Deuterium (eine Form von Wasserstoff mit einem Proton-Neutron-Kern), Lithium und Beryllium. Im Gegensatz zu denen in der Sonne dauerten diese Reaktionen nur kurze Zeit, da sich die Temperatur und Dichte des Universums aufgrund seiner Expansion schnell verringerten. Dies bedeutet, dass schwereren Kernen während dieser Zeit keine Chance zur Bildung blieb. Stattdessen bildeten sich diese Kerne später in Sternen. Elemente mit Atomnummern bis zum Eisen entstehen durch Fusion in Sternkernen, während schwerere Elemente während Supernovae produziert werden. Weitere Informationen zur stellaren Nukleosynthese finden Sie auf den Wikipedia-Seiten und in Abschnitt 2g unten.

Ausgerüstet mit dem Standard-Modell des Urknalls (diesmal einfacher, da wir wissen, dass die Expansion zu dieser Zeit von der Strahlung dominiert wurde) und etwas Kernphysik können Kosmologen sehr präzise Vorhersagen über die relative Häufigkeit der leichten Elemente aus der primordialen Nukleosynthese (BBN) treffen. Wie beim Hubble-Diagramm ist es jedoch leichter gesagt als getan, die Vorhersage mit der Beobachtung in Einklang zu bringen. Die Elementhäufigkeiten können auf verschiedene Weise gemessen werden, aber die häufigste Methode besteht darin, die relative Stärke von Spektrallinien in Sternen und Galaxien zu untersuchen. Sobald die Häufigkeit gemessen wurde, haben wir jedoch ein ähnliches Problem wie bei den Eigenbewegungen im vorherigen Abschnitt: Wie viel des Elements wurde während der BBN erzeugt und wie viel wurde später während der stellaren Nukleosynthese gebildet?

Um diesem Problem zu begegnen, verwenden Kosmologen zwei Ansätze:

  • Deuterium: Von den Elementen, die während der primordialen Nukleosynthese (BBN) produziert wurden, hat Deuterium bei weitem die niedrigste Bindungsenergie. Infolgedessen wird Deuterium, das in Sternen produziert wird, in anderen Reaktionen sehr schnell verbraucht, und jedes Deuterium, das wir im Universum beobachten, ist sehr wahrscheinlich primordial. Der Nachteil dieses Ansatzes besteht darin, dass primordiales Deuterium auch in den äußeren Schichten von Sternen zerstört werden kann, was zu einer Unterschätzung der Gesamtmenge führt. Es gibt jedoch andere Methoden (wie das Beobachten des Lyman-alpha-Waldes in der Region entfernter Quasare), die diese Probleme vermeiden.
  • Tief blicken: Man kann versuchen, Sterne und Gaswolken zu beobachten, die sehr weit entfernt sind. Dank der endlichen Lichtgeschwindigkeit ist je größer der Abstand zwischen dem Objekt und den Beobachtern hier auf der Erde, desto älter das Bild. Indem man also Sterne und Gaswolken sehr weit entfernt beobachtet, kann man sie zu einer Zeit sehen, als der Gehalt an schweren Elementen viel niedriger war. Wenn man weit genug zurückgeht, würde man schließlich eine Epoche erreichen, in der noch keine vorherigen Sterne Zeit hatten, sich zu bilden, und somit die Elementhäufigkeiten auf ihrem primordialen Niveau waren. Derzeit können wir nicht so weit zurückblicken. Diese Objekte würden sehr hohe Rotverschiebungen aufweisen, wodurch das Licht in den Infrarotbereich fällt, wo Beobachtungen von der Erde aus durch atmosphärische Effekte sehr erschwert werden. Ebenso macht die große Distanz sie extrem schwach, was unsere Probleme weiter verschärft. Beide dieser Probleme sollten sich erheblich verbessern, wenn das James-Webb-Weltraumteleskop in Betrieb genommen wird. Was wir können, ist derzeit ältere Sterne zu beobachten, ihre Elementhäufigkeiten zu messen und rückwärts zu extrapolieren.

Wie die meisten Vorhersagen der BBT hängt die Häufigkeit der primordialen Elemente von mehreren Parametern ab. Die wichtigsten in diesem Fall sind der Hubble-Parameter (die Expansionsgeschwindigkeit bestimmt, wie schnell das Universum von heiß und dicht genug für die Nukleosynthese zu kalt und dünn genug für das Ende desselben wird) und die Baryondichte (damit Nukleosynthese stattfinden kann, müssen sich Baryonen kollidieren, und die Dichte sagt uns, wie oft dies geschah). Die Abhängigkeit von beiden Parametern wird allgemein als eine einzige Abhängigkeit vom kombinierten Parameter OmegaB h2 ausgedrückt (wie in der untenstehenden Abbildung zu sehen, bereitgestellt von Ned Wright).

Abundance of light elements

Wie diese Abbildung impliziert, gibt es eine zweifache Überprüfung der Theorie. Erstens sollten Messungen der verschiedenen elementaren Häufigkeiten einen konsistenten Wert für OmegaB h2 ergeben (der Schnittpunkt der horizontalen Bänder und der verschiedenen Linien). Zweitens sollten unabhängige Messungen von OmegaB h2 aus anderen Beobachtungen (wie die WMAP-Ergebnisse in 2e) einen Wert ergeben, der mit dem aus den primordialen Häufigkeiten abgeleiteten Wert übereinstimmt (das vertikale Band). Beide Ansätze wurden in der Vergangenheit verwendet; vor den präzisen Ergebnissen von WMAP für die Baryondichte wurde häufiger der erste Ansatz angewendet. Für eine detaillierte Darstellung des Kenntnisstands im Jahr 1997 schauen Sie sich Big Bang Nucleosynthesis Enters the Precision Era an.

Eine der wichtigsten Belege für die Urknalltheorie sind konsistente Beobachtungen, die zeigen, dass die Häufigkeit der meisten schweren Elemente bei Betrachtung immer älterer Objekte immer kleiner wird und asymptotisch gegen Null strebt. Im Gegensatz dazu nähert sich die Häufigkeit von Helium einem nicht-null Grenzwert. Die Messungen zeigen konsistent, dass die Häufigkeit von Helium, selbst in sehr alten Objekten, immer noch etwa 25 % der Gesamtmasse von „normalem" Materie ausmacht. Dies stimmt gut mit dem Wert überein, den die BBT für die Produktion von He während der primordialen Nukleosynthese vorhersagt. Für weitere Details siehe Olive 1995 oder Izotov 1997. Schauen Sie sich auch das Diagramm unten an, das die Vorhersage der BBT mit der des Steady-State-Modells vergleicht (Daten entnommen aus Turck-Chieze 2004, Diagramm bereitgestellt von Ned Wright).

Abundance of helium vs. oxygen

Neuere Berechnungen sowie Verweise auf aktuelle Beobachtungen finden sich in Mathews (2005). In früheren Studien gab es einige Probleme mit Galaxien, die offensichtlich sehr geringe Heliumgehalte aufwiesen (speziell I Zw 18); dieses Problem wurde inzwischen bearbeitet und gelöst (vgl. Luridiana 2003).

d) Existenz der kosmischen Mikrowellenhintergrundstrahlung

Obwohl Kerne während der BBN entstanden, existierten Atome, wie wir sie uns normalerweise vorstellen, noch nicht. Stattdessen war das Universum mit einem sehr heißen, dichten Plasma aus freien Kernen und Elektronen gefüllt. In einer solchen Umgebung kann Licht nicht frei reisen – Photonen streuen ständig an geladenen Teilchen. Ebenso würde jedes Kern, das sich an ein Elektron bindet, schnell auf ein Photon stoßen, das genug Energie besitzt, um die Bindung zu brechen.

Wie bei der Ära der BBN jedoch würde das Universum nicht heiß und dicht genug bleiben, um diesen Zustand aufrechtzuerhalten. Schließlich (nach etwa 400.000 Jahren) kühlte sich das Universum auf einen Punkt ab, an dem Elektronen und Kerne Atome bilden konnten (ein Prozess, der verwirrend als „Rekombination" beschrieben wird). Da Atome elektrisch neutral sind und nur mit Photonen bestimmter Energien wechselwirken, konnten die meisten Photonen plötzlich viel größere Entfernungen zurücklegen, ohne mit irgendeiner Materie zu interagieren (dieser Teil des Prozesses wird allgemein als „Entkopplung" beschrieben). Tatsächlich wurde das Universum durchsichtig, und die Photonen, die zu dieser Zeit vorhanden waren, bewegen sich seitdem frei durch das gesamte Universum. Und da sich das Universum seit dieser Zeit stark ausgedehnt hat, wurden die Wellenlängen dieser Photonen stark gedehnt (um etwa einen Faktor von 1000).

Aus diesem grundlegenden Bild können wir zwei sehr starke Vorhersagen für diese Reliktstrahlung treffen:

  • Es sollte hochgradig homogen sein. Eine der Grundannahmen des BBT ist, dass das Universum homogen ist und, angesichts der Zeit zwischen dem Beginn des Universums und der Entkopplung, jede Inhomogenität (wie die von der Inflation erwarteten) nicht viel Zeit gehabt hätte, zu wachsen.
  • Es sollte ein Schwarzkörperspektrum aufweisen. Wie wir zuvor sagten, war das Universum vor der Entkopplung voll von Plasma und Photonen streuten ständig an der gesamten ionisierten Materie. Dies macht das Universum zu einem perfekten Absorber; keine Photonen konnten das Universum verlassen, sodass sie das gesamte Universum (oder zumindest den Teil, der kausal verbunden war) in thermisches Gleichgewicht brachten. In diesem Sinne können wir das Universum tatsächlich als eine einzigartige Temperatur aufweisend beschreiben. In der klassischen Thermodynamik haben Photonen, die von einem Schwarzen Körper bei einer gegebenen Temperatur emittiert werden, eine sehr spezifische Energieverteilung, und wie Tolman 1934 zeigte, bleibt ein Schwarzkörperspektrum ein Schwarzkörperspektrum (wenn auch bei einer niedrigeren Temperatur), während es rotverschoben wird.

Die Existenz dieser Reliktstrahlung wurde erstmals 1948 von Gamow zusammen mit Alpher und Herman vorgeschlagen. Ihre anfänglichen Vorhersagen stellten korrekt fest, dass die Temperatur der Strahlung, die beim Entkopplungsvorgang sichtbares Licht gewesen wäre, zu diesem Zeitpunkt in den Mikrowellenbereich des elektromagnetischen Spektrums verschoben worden sei. Dies, kombiniert mit der Tatsache, dass die Quelle der Strahlung sie „hinter“ normale Lichtquellen wie Sterne und Galaxien platzierte, gab diesem Relikt seinen Namen: die Kosmische Mikrowellenhintergrundstrahlung (CMBR oder, äquivalent, einfach CMB).

Während sie in den großen Zügen richtig lagen, waren die Schätzungen von Gamow, Alpher & Herman für die exakte Temperatur nicht so präzise. Der anfängliche Bereich lag irgendwo zwischen 1 K und 5 K, wobei etwas unterschiedliche Modelle für das Universum verwendet wurden (Alpher 1949). In einem späteren Buch schob Gamow diese Schätzung sogar bis auf 50 K hoch. Die besten heutigen Schätzungen setzen die Temperatur auf 2,725 K (Mather 1999). Obwohl dies als eine große Diskrepanz erscheinen mag, ist es wichtig zu bedenken, dass die Vorhersage stark von einer Reihe kosmologischer Parameter abhängt (insbesondere der Hubble-Konstante), die zu dieser Zeit noch nicht sehr genau bekannt waren. Wir werden auf diesen Punkt weiter unten zurückkommen, aber lassen Sie uns einen Moment innehalten, um die Messungen zu besprechen, die zum aktuellen Wert führten (Ned Wrights CMB-Seite ist ebenfalls lesenswert für mehr Details zur frühen Geschichte der CMBR-Messungen).

Der erste absichtliche Versuch, die CMBR zu messen, wurde 1965 von Dicke und Wilkinson unternommen, mit einem Instrument, das auf dem Dach des Physikdepartments der Princeton University montiert war. Während sie noch an ihrem Experiment arbeiteten, wurden sie unbeabsichtigt von zwei Ingenieuren von Bell Labs überholt, die an der Mikrowellenübertragung als Kommunikationsmittel arbeiteten. Penzias und Wilson hatten einen Mikrowellenempfänger gebaut, konnten jedoch ein anhaltendes Hintergrundrauschen nicht eliminieren, das den Empfänger zu beeinflussen schien, wohin sie ihn auch richteten, Tag oder Nacht. Nach Kontakt mit Dicke um Rat zum Problem erkannten sie, was sie beobachtet hatten, und erhielten schließlich 1978 den Nobelpreis für Physik. Weitere Details zur Entdeckung sind hier verfügbar.

Seitdem haben sich die Messungen der Temperatur und der Energieverteilung der CMBR dramatisch verbessert. Die Messung der CMBR vom Boden aus ist schwierig, da Mikrowellenstrahlung stark von Wasserdampf in der Atmosphäre absorbiert wird. Um dieses Problem zu umgehen, haben Kosmologen Hochgebirgsballons, ballistische Raketen und satellitengestützte Experimente eingesetzt. Das bekannteste Experiment, das sich auf die Temperatur der CMBR konzentrierte, war der COBE-Satellit (COsmic Background Explorer). Er umkreiste die Erde und sammelte Daten von 1989 bis 1993.

COBE war tatsächlich mehrere Experimente in einem. Das DMR-Instrument maß die Anisotropien der CMBR-Temperatur über den Himmel hinweg (siehe mehr darunter), während das FIRAS-Experiment die absolute Temperatur der CMBR und ihre spektrale Energiedistribution maß. Wie wir oben erwähnt haben, sagt die BBT voraus, dass die CMBR ein perfektes Schwarzkörperstrahler sein sollte. FIRAS fand heraus, dass dies in einem außerordentlichen Maße zutrifft. Das Diagramm unten (von Ned Wright bereitgestellt) zeigt das CMBR-Spektrum und die beste Anpassung an ein Schwarzkörperspektrum. Wie man sehen kann, sind die Fehlerbalken, die recht klein sind, tatsächlich 400 Standardabweichungen. Tatsächlich ist die CMBR so nah an einem Schwarzkörper wie etwas, das wir hier auf der Erde erzeugen können.

Spectrum of the CMBR

In vielen alternativen Kosmologiequellen wird die Behauptung aufgestellt, dass die CMBR keine echte Vorhersage der BBT war, sondern vielmehr eine "Retrodiction", da die von Gamow vor der Messung vorhergesagten Werte für die CMBR-Temperatur sich erheblich vom später gemessenen Wert unterschieden. So lautet die Argumentation, der "richtige" Wert könne nur durch Anpassung der Parameter der Theorie an den beobachteten Wert erhalten werden. Dies übersieht zwei entscheidende Punkte:

  • Existenz, nicht Temperatur, ist der Schlüssel. Ohne die BBT (Big Bang-Theorie) gäbe es keinen Grund, eine einheitliche Hintergrundstrahlung mit langen Wellenlängen im Universum zu erwarten. Zwar haben Astronomen wie Eddington vorhergesagt, dass wir Strahlung von interstellarem Staub (absorbiertes Sternenlicht, das als thermische Emission wieder abgestrahlt wird) oder Hintergrundsternen sehen würden. Jedoch führen diese Modelle nicht zu der Art von Einheitlichkeit, die wir im CMBR (kosmische Mikrowellenhintergrundstrahlung) beobachten, und sie erzeugen auch kein Schwarzkörperspektrum (Sterne weisen insbesondere starke Spektrallinien auf, die im CMBR-Spektrum deutlich fehlen). Ähnliche Vorhersagen können für Hintergrundstrahlung in anderen Bereichen des elektromagnetischen Spektrums getroffen werden (z. B. Röntgenhintergrund von weit entfernten Supernovae und Quasaren), und die Verteilung dieser Hintergründe ist bei weitem nicht so einheitlich wie beim CMBR.
  • So funktioniert die Wissenschaft. Keine physikalische Theorie existiert unabhängig von freien Parametern, die durch nachfolgende Beobachtungen bestimmt werden. Dies gilt für die newtonsche Gravitation und die Allgemeine Relativitätstheorie (Newtonsche Konstante), für die Quantenmechanik und die Quantenelektrodynamik (Plancksche Konstante, Elektronenladung) und auch für die Kosmologie. Wie wir oben erwähnt haben, besteht der Test einer Theorie nicht darin, dass sie eine Vorhersage erfüllt. Vielmehr ist der wahre Test, ob das Modell andere Beobachtungen widerspiegeln kann, sobald es an einem Datensatz kalibriert wurde.

Ein letzter Test der kosmologischen Ursprünge der CMBR ergibt sich aus der Beobachtung entfernter Galaxien. Da das Licht dieser Galaxien in der Vergangenheit emittiert wurde, erwarten wir, dass die Temperatur der CMBR zu dieser Zeit entsprechend höher war. Durch die Untersuchung der Lichtverteilung dieser Galaxien können wir eine grobe Messung der Temperatur der CMBR zum Zeitpunkt erhalten, zu dem das Licht emittiert wurde, das wir heute beobachten (z. B. Srianand 2000). Der aktuelle Stand dieser Messung ist in der untenstehenden Grafik dargestellt (gestellt von Ned Wright). Die Präzision dieser Messung ist offensichtlich nicht annähernd so groß wie bei den COBE-Daten, doch sie stimmen mit den grundlegenden Vorhersagen des BBT für die Entwicklung der CMBR-Temperatur in Abhängigkeit vom Rotverschiebungswert überein (und weichen signifikant davon ab, was man für eine CMBR erwarten würde, die aus rotverschobenen Sternenlicht oder ähnlichem generiert wurde).

Changing temperature of the CMBR

e) Schwankungen im CMBR

Wie im vorherigen Punkt erwähnt, ist die Temperatur der CMBR extrem gleichmäßig; die Temperaturunterschiede an verschiedenen Stellen am Himmel liegen unter 0,001 K. Da sich Materie und Strahlung in den frühesten Stadien des Universums eng gekoppelt befanden, impliziert dies, dass die Verteilung der Materie ebenfalls anfänglich gleichmäßig war. Obwohl dies mit unserer grundlegenden kosmologischen Annahme übereinstimmt, führt es zur Frage, wie wir von diesem sehr gleichmäßigen Universum zur deutlich klumpigen Materieverteilung gelangt sind, die wir heute auf kleinen Skalen beobachten. Mit anderen Worten, wie konnten Planeten, Sterne, Galaxien, Galaxienhaufen usw. aus einem im Wesentlichen homogenen Gas entstehen?

Bei der Untersuchung dieser Frage würden Kosmologen zu einer der mächtigsten und spektakulärsten Vorhersagen der BBT gelangen. Bevor wir jedoch die theoretische Seite der Dinge beschreiben, machen wir uns auf eine kurze Abkürzung in die Geschichte der Messung von Schwankungen („Anisotropien" im kosmologischen Sinne) im CMBR.

Der erste Versuch, die Schwankungen im CMBR zu messen, wurde im Rahmen der COBE (COsmic Background Explorer) Mission unternommen. Im Rahmen ihrer vierjährigen Mission in den frühen 1990er Jahren verwendete sie ein Instrument namens DMR, um nach Schwankungen im CMBR über den gesamten Himmel zu suchen. Basierend auf den damals gültigen BBT-Modellen waren die vom DMR beobachteten Schwankungen viel kleiner als erwartet. Da das Instrument mit den erwarteten Schwankungsamplituden entworfen worden war, landeten die Beobachtungen knapp über dem Empfindlichkeitsgrenzwert des Instruments. Dies führte zu Spekulationen, dass das „Signal" lediglich statistisches Rauschen sei, doch es war ausreichend, um eine Reihe nachfolgender Versuche zur Suche nach dem Signal auszulösen.

Da Satellitenbeobachtungen noch in der Zukunft liegen, wurden die Daten für das folgende Jahrzehnt überwiegend mit Ballonexperimenten gesammelt (siehe die Liste im CMBR-Datenzentrum der NASA für eine ausführliche Geschichte). Diese Hochaltitude-Experimente konnten über den Großteil des Wasserdampfes in der Atmosphäre hinaufsteigen, um einen klareren Blick auf den CMBR-Himmel zu ermöglichen, auf Kosten einer relativ geringen Beobachtungszeit. Dies beschränkte den Himmelsbereich, den diese Missionen abdecken konnten, doch sie konnten nachdrücklich beweisen, dass das von COBE beobachtete Signal echt ist und (in geringerem Maße), dass die Schwankungen den Vorhersagen der BBT entsprechen.

Im Jahr 2001 wurde die MAP-Sonde (Microwave Anisotropy Probe) gestartet, später in WMAP umbenannt, zu Ehren von Wilkinson, der Teil des ursprünglichen Teams gewesen war, das in den 1960er Jahren nach der CMBR suchte. Im Gegensatz zu COBE konzentrierte sich WMAP ausschließlich auf die Frage der Messung der CMBR-Schwankungen. Ausgehend von den Erfahrungen und den technologischen Fortschritten, die für die Ballonmissionen entwickelt wurden, verfügte sie über eine viel bessere Winkelauflösung als COBE (siehe das Bild unten vom NASA/WMAP Science Team). Zudem vermied sie eines der Probleme, die die COBE-Mission geplagt hatten: die starke thermische Emission der Erde. Anstatt um die Erde zu orbitieren, unternahm der WMAP-Satellit eine dreimonatige Reise zum L2, dem zweiten Lagrange-Punkt im Erde-Sonne-System. Dieser metastabile Punkt liegt jenseits der Umlaufbahn der Erde um die Sonne, etwa ein Zehntel so weit entfernt wie die Erde von der Sonne. Dort ist er seither, Daten erfassend, stationiert.

Comparsion of the sky maps taken by COBE and WMAP

Im Frühling 2003 wurden die Ergebnisse des ersten Beobachtungsjahres veröffentlicht – und sie waren in ihrer Präzision erstaunlich. Als Beispiel: Seit Jahrzehnten war das Alter des Universums nicht genauer als etwa zwei Milliarden Jahre bekannt. Durch die Kombination der WMAP-Daten mit anderen verfügbaren Messungen知道了 wir plötzlich das Alter des Universums auf weniger als 0,2 Milliarden Jahre genau. Über alle Parameter hinweg, die zuvor mit einer Unsicherheit von 20–30 Prozent bekannt waren, schrumpften die Fehler auf weniger als 10 Prozent oder besser. Für eine ausführlichere Beschreibung, wie die WMAP-Daten unser Verständnis des Urknallmodells beeinflusst haben, siehe die Missionsergebnisse der WMAP-Website. Diese Seite richtet sich an ein Laienpublikum; weitere technische Details finden Sie in ihrer Liste der Papiere des ersten Jahres.

Wie kam es zu diesem erstaunlichen Sprung in der Präzision? Die Antwort liegt in einem besseren Verständnis dessen, was zwischen der Zeit, als Materie und Strahlung gleiche Energiedichten aufwiesen, und dem Zeitpunkt der Entkopplung geschah. Eine ausführlichere Beschreibung findet sich auf den Seiten von Wayne Hu zum CMB-Anisotropie-Archiv und auf den Seiten von Ned Wright zum CMB-DT. Nach der Gleichheit von Materie und Strahlung war Dunkle Materie effektiv von der Strahlung entkoppelt (normale Materie blieb gekoppelt, da sie noch ein ionisiertes Plasma war). Dies bedeutete, dass jede Inhomogenität (die im Wesentlichen aus Quantenfluktuationen entstand) in der Verteilung der Dunklen Materie schnell zu kollabieren begann und die Grundlage für die spätere Entwicklung großräumiger Strukturen bildete (die Samen dieser Inhomogenitäten wurden während der Inflation gelegt, aber wir werden dies für die aktuelle Diskussion ignorieren). Die größte physikalische Skala für diese Inhomogenitäten zu einem gegebenen Zeitpunkt war die damalige Größe des beobachtbaren Universums (da auch die Wirkung der Schwerkraft mit Lichtgeschwindigkeit reist). Diese Klumpen Dunkler Materie bildeten gravitative Potentialtöpfe, die mehr Dunkle Materie sowie das Strahlung-Baryon-Gemisch an sich zogen.

Im Gegensatz zur Dunklen Materie besaß das Strahlung-Baryonen-Fluid einen zugehörigen Druck. Anstatt direkt zum Boden des Gravitationspotentials zu sinken, schwingte es, komprimierte sich, bis der Druck die Gravitationskraft überwand, und dehnte sich dann aus, bis das Gegenteil galt. Dies führte zur Entstehung heißer Flecken, wo die Kompression am stärksten war, und kalter Flecken, wo das Fluid am stärksten verdünnt war. Wenn sich die Baryonen und die Strahlung entkoppelten, wurde dieses Muster auf die CMBR-Photonen eingefroren, was zu den heutigen beobachteten heißen und kalten Flecken führte.

Offensichtlich verrät das genaue Muster dieser Temperaturschwankungen nichts Bestimmtes. Wenn wir jedoch bedenken, dass die größte Ausdehnung der heißen Flecken der Größe des sichtbaren Universums zu einem gegebenen Zeitpunkt entspricht, bedeutet dies, dass wir, wenn wir den Winkel dieser Schwankungen am Himmel messen können, den größten Winkel der Größe des sichtbaren Universums zum Zeitpunkt der Entkopplung zuordnen können. Um dies zu tun, messen wir das, was als Wirkleistungsspektrum (engl. angular power spectrum) der CMBR bekannt ist. Kurz gesagt, finden wir alle Punkte am Himmel, die durch eine gegebene Winkelskala getrennt sind. Für alle diese Paare finden wir die Temperaturdifferenz und mitteln über alle Paare. Wenn unser grundlegendes Bild korrekt ist, sollten wir eine Verstärkung des Wirkleistungsspektrums bei der Winkelskala der größten Kompression sehen, eine weitere bei der Größe der größten Skala, die Kompression erfahren und sich im Maximum der Verdünnung befindet (das Wirkleistungsspektrum ist nur empfindlich gegenüber dem Quadrat der Temperaturdifferenz, sodass heiße und kalte Flecken äquivalent sind), und so weiter. Dies führt zu einer Reihe von sogenannten „akustischen Spitzen", deren genaue Position und Form uns viel über die Größe des Universums zur Zeit der Entkopplung, aber auch über die Geometrie des Universums (da wir den Winkelabstand betrachten; siehe 1b) und andere kosmologische Parameter verraten.

Die folgende Abbildung des NASA/WMAP-Wissenschaftsteams zeigt die Ergebnisse der WMAP-Messung des Winkel-Leistungsspektrums unter Verwendung der ersten WMAP-Datensatzjahres. Zusätzlich zur auf der oberen x-Achse aufgetragenen Winkelskala werden Darstellungen des Winkel-Leistungsspektrums allgemein als Funktion von "l" gezeigt. Dies ist die Multipolzahl und wird grob in einen Winkel umgerechnet, indem 180 Grad durch l geteilt werden. Für weitere Details dazu können Sie eine Google-Suche nach "Multipolentwicklung" durchführen oder diese Seite überprüfen. Die WMAP-Wissenschaftsseiten bieten zudem eine Einführung in diese Art der Datendarstellung.

Angular power spectrum

Wie bei der COBE-Temperaturmessung ist die Übereinstimmung zwischen der vorhergesagten Form des CMBR-Leistungsspektrums und den tatsächlichen Beobachtungen überwältigend. Die Ballonexperimente (insbesondere BOOMERang, MAXIMA und DASI) waren in der Lage, überzeugende Nachweise der ersten und zweiten akustischen Spitzen vor WMAP zu liefern, doch keines dieser Experimente konnte einen ausreichend großen Bereich des Himmels kartieren, um mit den COBE DMR-Daten übereinzustimmen. WMAP schloss diese Lücke und lieferte eine viel präzisere Messung der Positionen der ersten und zweiten Spitzen. Dies war eine wesentliche Bestätigung nicht nur der Lambda-CDM-Version des BBT, sondern auch des grundlegenden Bildes, wie das Universum von einem frühen, von Strahlung dominierten, plasmagefüllten Universum zum von Materie dominierten Universum überging, in dem sich die meisten der heute sichtbaren großräumigen Strukturen zu bilden begannen.

f) Grobstruktur des Universums

Die heute im CMBR sichtbaren heißen und kalten Flecken waren die Regionen mit hoher und niedriger Dichte zum Zeitpunkt, an dem die Strahlung, die wir heute beobachten, erstmals emittiert wurde. Sobald die Materie als dominante Quelle der Energiedichte übernahm, konnten diese Störungen durch die Akkretion anderer Materie aus ihrer Umgebung frei wachsen. Anfangs bestand die kollabierende Materie zunächst nur aus dunkler Materie, da die Baryonen noch an die Strahlung gebunden waren. Nach der Bildung des CMBR und der Entkopplung fielen jedoch auch die Baryonen in die durch die dunkle Materie geschaffenen Gravitationspotentialen und begannen, Sterne, Galaxien, Galaxienhaufen und so weiter zu bilden. Kosmologen bezeichnen diese Materieverteilung als die „großräumige Struktur" des Universums.

Im Allgemeinen ist es sehr herausfordernd, Vorhersagen für die statistischen Eigenschaften der großräumigen Struktur zu treffen. Für die CMBR sind die Abweichungen von der mittleren Temperatur sehr gering, und die lineare Störungstheorie stellt eine sehr gute Näherung dar. Im Vergleich dazu ist die Materiedichte in unserer Galaxie im Verhältnis zur mittleren Dichte des Universums enorm. Als Folge daraus gibt es zwei grundlegende Optionen: entweder Messungen auf sehr großen physikalischen Skalen durchführen, bei denen die Dichteschwankungen typischerweise viel kleiner sind, oder die Messungen mit Simulationen des Universums vergleichen, in denen die nichtlinearen Gravitationseffekte modelliert werden können. Beide Optionen erfordern erhebliche Investitionen in Theorie und Hardware, doch die letzten Jahre haben einige hervorragende Bestätigungen des grundlegenden Bildes hervorgebracht.

Wie wir im letzten Abschnitt erwähnt haben, wurde der Prozess, der zur Entstehung der akustischen Spitzen im Leistungsspektrum der kosmischen Hintergrundstrahlung (CMBR) führte, durch die Anwesenheit einer engen Kopplung zwischen Photonen und Baryonen kurz vor der Entkopplung angetrieben. Diese Flüssigkeit würde in die Gravitationspotentialtöpfe fallen, die von dunkler Materie (die nicht mit Photonen wechselwirkt) erzeugt wurden, bis der Druck in der Flüssigkeit der Gravitationsanziehung entgegenwirkte und die Flüssigkeit expandierte. Dies führte zu heißen und kalten Flecken in der CMBR, aber auch zu Bereichen, in denen die Materiedichte etwas höher war, dank der zusätzlichen Baryonen, die von den Photonen mitgerissen wurden, sowie zu Bereichen, in denen das Gegenteil der Fall war. Wie bei der CMBR wurde die Größe dieser Bereiche durch die Größe des beobachtbaren Universums zum Zeitpunkt der Entkopplung bestimmt, sodass bestimmte physikalische Skalen verstärkt würden, wenn man das Winkel-Leistungsspektrum der Baryonen betrachtete. Natürlich, sobald das Universum die Entkopplung durchlaufen hatte, fielen die Baryonen in die Gravitationspotentialtöpfe zusammen mit der dunklen Materie, aber diese Skalen würden als „Wackler" im gesamten Materieleistungsspektrum bestehen bleiben.

Natürlich, da sich die Größe des Universums ausdehnte, vergrößerte sich auch die physikalische Skala dieser Welligkeiten, bis sie heute etwa 500 Millionen Lichtjahre erreichten. Eine statistische Messung von Objekten, die durch solche Entfernungen getrennt sind, erfordert die Erfassung eines sehr großen Volumens des Raums. Im Jahr 2005 berichteten zwei Teams von Kosmologen über unabhängige Messungen des erwarteten Baryon-Merkmals. Wie beim CMBR-Leistungsspektrum bestätigte dies, dass das Modell, das Kosmologen für das anfängliche Wachstum großräumiger Strukturen entwickelt haben, gut mit dem übereinstimmt, das wir am Himmel beobachten.

Die zweite Methode, um die großräumige Struktur zu verstehen, sind kosmologische Simulationen. Die grundlegende Idee hinter allen Simulationen ist folgende: Wenn wir ein massives Objekt wären und die Gravitationsanziehung aller anderen massiven Objekte im Universum sowie die Gesamtgeometrie des Universums spüren könnten, wohin würden wir uns als Nächstes bewegen? Simulationen beantworten diese Frage, indem sie sowohl Materie als auch Zeit quantisieren. Eine typische Simulation verwendet N Teilchen (wobei N eine große Zahl ist; daher der Begriff N-Körper-Simulation) und weist sie einem dreidimensionalen Gitter zu. Diese Anfangspositionen werden dann leicht gestört, um die anfänglichen Schwankungen der Energiedichte aus der Inflation nachzuahmen. Basierend auf den Positionen all dieser Teilchen und nachdem wir eine Geometrie für unser simuliertes Universum gewählt haben, können wir nun berechnen, wohin sich all diese Teilchen in der nächsten kleinen Zeitspanne bewegen sollten. Wir verschieben alle Teilchen entsprechend und berechnen erneut, um den Vorgang wiederholt durchzuführen.

Offensichtlich hat diese Technik Grenzen. Wenn wir allen Teilchen eine bestimmte Masse zuweisen, dann werden Messungen von Massen unterhalb eines bestimmten Grenzwerts stark quantisiert (und folglich ungenau). Ebenso ist der Bereich der Längenskalen begrenzt: von oben durch das Volumen des Universumsabschnitts, den wir zur Simulation ausgewählt haben, und von unten durch die Auflösungsgrenze unserer Masseteilchen. Es gibt auch das Problem, dass die Physik, die bestimmt, wohin sich Baryonen bewegen, auf kleinen Skalen zumindest mehr als nur die Schwerkraft umfasst; Gasdynamik und die Effekte der Sternentstehung machen die Simulation von Baryonen (und damit den Teil des Universums, den wir tatsächlich sehen können!) herausfordernd. Schließlich erwarten wir nicht, dass die exakte Massenverteilung in der Simulation uns etwas Bestimmtes verrät; wir wollen lediglich die statistischen Eigenschaften der Verteilung mit unserem Universum vergleichen. Dieser Artikel diskutiert diese statistischen Methoden im Detail und liefert zudem Referenzen zu den relevanten Beobachtungsdaten.

Trotz all dieser Mängel haben sich die Bemühungen, das Universum zu simulieren, in den letzten Jahrzehnten sowohl hardware- als auch softwareseitig enorm verbessert. White (1997) rekapituliert die Grundlagen der Simulation der Strukturbildung sowie die Beobachtungstests, die verwendet werden können, um Simulationen mit realen Daten zu vergleichen. Er zeigt Ergebnisse für vier verschiedene Modellvarianten – einschließlich sowohl des damals üblichen „kalten Dunklen Materie"-Universums als auch eines Universums mit einer kosmologischen Konstante. Dies geschah vor der Veröffentlichung der Ergebnisse zu Supernovae, was der Behauptung widerspricht, dass vor den Daten zu den Supernovae die Möglichkeit, dass die kosmologische Konstante von Null verschieden sei, in der kosmologischen Literatur ignoriert wurde. Ein CDM-Universum war zu dieser Zeit der Favorit, doch Kosmologen waren sich sehr wohl bewusst, dass die Daten nicht stark genug waren, um mehrere variantenreiche Modelle auszuschließen.

Der Artikel von Columbi (1996) ist ein gutes Beispiel für dieses Bewusstsein. In diesem Artikel wurden verschiedene Modelle mit unterschiedlichen Mengen an heißer und kalter Dunkler Materie simuliert, sowie Versuche, „warm" Dunkle Materie (d. h. Dunkle Materie, die nicht hochrelativistisch ist, aber dennoch schnell genug bewegt, um einen signifikanten Druck auszuüben) einzubeziehen. Ihre Abbildung 7 bietet einen anschaulichen visuellen Vergleich zwischen beobachteten Galaxienverteilungen und den Ergebnissen der verschiedenen simulierten Universen.

Im Jahr 2005 veröffentlichte das Virgo-Konsortium die „Millennium-Simulation"; Details finden sich sowohl auf der Virgo-Homepage als auch auf dieser Seite am Max-Planck-Institut für Astrophysik. Unter Verwendung des Übereinstimmungsmodells (abgeleitet aus der Übereinstimmung der Ergebnisse der Supernova-Studien, den WMAP-Beobachtungen usw.) können diese Simulationen die beobachteten großräumigen Galaxienverteilungen sehr gut nachbilden. Auf kleinen Skalen besteht jedoch noch einige Diskrepanz (siehe unten für eine ausführlichere Diskussion).

g) Alter der Sterne

Da die Sterne ein Teil des Universums sind, folgt es natürlich, dass, wenn BBT und unsere Theorien zur Sternentstehung und -entwicklung mehr oder weniger korrekt sind, wir keine Sterne älter als das Universum erwarten sollten (siehe 3d!). Präziser ausgedrückt deuten die WMAP-Beobachtungen darauf hin, dass die ersten Sterne „geboren" wurden, als das Universum erst etwa 200 Millionen Jahre alt war; wir sollten also keine Sterne erwarten, die älter als etwa 13,5 Milliarden Jahre sind. Andererseits besagen Modelle der Sternentwicklung, dass Sterne mit der geringsten Masse (jene mit einer Masse von etwa 1/10 der unseres Sonnensystems) „leben" sollen, um Zehntausende von Billionen von Jahren, sodass die Möglichkeit eines signifikanten Widerspruchs besteht.

Bevor wir uns weiter mit diesem Thema befassen, ist eine gewisse Nomenklatur notwendig. Astronomen teilen die Sternentstehung im Allgemeinen in drei Generationen, sogenannte „Populationen", ein. Das unterscheidende Merkmal hierbei ist der Gehalt an Elementen mit einer Atommasse größer als Helium (diese werden in der astronomischen Literatur alle als „Metalle" bezeichnet, und der Metallgehalt wird als die „Metallicität" des Sterns bezeichnet). Wie wir in Abschnitt 2c erklärt haben, produzierte die primordialische Nukleosynthese in sehr guter Näherung nur Helium und Wasserstoff. Alle Metalle wurden später in den Kernen von Sternen erzeugt. Somit sind die Sternpopulationen grob nach ihrem Metallgehalt getrennt: Sterne der Population I (wie unsere Sonne) haben eine hohe Metallicität, während Sterne der Population II viel ärmer an Metallen sind. Da der Metallgehalt unseres Universums im Laufe der Zeit zunimmt (da Sterne immer mehr Zeit haben, leichtere Elemente in schwerere umzuwandeln), wirkt die Metallicität auch als grober Indikator dafür, wann ein bestimmter Stern entstanden ist. Die verschiedenen Sternengenerationen werden auch in diesem Artikel zusammengefasst.

Obwohl dies auf den ersten Blick nicht offensichtlich sein mag, hat die Häufigkeit von Metallen während der Sternentstehung einen erheblichen Einfluss auf die entstehende Sternpopulation. Das grundlegende Problem der Sternentstehung besteht darin, dass die Eigengravitation einer gegebenen Wolke aus interstellarem Gas den thermischen Druck der Wolke überwinden muss; Wolken, bei denen dies der Fall ist, werden sich schließlich zusammenziehen, um Sterne zu bilden, während andere als Wolken verbleiben. Während sich eine Gaswolke zusammenzieht, wird die Gravitationsenergie in thermische Energie umgewandelt und die Wolke erwärmt sich. Dies wiederum erhöht den Druck und macht es unwahrscheinlicher, dass sich die Wolke weiter zusammenzieht. Der Kniff besteht dann darin, diese zusätzliche thermische Energie so effizient wie möglich abstrahlen zu lassen, damit der Zusammenbruch fortgesetzt werden kann. Metalle neigen dazu, eine komplexere Elektronenstruktur zu haben und bilden eher Moleküle als Wasserstoff oder Helium, wodurch sie viel effizienter thermische Energie abstrahlen können. Fehlen solche Kanäle, besteht der einzige Weg, dieses Problem zu umgehen, darin, die gravitative Seite der Gleichung zu erhöhen, d. h. die Masse der zusammenziehenden Gaswolke. Daher führt bei einer gegebenen interstellaren Wolke eine höhere Metallgehalt zu einem höheren Anteil an Sternen niedriger Masse im Vergleich zu den Sternen, die von einer metallarmen Wolke entstehen.

Das extreme Beispiel in dieser Hinsicht sind die Population III-Sterne. Diese waren die allererste Generation von Sternen und bildeten sich daher praktisch ohne jegliche Metalle. Infolgedessen war ihre Massenverteilung stark zugunsten des hochmassigen Endes des Spektrums verschoben. Einzelheiten und Implikationen dieses Zustands finden sich in diesem Vortrag über die Reionisierung sowie in diesen zwei Artikeln über die ersten Sterne.

Die direkte Beobachtung dieser Sternpopulation wäre ein sehr gutes Argument für die BBT. Leider nimmt die Lebensdauer von Sternen (was die Zeit bedeutet, in der sie Wasserstoff in ihren Kernen zu Helium fusionieren) stark mit ihrer Masse ab. Für einen Stern wie unsere Sonne liegt die Lebensdauer in der Größenordnung von 10 Milliarden Jahren. Für die Population-III-Sterne, die eine typische Masse von etwa 100 Sonnenmassen haben sollen, schrumpft diese Zeit auf nur wenige Millionen Jahre (ein Augenblick nach kosmologischen Maßstäben). Daher müssen wir nach Regionen im Universum suchen, in denen das Licht, das wir beobachten, erstmals in der Nähe der Zeit emittiert wurde, in der diese Sterne leuchteten. Dies bedeutet, dass das Licht sowohl schwach als auch stark rotverschoben sein wird (z ~ 20). Die Kombination dieser beiden Effekte macht Beobachtungen vom Erdboden weitgehend unmöglich, könnten aber möglich werden, wenn das James-Webb-Weltraumteleskop in Betrieb geht. Erste vielversprechende Ergebnisse wurden kürzlich vom Spitzer-Infrarot-Weltraumteleskop erzielt.

Wie Sterne heute bildeten Population-III-Sterne schwere Elemente in ihren Kernen (durch Kernfusion), und noch schwerere Elemente, als sie zu Supernovae wurden. Diese Metalle wurden durch die Supernova-Explosionen und die gebildeten Population-II-Sterne im Weltraum verteilt. Mit Hilfe der Metallkühlung konnten Sterne mit geringerer Masse entstehen, so gering, dass sie noch heute brennen. Population-II-Sterne werden bevorzugt in Kugelsternhaufen beobachtet, die das Galaxie umkreisen, und im galaktischen Bulge. Durch die Verwendung des Hertzsprung-Russell-Diagramms können Astronomen eine Schätzung dafür erhalten, wann die Sterne in einem Kugelsternhaufen (oder einem anderen Sternhaufen) entstanden sind. Dies wird ausführlicher im FAQ zur Bestimmung der Entfernungen zu astronomischen Objekten oder auf dieser Seite über das Hertzsprung-Russell-Diagramm und die Sternentwicklung erklärt.

Eine zweite Methode zur Bestimmung des Sternalters besteht darin, den Berylliumgehalt in den äußeren Schichten eines Sterns zu messen. Die Anwendung dieser Technik auf den Kugelsternhaufen NGC 6397 ergab laut Pasquini (2004) ein Alter von 13,4 Milliarden Jahren, plus oder minus 800 Millionen Jahre (weitere Details finden Sie in diesem Artikel). Andere Studien wie Krauss (2003) und Hansen (2004) erzielten mit verwandten Methoden ähnliche Ergebnisse: 12,2 bzw. 12,1 Milliarden Jahre, jeweils mit Fehlern in der Größenordnung von 1 bis 2 Milliarden Jahren.

Die großen Unsicherheiten in diesen Altersangaben sind teilweise darauf zurückzuführen, dass diese Methoden entscheidend von unserer Theorie der Sternentwicklung ("sternare Evolution") abhängen, die ihrerseits von unserem Verständnis der Kernreaktionen abhängt, die in Sternen ablaufen. Trotz der relativ niedrigen Energien bleiben die Details für einige dieser Reaktionen etwas ungenau.

Kürzlich wurden neue Ergebnisse zur Geschwindigkeit einer Kernreaktionskette erzielt, die in Sternen von großer Bedeutung ist, dem sogenannten CNO-Zyklus. Diese Studie (Imbriani 2004) zeigte, dass die Geschwindigkeit dieser Reaktion weit langsamer ist als zuvor angenommen. Dies impliziert wiederum, dass die Sterne älter sind als bisher angenommen, um etwas zwischen 0,7 und 1 Milliarden Jahren. Unter Verwendung von Pasquinis Daten bedeutet dies, dass die ältesten Sterne in der Milchstraße zwischen 14,1 und 14,4 Milliarden Jahre alt sind. Dies ist älter als das Alter des Universums, das aus anderen Messungen bestimmt wurde (vergleichen Sie die WMAP-Daten, 2d); jedoch müssen die relativ großen Fehler, die mit diesen Altersbestimmungen verbunden sind, berücksichtigt werden (siehe oben). Daher sind diese Sternalter weiterhin mit dem Alter des Universums, das auf andere Weise bestimmt wurde, vereinbar.

Wie von Dauphas (2005) hervorgehoben, ist es auch möglich, das Alter der Milchstraße zu bestimmen, ohne sich auf Annahmen über die Details der Kernreaktionen in den Sternen zu verlassen. Er verwendete Messungen der Uranium- (U-238) und Thorium- (Th-232) Häufigkeit sowohl im Sonnensystem als auch in Niedrigmetallizitäts-Halo-Sternen, um das Alter unserer Galaxie zu bestimmen. Sein Ergebnis betrug 14,5 Milliarden Jahre, mit Unsicherheiten von -2,2 und +2,8 Milliarden Jahren. Wenn man diese Fehlermargen berücksichtigt, stimmt dies wieder gut mit dem Alter des Universums überein, das durch WMAP bestimmt wurde.

Man sollte auch beachten, dass das Alter der Sterne in fernen Galaxien ebenfalls bestimmt werden kann. Dazu berechnet man theoretische Modelle davon, wie das Spektrum einer Galaxie aussieht, wenn die Sterne darin ein bestimmtes Alter haben (siehe Jimenez 2004), und vergleicht diese Modellvorhersagen mit den beobachteten Spektren von Galaxien. Offensichtlich ist dies eine etwas komplizierte Methode mit potenziellen Fehlern, die sogar größer sein können als bei den Methoden zur Bestimmung der Alters von Sternen in unserer Nachbarschaft.

Dennoch sind die bisher gefundenen Ergebnisse mit einem Universum mit einem endlichen Alter konsistent. In Galaxien, die weit von uns entfernt sind, die wir daher so sehen sollten, wie sie aussahen, als sie noch sehr jung waren, werden nur junge Sterne gefunden. Zum Beispiel fand Nolan (2003), dass in zwei Galaxien mit Rotverschiebungen um etwa 1,5 die Sterne im Alter von höchstens 3-4 Milliarden Jahren waren. Es gab auch eine detaillierte Studie zur Sternentstehungsgeschichte des Universums, die Beobachtungen der Altersverteilung von Sternen in fernen Galaxien verwendete und zeigte, dass die Rate der Sternentstehung vor etwa 5 Milliarden Jahren am höchsten war (Heavens 2004).

h) Evolution von Galaxien

Galaxien sind ebenfalls dynamische Entitäten, die sich im Laufe der Zeit verändern. Ähnlich wie bei der großräumigen Struktur folgen die groben Züge der Galaxienentstehung einem Pfad der „hierarchischen Clusterbildung": kleine Strukturen bilden sich sehr früh und verschmelzen im Laufe der Zeit zu größeren Strukturen. Innerhalb dieses größeren Rahmens entwickeln sich bei einigen Galaxien sekundäre Merkmale wie Spiralarme oder stangenartige Strukturen, von denen einige vorübergehend sind und andere bestehen bleiben.

Dieses grundlegende Bild sagt uns, dass wir in sehr weit entfernten Regionen des Universums (d. h. Galaxien mit sehr hoher Rotverschiebung) hauptsächlich kleine, unregelmäßige Galaxien sehen sollten. In der Regel finden wir dies auch (mit einigen bemerkenswerten Ausnahmen, wie wir später besprechen werden). Ab 1996 hat das Hubble-Weltraumteleskop eine Reihe sehr tiefer Bilder aufgenommen: das Hubble Deep Field, das Hubble Deep Field South und das Hubble Ultra Deep Field. Wie zu erwarten ist, unterscheidet sich die Morphologie der wenigen nahen Galaxien in diesen Bildern erheblich von den Galaxien mit sehr hoher Rotverschiebung.

Ein weiterer wichtiger Indikator für die Evolution von Galaxien stammt von Quasaren, speziell ihrer Rotverschiebungsverteilung. Quasare werden allgemein als von supermassereichen Schwarzen Löchern in den Zentren von Galaxien angetrieben angesehen, die Materie akkretieren; wenn Staub und Gas in das Schwarze Loch fallen, erwärmen sie sich extrem und emittieren eine enorme Menge an Energie über ein breites Spektrum. Bei den meisten echten Quasaren ist die während dieses Prozesses freigesetzte Energie um einige Größenordnungen höher als das gesamte Licht, das vom Rest der Galaxie emittiert wird. Damit dieses Verhalten über einen gewissen Zeitraum auftreten kann, müssen Galaxien eine große Menge an Staub und freiem Gas in der Nähe ihrer Kerne besitzen. Die meisten beobachteten Quasare haben Rotverschiebungen in der Nähe von z ~ 2, was darauf hindeutet, dass es eine bestimmte Ära in der Geschichte des Universums gab, in der die Bedingungen für einen großen Anteil der Galaxien günstig waren. Für stationäre Modelle des Universums ist dies schwer zu erklären. Auf der anderen Seite erklärt das BBT dies sehr elegant, indem es darauf hinweist, dass Galaxien in ihren frühen Entwicklungsstadien eine große Menge an Staub und freiem Gas besaßen und Galaxienkollisionen ebenfalls häufiger waren, was als Mechanismus zur Auslösung von Quasar-Aktivität dienen konnte.

Mit diesen Worten gesagt, sollte beachtet werden, dass die Entstehung und Entwicklung von Galaxien innerhalb des BBT ein sehr offenes Thema bleibt und nicht ohne Kontroversen. Siehe Abschnitt 5d für weitere Details.

i) Zeitdilatation in Helligkeitskurven von Supernovae

Wie in 2b erklärt, erfährt Licht, das sich durch das expandierende Universum ausbreitet, eine Rotverschiebung (d. h., die Wellenlänge wird auf größere Werte gedehnt, während sich das Universum ausdehnt). Da die Wellenlänge und die Frequenz für ein gegebenes Photon über die Lichtgeschwindigkeit, die eine Konstante ist, invers zueinander stehen, ist es offensichtlich, dass die Frequenz abnehmen muss, wenn die Wellenlänge zunimmt. Ebenso wird, wenn Licht von einer fernen Galaxie mit der Zeit variiert (wie wir es für Cepheidenvariable Sterne oder Pulsare erwarten würden), die Zeit zwischen diesen Ereignissen gedehnt (erinnern Sie sich, die Frequenz ist invers zur Zeit korreliert). Somit werden wir diese Galaxie von der Erde aus eine langsamere Variation beobachten als ein Beobachter in dieser fernen Galaxie, und das Verhältnis zwischen diesen Zeiten wird genau gleich einem plus der Rotverschiebung der Galaxie sein.

Während die Beobachtung dieser Zeitdilatation bei Sternen in fernen Galaxien schwierig ist, können wir sie mit Supernovae in diesen Galaxien testen. Insbesondere Typ-Ia-Supernovae weisen ein charakteristisches Merkmal auf: sie leuchten schnell auf und verblassen dann langsam über einen Zeitraum von mehreren Wochen. Dieses Merkmal variiert etwas je nach der genauen chemischen Zusammensetzung des Sterns vor seiner Supernova-Explosion, kann aber durch sorgfältige Überwachung kompensiert werden. Dieser Aspekt war entscheidend für die Supernova-Messungen, die den frühesten Hinweis auf die Existenz dunkler Energie lieferten, und war Gegenstand vieler Veröffentlichungen (zum Beispiel, Leibundgut 1996, Riess 1997, Goldhaber 2001 und Knop 2003). Diese Arbeiten zeigen deutlich, dass die Korrektur der Effekte der Rotverschiebungs-Zeitdilatation für das Verständnis der Daten entscheidend ist. Insbesondere schließt Goldhaber ein Modell ohne Zeitdilatation mit 18 Standardabweichungen aus. Das folgende Diagramm (von Ned Wright) demonstriert Goldhabers Ergebnisse.

Time dilation in supernova brightness curves vs. redshift

j) Tolman-Tests

Neben der Vorhersage, dass die Wellenlänge des Lichts sich ändern sollte, während sich das Universum ausdehnt (wobei die beobachtete Wellenlänge um den Faktor (1+z) im Vergleich zur ursprünglichen Wellenlänge gedehnt wird), verlangt das BBT auch, dass die Oberflächenhelligkeit von Lichtquellen abnimmt, jedoch mit der vierten Potenz von (1+z). Eine wichtige Konsequenz dieses Effekts ist, dass die thermische Emission eines Schwarzen Körpers bei einer bestimmten Temperatur zu einem bestimmten Zeitpunkt in der Geschichte des Universums später immer noch als thermisches Spektrum erscheint, jedoch bei einer Temperatur, die um den Faktor (1+z) niedriger ist (wie wir in 2d erwähnt haben). Somit erhalten wir durch die Messung der Abweichung des beobachteten CMBR-Spektrums von dem eines perfekten Schwarzen Körpers einen sehr starken Test für die Idee, dass die Ausdehnung des Universums dem grundlegenden Bild des standardmäßigen BBT folgt. Diese Messung wurde mit dem COBE-Satelliten in den 1990er Jahren durchgeführt, und das Spektrum wurde als Übereinstimmung mit einem Schwarzen Körper bis zu einem Teil von 10.000 gefunden (Mather 1990, Fixsen 1996).

Seit Tolman 1930 die Skalierung der Flächenhelligkeit entwickelt hat, wurden mehrere Versuche unternommen, diesen Test auf andere Objekte im Universum anzuwenden. Die größte Schwierigkeit bei der Anwendung dieses Tests auf ein bestimmtes Objekt besteht darin, dass man, um die beobachtete Flächenhelligkeit mit der Erwartung zu vergleichen, zunächst die absolute Helligkeit kennen muss. Das Fehlen eines solchen „Standardkerzens" in der Kosmologie wird intensiv empfunden.

Im Jahr 2001 versuchten eine Reihe von Arbeiten von Lubin, diesen Test auf weit entfernte Galaxien anzuwenden. Dies ist eine schwierige Aufgabe, da Galaxien auf der Zeitskala des Universums dynamische Entitäten sind. Sie durchlaufen Perioden von Sternausbrüchen (schnelle Sternentstehung, meist in galaktischen Scheiben), sie verschmelzen miteinander, die Opazität von interstellarem Staub ändert sich mit zunehmendem Metallgehalt, und ihre konstituierenden Sterne ändern ihre Leuchtkraft im Laufe ihres Alters. Lubins Arbeit versucht, all dies zu berücksichtigen. Nach dem Einbeziehen dieser Effekte in die erwartete Skalierung für die Oberflächenhelligkeiten der Galaxien finden sie Ergebnisse, die mit dem, was sie von den Modellen der Galaxienevolution erwarten, übereinstimmen. Dies ist nicht so starkes Indiz dafür, dass die Tolman-Beziehung gilt wie die Temperatur der CMBR, aber es ist ein positives Zeichen dafür, dass die Abweichung von der strengen Beziehung mehr oder weniger verstanden ist. Tatsächlich waren die Ergebnisse so stark, dass "erschöpfte Licht"-Modelle mit dieser Methode ausgeschlossen werden konnten.

k) Sunyaev-Zel'dovich-Effekt

Die in 2d beschriebene Abbildung betraf CMBR-Photonen, die das Universum vom Zeitpunkt der Entkopplung bis zu ihrer Detektion hier auf der Erde durchquerten, ohne unterwegs mit etwas zu interagieren. Dies ist zwar weitgehend zutreffend, gilt jedoch nicht für alle Photonen. Die Regionen um massive Galaxienhaufen sind voller sehr heißen, ionisierten Gases. So heiß, dass sich die freien Elektronen mit relativistischen Geschwindigkeiten bewegen. Da es sich um freie Ionen handelt, können sie mit Photonen viel freier interagieren (ähnlich wie während der Plasma-Phase des Universums). Wenn CMBR-Photonen durch dieses Gas hindurchgehen, interagiert etwa 1 % von ihnen mit dem Gas. Da die Photonen eine viel geringere Energie als die Elektronen besitzen, wird durch die Streuung Energie auf die Photonen über den inversen Compton-Effekt übertragen. Das Ergebnis ist, dass das CMBR-Spektrum verzerrt wird, wobei einige der Photonen auf höhere Energien verschoben werden, als wir von einem reinen thermischen Spektrum erwarten würden. Dies ist der thermische Sunyaev-Zel'dovich-Effekt, und wenn wir das CMBR in Richtung dieser Galaxienhaufen betrachten, sollten wir die Auswirkungen dieser Verzerrung erwarten (diese Seite bietet zudem weitere Details).

Wie wir aus den beobachtungsdaten sehen, ist dieser Effekt klar nachweisbar. Da dies darauf hinweist, dass die Photonen den Cluster durchquert haben müssen, um uns zu erreichen, ist dies ein starker Beleg dafür, dass die CMBR tatsächlich ein kosmologisches Phänomen und nicht lokal erzeugt ist. Diese Beobachtungen können auch verwendet werden, um den Wert des Hubble-Parameters zu messen. Die Präzision der Messung ist etwas eingeschränkt, da sie von den Details der Verteilung des heißen Gases innerhalb desClusters abhängt, aber die Ergebnisse stimmen mit dem überein, was wir mit anderen Methoden beobachten.

l) Integrierter Sachs-Wolfe-Effekt

Neben dem Sunyaev-Zel'dovich-Effekt können Photonen aus der kosmischen Hintergrundstrahlung (CMBR) auch subtil vom integrierten Sachs-Wolfe-Effekt beeinflusst werden. Die Grundlage für diesen Effekt ist der gravitative Rotverschiebung, eine der grundlegendsten Vorhersagen der Allgemeinen Relativitätstheorie (GR) und erstmals experimentell 1960 von Pound und Rebka nachgewiesen. Die Grundidee ist, dass Photonen, wenn sie in ein Gravitationspotential fallen, zusätzliche Energie aufnehmen und wenn sie wieder herauskommen, Energie verlieren. Daher bezeichnen Wissenschaftler Photonen als „in ein Gravitationspotential fallend" und „aus einem Gravitationspotential herausklimmend".

Wenn CMBR-Photonen durch die Vordergrundgroßraumstruktur hindurchgehen, durchlaufen sie viele solcher Gravitationsmulden. Wenn die Tiefe der Mulde statisch ist (oder genauer gesagt, wenn sich die Tiefe der Mulde mit derselben Geschwindigkeit vergrößert wie die Expansion des Universums), dann ist die Nettoenergieänderung null. All die Energie, die sie beim Fallen gewinnen, verlieren sie beim Herausklettern. Wenn jedoch das Universum dunkle Energie enthält (oder eine offene Geometrie aufweist), expandiert das Universum schneller, als die Gravitationsmulden um massive Objekte wachsen können. Infolgedessen verlieren die CMBR-Photonen nicht die gesamte Energie, die sie beim Fallen in die Potentiale gewonnen haben. Dies lässt das CMBR in Richtung dieser Potentiale, die auch die höchsten Konzentrationen von Galaxien enthalten, sehr leicht heißer erscheinen.

Nach der Veröffentlichung der WMAP-Daten haben Studien von Scranton (2003), Afshordi (2004), Boughn (2004) und Nolta (2004) diesen Effekt mit Galaxien gemessen, die auf unterschiedliche Weise ausgewählt wurden. Das Signal-zu-Rausch-Verhältnis in einer einzelnen Messung war nicht sehr groß. Zusammen genommen (und kombiniert mit der WMAP-Beobachtung, dass die Geometrie des Universums am besten durch ein flaches Universum beschrieben wird), liefern sie jedoch signifikante Beweise dafür, dass dieser Effekt real ist und am besten durch das Standard-Lambda-CMD-Modell des BBT erklärt wird.

m) Dunkle Materie

Eine häufige Beschwerde bezüglich der Einbeziehung von Dunkler Materie in die Kosmologie ist, dass sie ein "Epizykel" darstellt, analog zu den Epizykeln der ptolemaischen geozentrischen Modelle des Sonnensystems. In dieser Sichtweise ist Dunkle Materie ein Stützpfeiler, der erfunden wurde, um ein Modell zu retten, das ansonsten nicht zu den Daten passt. Obwohl diese Haltung bei Kritikern des Big-Bang-Modells beliebt ist, hält sie einer weiteren Prüfung nicht stand.

Der Ursprung der Dunklen Materie als astronomisches Objekt geht nicht von der Kosmologie aus, sondern vielmehr von der Arbeit von Zwicky und Oort im Jahr 1933 bzw. 1940. Zwickys Studien zu den Geschwindigkeiten von Galaxien in großen Galaxienhaufen überzeugten ihn davon, dass in den Haufen mehr Masse vorhanden sein müsse (um eine ausreichende Gravitationsanziehung zu gewährleisten, damit die Haufen nicht auseinanderfliegen), als durch die sichtbare Masse der Galaxien selbst erklärt werden könnte. Ebenso deutete Oorts Messung der Rotationskurven von Galaxien (im Wesentlichen die Umlaufgeschwindigkeit von Sternen um das galaktische Zentrum in Abhängigkeit vom Abstand der Sterne zum Zentrum) darauf hin, dass die Masse innerhalb dieser Sternbahnen, wie sie durch einfache newtonsche Physik angegeben wird, nicht mit der Masse übereinstimmt, die aus dem Licht der Zentren dieser Galaxien abgeleitet wird. Beide Beobachtungen wurden lange vor der modernen Kosmologie, die ihre heutige Gestalt angenommen hatte, gemacht und waren daher unabhängig von jeglicher Notwendigkeit, Dunkle Materie heranzuziehen, um kosmologische Messungen mit der Theorie in Einklang zu bringen. Weitere Informationen zur Geschichte der Dunklen Materie finden Sie hier und in van den Bergh (1999).

Wie der Rest der Kosmologie stammt der aktuelle Beleg für Dunkle Materie aus einer Reihe unterschiedlicher Beobachtungen:

  • Wie Oorts ursprüngliche Beobachtungen zeigen auch moderne Messungen der Rotationskurven für Spiralgalaxien, dass es in diesen Galaxien mehr Masse geben muss, als wir direkt sehen können. Die Geschwindigkeit eines Sterns (oder eines Gaswolken) in einer annähernd kreisförmigen Umlaufbahn um das Zentrum einer Galaxie hängt von der Masse im Inneren dieser Umlaufbahn ab, wie uns die grundlegende newtonsche Mechanik lehrt. Daher können wir durch Messung der Geschwindigkeit von Sternbahnen an mehreren Radien daraus ein Massenprofil ableiten. Faber (1979) gibt eine Übersicht über eine Reihe solcher Geschwindigkeitsmessungen.

    Zwei Punkte sind hier relevant: Erstens ist die aus diesen Messungen abgeleitete Masse immer größer als die, die man aus der Betrachtung der sichtbaren Materie in diesen Galaxien ableiten würde. Dies war Oort klar und bleibt es auch heute noch. Zweitens ist die Verteilung dieser dunklen Materie nicht dieselbe wie die der sichtbaren Materie. Die Sternendichte in einer Spiralgalaxie nimmt tendenziell exponentiell ab, wenn man sich vom Zentrum zum Rand im Scheibenebene bewegt. Das aus den Geschwindigkeitskurven abgeleitete Massenprofil fällt hingegen mit dem Kehrwert des Kubus des Radius (Prada 2003). Dies ist nicht das, was wir für Baryonen erwarten, die gravitative Energie durch Strahlung verlieren können und tiefer in das Gravitationspotential der Galaxie fallen können. Für CDM ist diese Option jedoch nicht verfügbar (da die dunkle Materie nicht mit Photonen wechselwirkt) und bleibt daher bei größeren Radien stecken. Simulationen von CDM bestätigen dieses Verhalten und liefern einen weiteren Hinweis darauf, dass nicht nur dunkle Materie vorhanden ist, sondern der Großteil davon nicht aus Baryonen besteht.
  • Ein ähnliches Spiel kann mit elliptischen Galaxien gespielt werden. Diese Galaxien besitzen nicht dieselbe einfache Umlaufstruktur wie Spiralgalaxien, sodass die Beobachtung etwas anders aussieht. Statt der Geschwindigkeitskurven zu messen, können wir die Röntgenstrahlung dieser Galaxien betrachten. Röntgenstrahlen entstehen durch extrem heißes Gas (Temperaturen in Millionen von Grad), das diese Galaxien umgibt. Wie bei den Sternen in der Spiralgalaxie muss jedoch die Masse der Galaxie ausreichen, um die Teilchen im Gas gravitativ an die Galaxie gebunden zu halten, sodass aus einer Messung der Röntgentemperatur eine Masse abgeleitet werden kann. Auch in diesem Fall übersteigt die so gemessene Masse stets diejenige, die von der Menge der sichtbaren Materie erwartet wird (vgl. Fabian 1986).
  • In ähnlicher Weise kann man auch die Bewegung von Galaxien in Galaxienhaufen betrachten. Wie Sterne in elliptischen Galaxien durchlaufen Galaxien in diesen Haufen keine einfachen kreisförmigen Umlaufbahnen. Um eine Größe für die kinetische Energie der Galaxien zu erhalten, messen Astronomen ihre Geschwindigkeitsdispersion, im Wesentlichen die Varianz der beobachteten Geschwindigkeiten für Galaxien im Haufen. Wenn der Galaxienhaufen relativ wenig gestört ist (d. h. keine große Verschmelzung mit einem anderen Galaxienhaufen durchlaufen hat), kann das Virialsche Theorem verwendet werden, um die erwartete Gravitationskraft zu berechnen, die notwendig ist, um einen Galaxienhaufen mit einer gegebenen Geschwindigkeitsdispersion zusammenzuhalten. Wie oben erwähnt, waren Zwickys Messungen von 1933 zur Geschwindigkeitsdispersion von Galaxienhaufen der erste Hinweis darauf, dass die Gesamtmasse der Haufen deutlich höher sein muss als die sichtbare Materie allein, und dies bleibt auch bei modernen Messungen gültig.
  • Wie wir in 2k erwähnt haben, sind Galaxienhaufen von einem Halo aus extrem heißem ionisiertem Gas umgeben. Dies bedeutet, dass wir dieselbe Technik aus unserem Beispiel der elliptischen Galaxie oben verwenden können, um eine Massenschätzung für Galaxienhaufen zu erhalten und sie mit der sichtbaren Masse zu vergleichen. Röntgenbeobachtungen mit dem Chandra-Satelliten haben tatsächlich Hinweise auf Dunkle Materie ergeben; siehe die Pressemitteilungen Chandra entdeckt „Flüsse der Schwerkraft", die die kosmische Landschaft definieren und Bewegungen des nahen Galaxienhaufens offenbaren die Anwesenheit einer verborgenen Superstruktur.
  • Die große Menge an Masse, die in Galaxienhaufen enthalten ist, macht sie auch zu einer hervorragenden Quelle für gravitative Linsen. Eine der überraschendsten Vorhersagen der GR ist die gravitative Linse, die Lichtablenkung aufgrund von Gravitationspotentialen. Die Bestätigung der gravitativen Linse durch Eddingtons Expedition von 1919 war eine der frühen wichtigen Beobachtungen zugunsten der GR, und die Linse bleibt heute ein leistungsfähiges kosmologisches Werkzeug. Bei besonders starken Gravitationspotentialen (wie bei Galaxienhaufen) kann Licht von Quellen hinter der Linse tatsächlich mehrere Wege zu Beobachtern auf der anderen Seite der Linse zurücklegen. Dies führt zu verzerrten, bogenförmigen Bildern des Hintergrundobjekts, wie sie in diesem Bild von Abell 2218 zu sehen sind. Das Muster und die Form dieser Bilder sind sehr empfindlich gegenüber der Masse (und der Massenverteilung) des linsenden Objekts, wodurch wir eine saubere Messung der Massen von Galaxienhaufen erhalten und erneut wird Dunkle Materie benötigt, um die Lücke zwischen der beobachteten und der sichtbaren Masse zu überbrücken. Eine Liste der aktuell entdeckten gravitativen Linsen findet sich auf der CASTLES Survey Website. Dieser Artikel, Wissenschaftler kartieren Dunkle Materie und beweisen, dass Einstein recht hat, erklärt diesen Effekt ebenfalls im Detail.
  • Schließlich haben wir das aktuelle kosmologische Konsistenzmodell. Messungen entfernter Supernovae, der Anisotropien der kosmischen Hintergrundstrahlung und der großräumigen Struktur deuten alle auf ein Modell hin, das einen relativ großen Anteil an dunkler Materie aufweist. Darüber hinaus sind die beiden letztgenannten Messungen auch in der Lage, zwischen der Menge an Materie in normaler baryonischer Form und derjenigen in nicht-baryonischer Materie zu unterscheiden. Im am besten passenden Modell erfordern sie etwa 5 Teile der letzteren für jeden Teil der ersteren.

Eine weitere Überprüfung dieser Beobachtungen findet sich auf dieser Seite zu Dunkler Materie.

Daher, angesichts der Notwendigkeit einer neuen Art von Materie, die nicht mit Licht auf die gleiche Weise interagiert wie normale Materie, stellen sich einige Fragen: Gibt es ein vernünftiges Modell, das Möglichkeiten dafür bieten kann, woraus diese dunkle Materie tatsächlich besteht? Und wenn ja, warum sind wir bisher nicht in der Lage, sie direkt in Laboren auf der Erde zu beobachten?

Bevor wir uns diesen Fragen zuwenden, ist es wichtig zu bedenken, dass nicht alle dunkle Materie nicht-baryonisch ist. Für diese Baryonen ist der Begriff „dunkel" etwas vage. Gelegentlich wird er so verstanden, dass sie kein Licht im sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums abgeben; beispielsweise warmes interstellares und intergalaktisches Gas, Braune Zwerge, Schwarze Löcher und Neutronensterne. Von diesen ist nur das erste derzeit jenseits unserer Fähigkeiten zur direkten Beobachtung; Braune Zwerge geben Licht im Infrarotbereich ab, während Schwarze Löcher und Neutronensterne (oder vielmehr ihre Umgebungen) starke Quellen für Radiowellen und Röntgenstrahlen sind. Wenn man den gesamten elektromagnetischen Spektralbereich berücksichtigt, der Astronomen zur Verfügung steht, können etwa die Hälfte der Baryonen im Universum derzeit als „dunkle Materie" bezeichnet werden.

Nun, nachdem wir das geklärt haben, kehren wir zum nicht-baryonischen Sektor der Dunklen Materie zurück. Die derzeit vielversprechendsten Kandidaten für Dunkle Materie stammen aus der Teilchenphysik, wo aktuelle Theorien der Supersymmetrie eine ganze Reihe von Möglichkeiten bieten. Im Minimalen Supersymmetrischen Standardmodell hat jedes Teilchen des Standardmodells ein Superpartner-Teilchen mit deutlich größerer Masse. Diese Teilchen würden nur in großer Menge in den frühesten Stadien des Universums existieren, aber das leichteste dieser Teilchen wäre gegen den Zerfall in leichtere Teilchen stabil (da es keine gibt) und würde daher bis heute bestehen. In Szenarien wie diesem ist das leichteste Teilchen typischerweise das Neutralino. Eine noch exotischere, aber weit diskutiertere Möglichkeit ist die so genannte "Axion". Kollektiv werden diese Teilchen allgemein als WIMPs bezeichnet, abgekürzt für "weakly interacting massive particle".

Seit vielen Jahren galten Neutrinos als vielversprechende Kandidaten für Dunkle Materie (mit dem Vorteil, dass wir definitiv wussten, dass sie existieren). Allerdings nahm mit der Ansammlung weiterer Belege aus der großräumigen Struktur und der kosmischen Hintergrundstrahlung die Möglichkeit, dass Neutrinos die Beobachtungen erklären könnten, ab. Um die Beobachtungen zu reproduzieren, musste die Dunkle Materie kalt sein, d. h. sich relativ zur Lichtgeschwindigkeit langsam bewegen. Aufgrund ihrer sehr kleinen Masse lassen sich Neutrinos sehr leicht auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigen. Da sie so viel kinetische Energie besitzen, kollabieren Neutrinos nicht leicht in relativ kleine Gravitationspotentiale. Wenn sie die dominante Form der Dunklen Materie wären, würden sie die Verteilung der Materie auf kleinen Skalen ausgleichen, was in direktem Widerspruch zur starken Clustering auf kleinen Skalen steht, die wir beobachten. Tatsächlich finden Kosmologen, wenn sie Informationen von WMAP einbeziehen, dass Neutrinos nicht mehr als 1,5% der gesamten Energiedichte im Universum ausmachen können.

Mit der wachsenden Evidenz für Dunkle Materie und der Fähigkeit der Teilchenphysik, eine Reihe plausibler Kandidaten vorzulegen, haben in den letzten Jahren mehrere Experimente begonnen, Dunkle Materie direkt nachzuweisen. Bisher waren die Experimente nicht in der Lage, einen definitiven Nachweis zu erbringen, doch ein großer Teil des theoretischen Parameterraums bleibt unerforscht. Für eine Übersicht der aktuellen Einschränkungen sind diese zwei Artikel lesenswert.

Eine weitere spannende Möglichkeit am Horizont ist der Large Hadron Collider. Dieses Experiment am CERN soll Energien erreichen, die hoch genug sind, um nach supersymmetrischen Teilchen zu suchen; deren Entdeckung ein wichtiger Indikator dafür wäre, dass unsere aktuellen Theorien über Dunkle-Materie-Teilchen eine starke Möglichkeit darstellen. Natürlich ist es auch möglich, dass der LHC etwas völlig Neues und Unerwartetes findet.

n) Dunkle Energie

In einem epizyklischen Wutanfall wird die Dunkle Energie schnell der Liste hinzugefügt, zusammen mit der Dunklen Materie. Wie im Fall der Dunklen Materie ignoriert die Bezeichnung der Dunklen Energie als Epizyklus, der eingefügt wurde, um das BB-Modell zu retten, eine Reihe von Fakten des Falls. Im Gegensatz zur Dunklen Materie stammt der einzige Beweis für die Dunkle Energie aus rein kosmologischen Messungen, doch die Existenz irgendeiner Art von Dunkler Energie war seit den frühesten Tagen der Theorie Teil der Allgemeinen Relativitätstheorie (GR) und des BB-Modells, was kaum das ist, was man von einem Parameter erwarten würde, der ad hoc erfunden wurde, um eine Theorie zu retten. Weiterhin stammt der Beweis für die Dunkle Energie aus einer Vielzahl von kosmologischen Beobachtungen, jede mit ihren eigenen unabhängigen Fehlern und systematischen Verzerrungen. Zusätzlich gibt es theoretische Argumente, dass diese Art von Energie sollte existieren.

Zunächst betrachten wir die beobachtbaren Beweise.

Mitte der 1990er Jahre hatten eine Reihe kosmologischer Beobachtungen eine ausreichende Präzision erreicht, sodass es schwierig war, sie mit einem von dunkler Materie dominierten Universum in Einklang zu bringen. Etwa ein halbes Jahrzehnt zuvor hatten Alan Guth und andere eine Ergänzung zum damaligen Bild des BBT vorgeschlagen: Inflation. Die Motivation für die Inflation bestand darin, das Horizont- und Flachheitsproblem zu erklären (im Grunde: warum ist das Universum so einheitlich und nahezu flach, wenn wir wissen, dass dies instabile Lösungen der Gleichungen sind, die das BBT regeln; dies wird ausführlicher in 3e behandelt). Seitdem ist die Inflation zu einem Standardbestandteil des BBT geworden (und bleibt es bis heute). Eine der allgemeinsten Vorhersagen der Inflation war, dass die Gesamtdichte des Universums sehr, sehr nahe am kritischen Wert liegen sollte. Messungen der Materiedichte aus den 1990er Jahren, basierend auf Galaxienhaufen und anderen Quellen, bevorzugten konsistent deutlich niedrigere Materiedichten, um den Daten zu entsprechen. Gleichzeitig ergaben Messungen der Alters der ältesten Sterne Altersangaben, die mit dem Alter des Universums nach einem reinen Materiemodell nicht vereinbar waren. Ein offenes Modell, bei dem die Dichte niedriger als der kritische Wert ist, würde diese Beobachtungsprobleme in gewissem Maße lindern, wäre jedoch schwer mit der Inflation zu vereinbaren, die durch die COBE-CMBR-Messungen einige Jahre zuvor einen starken Schub erhalten hatte. Wie sich herausstellte, löste die Dunkle Energie all diese disparaten Probleme. Die Geschichte wird in diesem Artikel ausführlicher erzählt: Dunkle Energie: Genau das, was Theoretiker bestellt haben.

Während dunkle Energie bis Ende der 1990er Jahre eine häufig genannte mögliche Lösung für den Zustand der Probleme war, waren nur wenige Kosmologen bereit, diesen Schritt ohne stärkere Beweise zu wagen. Für viele Kosmologen kam dieser Beweis in Form der Ergebnisse von Supernovae aus dem Jahr 1998. Zwei Teams, die unabhängig voneinander arbeiteten und weitgehend disjunkte Datensätze verwendeten, stellten fest, dass Beobachtungen entfernter Supernovae konsistent schwächer waren, als man für ein Universum mit nur Materie erwarten würde (siehe Riess 1998 und Perlmutter 1999). Tatsächlich stellten sie fest, dass die Expansion des Universums in den letzten mehreren Milliarden Jahren beschleunigt wurde, über den Effekt hinaus, der selbst für ein offenes Universum erwartet wird. Die beste Anpassung an die Daten umfasste einen erheblichen Anteil dunkler Energie, der ausreichte, um die Geometrie des Universums flach zu halten, während er gleichzeitig die Messungen von Galaxienhaufen mit niedriger Materiedichte bestätigte und die Alterskrise löste. Für weitere Details siehe diese Seite: Gibt es eine nicht-verschwindende kosmologische Konstante?.

Für diejenigen, die immer noch zögern, die Dunkle Energie in ihre Modelle aufzunehmen, wurde die Situation mit der Veröffentlichung der ersten WMAP-Ergebnisse des ersten Jahres schwieriger. Diese Beobachtungen zeigten, dass die Gesamtdichte des Universums dem kritischen Wert sehr nahe kam und damit den letzten Nagel in den offenen Sarg des offenen Universums schlug. Eine detaillierte CMB-Karte ermöglichte zudem eine viel sauberere Messung des integrierten Sachs-Wolfe-Effekts, eines der wichtigsten Indikatoren für die Dunkle Energie.

Eine gute Zusammenfassung der verschiedenen Beweislinien, die für die Existenz der Dunklen Energie sprechen, findet sich auch auf dieser Webseite: Dunkle Energie.

Obwohl die aktuellen Daten ausreichen, um die Notwendigkeit von etwas wie dunkler Energie anzudeuten, sind die Details der dunklen Energie noch weitgehend unbestimmt. Wir wissen nicht, was der Zustandsgleichung für dunkle Energie entspricht, ob sie konstant bleibt oder sich im Laufe der Zeit ändert, ob die Dichte der dunklen Energie im gesamten Raum konstant bleibt oder ob sie sich zu Clustern zusammenballt usw. Ähnlich wie bei dunkler Materie wurden jedoch eine Reihe potenzieller Modelle aus der theoretischen Physik vorgeschlagen, wobei die Physik der dunklen Energie im Allgemeinen spekulativer ist als die der dunklen Materie. Alle stimmen mit den aktuellen Daten überein, machen aber im Allgemeinen sehr unterschiedliche Vorhersagen für zukünftige Beobachtungen. Wir werden einige davon kurz besprechen.

Die grundlegendste Form der dunklen Energie ist eine kosmologische Konstante: eine glatte, konstante Energiedichte überall im Universum mit einem Zustandsgleichungsparameter gleich -1. Dieses Skalarfeld entspricht dem grundlegenden Bild des Vakuums aus der Quantenfeldtheorie: selbst in Abwesenheit von Teilchen füllen sogenannte „Nullpunktschwankungen" den gesamten Raum gleichmäßig. Ohne eine angemessene Theorie der Quantengravitation ist eine präzise Berechnung der Größe dieser Vakuumenergiedichte unmöglich (wir müssten die korrekte Quantisierung von Raum und Zeit kennen, um dies zu tun). In Abwesenheit einer solchen Theorie ergibt die offensichtlichste Berechnung (basierend auf der Planck-Masse) eine Vakuumenergiedichte, die etwa 120 Größenordnungen höher ist als die Energiedichte, die wir aus kosmologischen Beobachtungen ableiten. Diese Diskrepanz wurde als „die schlechteste Vorhersage, die je in der theoretischen Physik gemacht wurde" bezeichnet, und dies mit nicht geringem Grund.

Um diese Diskrepanz zu versöhnen, könnte man sich vorstellen, dass eine vollständige Aufstellung der Beiträge aller verschiedenen Teile der Theorie sich weitgehend gegenseitig aufheben würde und so die kleine Rest-Vakuumenergiedichte hinterlässt, die wir heute beobachten. Eine weitere Diskussion dieser Idee (und verwandter) findet sich hier: Was ist die Energiedichte des Vakuums?

Indem wir die Anforderung aufheben, dass die Dichte der dunklen Energie über die Zeit konstant bleibt, gelangen wir zur Klasse der dunklen Energie-Modelle, die als Quintessenz bezeichnet wird. Die Idee dahinter ist, dass wir anstatt auf eine geringe Asymmetrie in der Teilchenphysik, um unsere dunkle Energie zu erhalten, die Existenz eines (bisher völlig hypothetischen) Typs von Feld postulieren; erinnern Sie sich, dass in der Quantenfeldtheorie "Teilchen" und "Felder" im Wesentlichen dasselbe sind. Wie bei der Vakuumenergie ist die Zustandsgleichung für dieses Feld negativ. Allerdings kann, da es mit einem Feld und nicht mit einem angeborenen Bestandteil der Raumzeit verbunden ist, die Energiedichte und die Zustandsgleichung sich über die Zeit ändern. Je nach Details des Modells kann diese Flexibilität dazu beitragen, das "kosmische Koinzidenzproblem" zu erklären: die Tatsache, dass die Energiedichte der dunklen Energie und der Materie heute nahezu gleich sind, stellt uns an einen relativ seltenen Punkt in der Geschichte unseres Universums, vergleichbar mit dem Zufall, genau an dem Ort zu sein, an dem zwei transkontinentale Züge aneinander vorbeifahren. Die aktuellen Daten reichen aus, um eine sehr starke Evolution in der Zustandsgleichung einzuschränken, aber kleinere Änderungen, die mit einigen Varianten der Quintessenz verbunden sind, bleiben noch als lebensfähige Modelle bestehen.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Dunkle Materie zwar einige vielversprechende Modelle aufweist und die direkte Detektion in naher Zukunft eine sehr reale Möglichkeit ist, Dunkle Energie jedoch weiterhin ein Rätsel bleibt. Es existieren mehrere Modelle, die die aktuellen Daten erklären, doch keines von ihnen ist annähernd so ausgereift wie die Modelle für Dunkle Materie. Zukünftige Beobachtungen werden in der Lage sein, stärkere Einschränkungen sowohl für die aktuelle Zustandsgleichung als auch für deren zeitliche Veränderung zu setzen, jedoch ist das detaillierte Testen dieser Modelle äußerst herausfordernd. Wie in jedem Bereich der aktuellen theoretischen Forschung müssen wir einfach warten, bis mehr Daten verfügbar sind und die Theorie weiterentwickelt wurde, bevor wir detailliertere Aussagen treffen können.

z) Konsistenz

In der obigen Diskussion haben wir häufig auf die Tatsache hingewiesen, dass viele verschiedene Arten kosmologischer Beobachtungen kombiniert werden, um das Übereinstimmungsmodell Lambda CDM zu erzeugen, das die meisten Kosmologen heute verwenden. Dies sollte nicht als eine Reihe von Beobachtungen interpretiert werden, die alle voneinander abhängig sind, um sich gegenseitig zu stützen, wobei die Entfernung einer Beobachtung den gesamten Zusammenbruch zur Folge hätte. Vielmehr handelt es sich um das Finden von Schnittpunkten zwischen gegenseitigen Linien der Beweise, um die beste Gesamtlösung zu lokalisieren. Selbst wenn zukünftige Daten zeigen, dass unsere Interpretation einer Linie falsch ist, bleiben die anderen weitgehend unberührt.

Als Beispiel betrachten wir das Papier der WMAP-Mannschaft Determination of Cosmological Parameters. Das aus den WMAP-Messungen erhaltene Alter des Universums stimmt mit den beobachteten Sternaltermethoden überein. Das Verhältnis von Baryonen zu Photonen stimmt mit dem Verhältnis von Deuterium zu Helium überein, das aus der primordialen Nukleosynthese vorhergesagt wird. Die Hubble-Konstante stimmt mit Messungen von weit entfernten Supernovae, der Tully-Fisher-Beziehung und den Oberflächenhelligkeiten von Galaxien überein. Ebenso ist das kosmologische Modell aus den WMAP-Messungen mit Messungen der großräumigen Struktur aus Umfragen wie dem Sloan Digital Sky Survey (SDSS) und dem Two-Degree Field Survey (2dF) vereinbar. Wenn diese einzelnen Ergebnisse nicht miteinander vereinbar wären, würden wir keine Verbesserung der Parameterbeschränkungen sehen, wenn wir die Datensätze kombinieren. Die Tatsache, dass wir eine Verbesserung sehen, ist ein Beleg dafür, dass die Theorie tatsächlich zusammenhält.

3) Probleme und Einwände

Dieser Abschnitt behandelt eine Reihe der häufigsten Einwände gegen die BBT. Es handelt sich dabei nicht um vollständige Alternativen zur BBT (darauf gehen wir im nächsten Abschnitt ein), sondern um Einwände gegen entweder die grundlegende Basis der BBT oder radikale Neuinterpretationen der physikalischen Daten.

a) „Etwas kann nicht aus dem Nichts entstehen" - der erste Hauptsatz der Thermodynamik

Die einfache Aussage „etwas kann nicht aus dem Nichts entstehen" ist an sich nicht sehr überzeugend. Aus der Quantenfeldtheorie wissen wir, dass etwas tatsächlich aus dem Nichts entsteht: nämlich „Vakuumfluktuationen". Im einfachsten Fall können ein Elektron, ein Positron und ein Photon effektiv aus dem Nichts entstehen, für eine kurze Zeit existieren und sich dann gegenseitig auslöschen, ohne dass eine Netto-Erzeugung von Masse oder Energie stattfindet. Experimentelle Belege für solche Effekte wurden in zahlreichen verschiedenen Experimenten gefunden. Siehe beispielsweise die Wikipedia-Seite zum Casimir-Effekt.

Der gemeinsame Punkt für all diese Effekte ist, dass sie keine bekannten Erhaltungssätze der Physik verletzen (z. B. die Energieerhaltung, Impulserhaltung und Ladungserhaltung). Etwas kann tatsächlich aus dem Nichts entstehen, solange diese Erhaltungssätze dies erlauben. Aber Menschen argumentieren oft, dass die Urknalltheorie die Energieerhaltung verletzt (was im Wesentlichen dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik entspricht).

Es gibt mehrere valide Gegenargumente gegen dies: Erstens, wie bereits erwähnt, geht es bei der BBT nicht um den Ursprung des Universums, sondern um seine Entwicklung mit der Zeit. Daher hat jede Aussage, dass das Erscheinen des Universums „aus dem Nichts" unmöglich sei, nichts mit dem zu tun, worüber die BBT tatsächlich handelt. Ebenso gelten zwar die Gesetze der Thermodynamik für das Universum heute, doch ist nicht klar, ob sie notwendigerweise auch auf den Ursprung des Universums anwendbar sind; wir wissen es einfach nicht. Schließlich ist nicht klar, ob man sinnvoll über Zeit „vor dem Urknall" sprechen kann. „Zeit" ist ein integraler Bestandteil unseres Universums (daher der GR-Begriff „Raumzeit") – daher ist nicht klar, wie man genau die Energie vor und nach dem Urknall charakterisieren könnte, präzise genug, um zu schließen, dass sie nicht erhalten war.

Unter der Annahme, dass wir einen Weg finden, um Konzepte der Zeit außerhalb unserer Raumzeit zu behandeln, würde das Erscheinen des Universums aus dem Nichts nur den ersten Hauptsatz der Thermodynamik verletzen, wenn die Energie vorher von der Energie danach unterschiedlich wäre. Wahrscheinlich werden alle Menschen zustimmen, dass "Nichts" eine Energie von null haben sollte; daher wird der Satz nur verletzt, wenn die Energie des Universums ungleich null ist. Es gibt jedoch tatsächlich gute Argumente dafür, dass die Energie des Universums genau null sein sollte!

Dieser Schluss ist auf den ersten Blick etwas kontraintuitiv, da offensichtlich alle Masse und Strahlung, die wir im Universum sehen, eine enorme Menge verbundener Energie aufweisen. Allerdings berücksichtigt diese Bilanz die gravitative Potentialenergie innerhalb des Universums nicht. Im newtonschen Grenzfall können wir uns einen Eindruck von diesem Beitrag verschaffen, indem wir das Standardbeispiel eines Raketenstarts von der Erde betrachten, mit einer Geschwindigkeit, die groß genug ist, um das Gravitationsfeld der Erde zu "verlassen". Je weiter die Rakete von der Erde entfernt ist, desto kleiner wird ihre Geschwindigkeit, bis sie "im Unendlichen" auf null geht. Somit hat die Rakete "im Unendlichen" keine Energie mehr (wir vernachlässigen hier ihre "Ruheenergie", die für das Argument irrelevant ist). Unter Anwendung des Energieerhaltungssatzes folgt daraus, dass die Energie der Rakete auch dann null war, als sie die Erde verließ. Doch sie hatte damals eine hohe Geschwindigkeit, d. h. eine große kinetische Energie. Daraus folgt, dass die gravitative Potentialenergie, die sie auf der Erde besaß, negativ war. Für eine weitere Erklärung siehe z. B. diesen Beitrag über Negative gravitative Energie.

In einem Nature-Artikel aus dem Jahr 1973 skizzierte E. Tryon ein Argument, wonach die negative gravitative Potentialenergie des Universums dieselbe Größe hat wie die positive Energie, die in seinen Inhalten (Materie und Strahlung) enthalten ist, und somit die Gesamtenergie des Universums tatsächlich null (oder zumindest nahe null) beträgt.

Ein Teil der Schwierigkeit besteht darin, dass das Konzept der „gravitativen Energie" im Wesentlichen newtonianisch ist. In der Allgemeinen Relativitätstheorie (ART) macht das Äquivalenzprinzip die Definition einer gravitativen Energie, die konsistent aus allen Bezugssystemen betrachtet werden kann, problematisch. Ebenso ist die Idee der „Gesamtenergie des Universums" schwierig korrekt zu definieren. Misner, Thorne und Wheeler (einer der Standardtexte zur ART) behandeln dies ausführlich in Kapitel 20 ihres Buches.

Ein anderer Ansatz ist Walds „Hamiltonian" oder „Hamilton-Funktion" für GR, wie sie in seinem GR-Text abgeleitet wird. In der klassischen Physik kann diese Funktion (fast immer) als Darstellung der Gesamtenergie eines gegebenen Systems interpretiert werden. Unter Verwendung dieses Formalismus zeigt Wald, dass für ein geschlossenes Universum der Hamiltonian null ist. Ähnliche Argumente können auf denselben Effekt für ein flaches Universum angewendet werden, obwohl die Formulierung für den Hamiltonian bei einem offenen Universum unbestimmt bleibt.

Andere Versuche, die Energieerhaltung in der Allgemeinen Relativitätstheorie zu behandeln, haben sogenannte „Pseudotensoren" verwendet. Dieser Ansatz wurde von Einstein und vielen anderen erprobt. Derzeitige Auffassung ist jedoch, dass korrekte physikalische Modelle ausschließlich mit Tensoren formuliert werden sollten (siehe erneut Misner, Thorne und Wheeler, Kapitel 20), sodass dieser Ansatz an Beliebtheit verloren hat.

Dies führt jedoch zu einer gewissen Zwickmühle: Ohne eine angemessene Definition der potentiellen Energie der Gravitation gilt das Energieerhaltungsgesetz der klassischen Mechanik in der Allgemeinen Relativitätstheorie (ART) offensichtlich nicht. Daher kann für jede auf der ART basierende Theorie, wie die BBT, die Energieerhaltung nicht als Argument gegen sie angeführt werden. Folglich wird das Argument aus dem ersten Hauptsatz der Thermodynamkeit obsolet. Für eine ausführlichere Diskussion in dieser Richtung siehe diese FAQ-Seite zur Energieerhaltung in der ART.

b) Das heute hochgeordnete Universum könnte nicht aus einer Explosion entstanden sein – das zweite Gesetz der Thermodynamik

Dieses Argument ist eine Variante des üblichen kreationistischen Klischees, wonach die Evolution Ordnung aus Chaos schafft und damit scheinbar gegen den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik verstößt. Das Standard-Gegenargument ist natürlich, dass diese Formulierung nur auf isolierte Systeme zutrifft, nicht jedoch auf die Erde.

Wenn wir jedoch vom Universum sprechen, ist es nicht klar, ob diese Erwiderung zutrifft. Schließlich ist das Universum, so weit wir wissen, das ultimativ isolierte System, bei dem weder Energie in das System eintritt noch aus ihm austritt. Die Anwendung dieser einfachen Form des zweiten Hauptsatzes auf das Universum birgt jedoch einige Komplikationen.

Die gängige Fehlvorstellung vom Urknall ist, dass es sich um eine Explosion von Materie in bereits existierenden Raum handelt. Das ist jedoch nicht der Fall. Stattdessen besagt die BBT, dass sich der Raumzeit selbst ausdehnte. Offensichtlich müssen alle Aussagen, die von der Behauptung begleitet werden, der Urknall habe Ordnung erschaffen, mit einer Prise Salz aufgenommen werden.

Darüber hinaus gelten unsere alltäglichen Vorstellungen von „Ordnung" und „Unordnung" nicht wirklich für die physikalische Größe, die als „Entropie" bezeichnet wird. Tatsächlich zeigt Kolb & Turner, dass die Entropie des frühen Universums extrem niedrig war. Dies ergibt Sinn, wenn man bedenkt, dass in den sehr frühen Stadien des Universums die Verteilung von Materie und Energie extrem geordnet war, wie durch die Gleichmäßigkeit der kosmischen Hintergrundstrahlung (CMBR) demonstriert wird. In diesem Sinne könnte man die gesamte Verteilung von Materie und Energie im Universum mit einer einzigen Zahl (der Temperatur) mit sehr guter Näherung charakterisieren. Vergleichen Sie dies mit dem Universum, das wir heute sehen, gefüllt mit komplizierten, unordentlichen Verteilungen von Galaxien, Sternen und Gas. Die Entropie in diesen Objekten ist enorm (erinnern Sie sich an unsere frühere Diskussion über das Fehlen kohärenter Bahnen für Sterne in elliptischen Galaxien und Galaxien in Galaxienhaufen). Daher ist die Idee, dass die Entropie des Universus auf irgendeine Weise abgenommen hat und damit den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik verletzt, weitgehend unsinnig.

Ironischerweise führt diese leichtfertige Einwendung jedoch zu einer viel schwerwiegenderen Frage: Da die Entropie des Universums nur zugenommen hat, wie konnte es überhaupt eine so niedrige Entropie beim Entstehen haben? Zurzeit ist dies in der Kosmologie immer noch eine offene Frage. Offensichtlich treten hier viele der Probleme auf, die wir im vorherigen Abschnitt bezüglich der Zeit vor dem Urknall und der Anwendbarkeit physikalischer Gesetze am Ursprung des Universums dargelegt haben, aber es gibt bisher keine einfache Antwort.

c) Atheistische Theorie

Wie bei der Evolution wird auch die BBT von Kreationisten der Jungen Erde oft als eine weitere aus dem Nichts erfundene Theorie Atheisten, die versuchen zu leugnen, dass Gott das Universum und alles darin erschaffen hat, bezeichnet. Offensichtlich ist dies unter keinen Umständen ein wissenschaftliches Argument, und, wie die ähnliche Vorwürfe gegen die Evolution gerichtet wurden, ist die Behauptung auf den ersten Blick falsch.

BBT wird nicht nur von den meisten mainstream-christlichen (und anderen religiösen) Konfessionen akzeptiert, sondern sogar auch von Alt-Erd-Kreationisten wie Hugh Ross. Einige christliche Philosophen versuchen sogar, die BBT als Beweis für die Existenz eines Schöpfers zu verwenden – sie weisen beispielsweise darauf hin, dass diese wissenschaftliche Theorie mit der Bibel übereinstimmt in der Ansicht, dass das Universum einen Anfang hatte, dass das Licht zuerst kam (obwohl dies eine grobe Fehldarstellung dessen ist, was die BBT tatsächlich sagt), usw. Für Artikel, die Diskussionen über diese Art von Argumenten enthalten, siehe beispielsweise die Seite Physik und Religion.

Schließlich sei darauf hingewiesen, dass Lemaître, einer der Begründer der BBT (die zentralen Gleichungen der BBT werden oft als „Friedmann-Lemaître-Gleichungen“ bezeichnet), tatsächlich ein Jesuit war!

d) Sterne älter als das Universum?

Dies ist ein veraltetes Problem, taucht aber immer noch gelegentlich in einigen kreationistischen und anti-BBT-Schriften auf. Wir haben einen Teil davon im dunkle Energie-Abschnitt behandelt, werden dies aber zur Klarheit noch einmal wiederholen.

In den späten 1990er Jahren ergaben die besten Schätzungen des aktuellen Hubble-Parameters einen Wert von etwa 80 km/s/Mpc – nicht weit vom aktuellen besten Wert von etwa 72 km/s/Mpc entfernt und gut innerhalb des Fehlermarginals. Zu dieser Zeit war das Standardtheoretische Modell, basierend auf den Vorhersagen der Inflation und den CMBR-Beobachtungen von COBE, ein flaches, von Materie dominiertes Universum. Unter diesem Modell ergaben die Werte für den Hubble-Parameter ein geschätztes Alter des Universums von etwa 10 Milliarden Jahren. Gleichzeitig lagen die Altersschätzungen für die ältesten Sterne unserer Galaxie zwischen 13 und 18 Milliarden Jahren. Dieser Konflikt wurde als „Alter-Krise" bezeichnet.

Kurz darauf lösten zwei Verbesserungen der Daten dieses scheinbare Rätsel. Erstens lieferte der Satellit Hipparchos genauere Schätzungen für die Entfernungen zu den Sternen, die in den Altersmessungen verwendet wurden. Diese neuen Entfernungen waren größer als die vorherigen Messungen, was wiederum bedeutete, dass die betreffenden Sterne leuchtstärker waren, als zuvor angenommen. Die Berücksichtigung dieses Faktors in den Altersberechnungen reduzierte den Bereich der erwarteten Alterswerte um einige Milliarden Jahre. Zweitens zeigten die Messungen entfernter Supernovae und die anschließenden Messungen der CMBR-Anisotropie die Notwendigkeit von Dunkler Energie im Standard-Kosmologischen Modell. Die Einbeziehung dieses zusätzlichen Terms veränderte die Altersschätzung des Universums und brachte sie auf den aktuellen Wert von 13,7 Milliarden Jahren. Diese Kombination von Effekten löste die Alterskrise elegant.

h) Arp

Halton Arp ist ein professioneller Astronom, der früher mit dem Palomar-Observatorium verbunden war und der jetzt an den Max-Planck-Laboren in Deutschland arbeitet. Im Laufe vieler Jahre von Beobachtungen (und einer Reihe veröffentlichter Arbeiten) ist er zu dem Schluss gekommen, dass die Rotverschiebung, die für viele ferne Objekte gemessen wird, nicht kosmologischer Natur ist. Dies geht über die speziellen Geschwindigkeiten hinaus, die früher diskutiert wurden; in Arps Modell sind Rotverschiebungen intrinsisch und in keiner Weise mit der Entfernung verbunden.

Die Grundlage für diese Schlussfolgerung ist, dass viele Galaxienpaare (oder Galaxien, die mit Quasaren gepaart sind) auf eine Art physikalische Assoziation hindeuten, trotz großer Unterschiede in der Rotverschiebung (und damit im Abstand, wenn wir das Standard-BBT verwenden). Zum Beispiel kann der Arm einer Spiralgalaxie so erscheinen, als würde er sich in Richtung eines nahen Quasars erstrecken oder (wie diese Geschichte zeigt) ein Quasar sogar innerhalb einer Galaxie liegen könnte. Arp hat einen gesamten Katalog dieser diskordanten Rotverschiebungs-Assoziationen veröffentlicht.

Arps Behauptungen werden von einigen anderen Astronomen unterstützt, vor allem von Gregory und Margaret Burbidge. Die meisten Astronomen lehnen seine Behauptungen jedoch ab und weisen darauf hin, dass seine Beobachtungen durch zufällige Überlagerungen von Objekten am Himmel erklärbar sind. Die Berechnung der exakten Wahrscheinlichkeit einer gegebenen Menge von Überlagerungen kann sehr schwierig sein, und Arps Unterstützer und Kritiker sind sich im Allgemeinen uneinig darüber, ob Arps Berechnungen in dieser Hinsicht gültig sind.

Kürzlich hat eine Studie von Scranton et al. (2005) möglicherweise etwas Licht auf diese Kontroverse geworfen. Unter Verwendung von Daten aus dem Sloan Digital Sky Survey wurden die Positionen von 200.000 Quasaren mit den Positionen von 13 Millionen Galaxien korreliert. In Arps Modell sind Galaxien und Quasare physisch miteinander verbunden, und daher würde man erwarten, dass die Korrelation der beiden Populationen stark der Korrelation der Galaxien mit sich selbst ähnelt. Auf der anderen Seite sagt uns das BBT, dass die Quasare in diesem Stichprobenumfang viel weiter entfernt sind als die Galaxien, sodass die Kreuzkorrelation aufgrund tatsächlicher gravitativer Clusterung nahezu null sein sollte. Stattdessen sollten wir eine induzierte Kreuzkorrelation aufgrund der gravitativen Linse der Quasare durch die Vordergrundgalaxien beobachten. Dieses Signal ist viel kleiner als dasjenige, das von Arps Modell erwartet wird, und ändert sein Vorzeichen je nach Quasarpopulation. Als die SDSS-Forscher die Messung durchführten, stimmten die Ergebnisse mit der Erwartung aus dem BBT mit hoher statistischer Signifikanz überein. Weitere Details finden Sie in diesem Artikel und dieser Diskussion.

i) Tifft

Eine weitere populäre Figur unter denjenigen, die die BBT in Frage stellen, ist William Tifft. Sein Ruhm beruht ebenfalls auf dem Rotverschiebungsthema. Im Gegensatz zu Arp untersuchte er keine Korrelationen zwischen verschiedenen Objekten. Stattdessen behauptete er, eine periodische Struktur in den Rotverschiebungen entdeckt zu haben: Rotverschiebungen können keinen beliebigen Wert annehmen, sondern sind „quantisiert". Daher würden wir nur Rotverschiebungen als ganzzahlige Vielfache eines bestimmten Grundwerts erwarten; siehe Tifft (1997) für eine Übersicht. Wie Arps Behauptung würde dies die traditionelle Interpretation der Rotverschiebung stark in Frage stellen. Wie Arp hat auch Tifft seine Unterstützer, einschließlich einiger Kreationisten. Tiffts Behauptungen finden sich in Barry Setterfields Artikel zu The vacuum, light speed, and the redshift.

Leider für Tiffts Behauptung hat sich die Quantisierungsskala für Rotverschiebungen weiter verkleinert, je mehr Daten verfügbar wurden. Der anfängliche Wert betrug 72,46 km/s. Weitere Beobachtungen brachten diesen Wert auf 36,2 km/s, 8,05 km/s und schließlich 2,68 km/s. Bezogen auf die Lichtgeschwindigkeit deutet dies auf eine Quantisierung in z von etwa 0,00001 hin, was leicht über (oder sogar unter) der Präzision für viele gängige Rotverschiebungs-Messungen liegt.

Die wahrscheinlichste Erklärung für Tiffts ursprüngliche Messungen ist das Vorhandensein von großräumigen Strukturen. Galaxien sind nicht zufällig im Universum verteilt. Stattdessen sind sie in Clustern, „Wänden" und „Fäden" gruppiert, dank ihrer gegenseitigen gravitativen Anziehung. Ebenso führt diese Gruppierung zu großen Leerräumen zwischen diesen Strukturen. Wenn man nur einen langen, schmalen Strahl durch diese Struktur betrachtet (eine „Pencil-Beam"-Erfassung – wie dies für einen Großteil der frühen Rotverschiebungs-Kataloge geschehen ist), würde man natürlich einige „Quantisierung" als Relikt dieser gravitativen Wechselwirkung erwarten. Als Astronomen in der Lage waren, eine viel größere, breitere Stichprobe von Galaxien-Rotverschiebungen zu verwenden, wie die 2dF-Galaxien-Erfassung, fanden sie keine Beweise für Tiffts Quantisierung (Hawkins 2002). Einige Unterstützer von Tiff wandten ein, dass die Studie Quasare statt (naher) Galaxien untersuchte, doch diese Beschwerde wirkt etwas seltsam – schließlich sollte, wenn die Rotverschiebung quantisiert ist, sie überall quantisiert sein, nicht nur in unserer „Nachbarschaft".

4) Alternative kosmologische Modelle

Bevor wir uns mit den Alternativen befassen, sei betont, dass keine Alternative zum BBT entwickelt wurde, die den gesamten Bereich der Beobachtungen erklären kann, die vom aktuellen BBT abgedeckt werden. Dies soll nicht bedeuten, dass ein solches Modell unmöglich ist, sondern lediglich, dass es noch nicht gefunden wurde. In allen unten diskutierten Fällen wird ein Teil der aktuellen Daten entweder ignoriert oder auf irgendeine Weise umgelenkt (z. B. die Behauptung, dass die Daten nicht kosmologisch seien, sondern lediglich auf noch nicht beschriebene lokale Effekte zurückzuführen seien).

Der Zweck dieses Abschnitts besteht nicht darin, jedes dieser Modelle endgültig zu widerlegen (oft ist dies bereits eine eigene FAQ). Stattdessen werden wir jedes Modell und die damit verbundenen Gegenargumente kurz beschreiben und Hinweise auf ausführlichere Diskussionen geben.

a) Steady State und Quasi-Steady State

Im Jahr 1948 entwickelten H. Bondi, T. Gold, und F. Hoyle das Steady-State-Modell als Alternative zum Lemaitre-Friedman-Urknallmodell, das Jahrzehnte zuvor beschrieben wurde. Dieses Modell besagte, dass das kosmologische Prinzip nicht nur für den Raum, sondern auch für die Zeit gültig sei – das Universum habe immer so ausgesehen und werde immer so aussehen wie heute. Dieses Modell akzeptierte die Vorstellung einer expandierenden Raumzeit (tatsächlich war die Expansion exponentiell), doch die Materiedichte wurde durch die kontinuierliche Schöpfung von Materie auf einem konstanten Niveau gehalten. Darüber hinaus war die Materiedichte gleich dem kritischen Wert, der notwendig ist, um die Geometrie des Raumes flach zu halten.

Zu dieser Zeit war dieses Modell eine tragfähige Alternative zum Standard-Big-Bang-Modell. Es war mit den damals verfügbaren Daten vereinbar und erklärte einige Probleme des Standardbildes, die als bedenklich erschienen. Allerdings warfen spätere Beobachtungen wie die Häufigkeit leichter Elemente und die Entdeckung der kosmischen Hintergrundstrahlung ernsthafte Zweifel an der Gültigkeit des Steady-State-Modells auf. An diesem Punkt gaben die meisten Kosmologen dieses Modell zugunsten des BBT auf.

Unbeeindruckt davon aktualisierte Hoyle (zusammen mit Burbidge und Narlikar) das Modell des stationären Zustands im Jahr 1993 und nannte die Erweiterung das Quasi-stationäre Zustandsmodell. Wie beim Modell des stationären Zustands existiert das Universum seit jeher. In dieser Modifikation durchläuft das Universum jedoch Pulsationen, wobei es sich abwechselnd ausdehnt und zusammenzieht. Der „Absprung" am Ende jeder kollabierenden Phase wird durch ein Feld mit negativer Energiedichte verursacht, das der dunklen Energie im Standard-Big-Bang-Modell (BBT) in gewisser Weise analog ist. Dies ermöglicht es dem Modell, mehr der beobachtbaren Evidenz als die vorherige Version zu berücksichtigen, scheitert es jedoch an mehreren Punkten, einschließlich der beschleunigten Ausdehnung, die seitdem detektiert wurde. Für weitere Details siehe Ned Wrights Seite zu Fehlern in den Modellen des stationären Zustands und des Quasi-SS.

b) MOND

MOND ist die Abkürzung für "Modification Of Newtonian Dynamics". Die grundlegende Idee hinter MOND resultiert aus der Diskrepanz zwischen der Menge und Verteilung der Materie, die aus dem sichtbaren Licht in Spiralgalaxien abgeleitet wird, und derjenigen, die sich aus der Untersuchung der Geschwindigkeiten von Sternen in diesen Galaxien ergibt. Die Standardinterpretation dieser Daten besagt, dass Galaxien Dunkle Materie enthalten. MOND erklärt diese Daten, indem es die Art und Weise ändert, wie die Gravitation wirkt. Von Milgrom vorgeschlagen (Milgrom 1983), besagt MOND im Wesentlichen, dass für große Entfernungen (kleine Kräfte) Newtons Gravitationsgesetz nicht mehr gültig ist, sondern modifiziert werden muss. Mit diesem Ansatz ist es tatsächlich möglich, die Rotationskurven von Galaxien quantitativ zu erklären.

Während MOND die Rotationskurven von Spiralgalaxien erklärt, sind dies bei weitem nicht der einzige Beweis für Dunkle Materie. Wie wir früher ausführlich dargelegt haben, gibt es eine Vielzahl von Belegen für Dunkle Materie, von denen nicht alle mit dynamischen Messgrößen wie Rotationskurven zusammenhängen (z. B. Gravitationslinseneffekt, bei dem die Ablenkung des Lichts in der Allgemeinen Relativitätstheorie das Doppelte beträgt, was von der newtonschen Dynamik und MOND vorhergesagt wird). Es ist überhaupt nicht klar, ob MOND auch alle diese Beobachtungen konsistent erklären kann (siehe Aguirre 2001 oder Sanders 2002). Spezifischer noch zeigten Beobachtungen aus dem Jahr 2002 mit dem Chandra-Röntgenobservatorium direktere Beweise gegen MOND. Das heiße, Röntgenstrahlung emittierende Gas um die Galaxie NGC 720 bildet eine ellipsoidische Wolke. Dies wiederum erfordert ein ellipsoidisches Gravitationspotential. Während dies mit Dunkler Materie möglich ist, führt die einheitliche Beschleunigungsskala aus MOND unmittelbar zu einem sphärischen Gravitationspotential.

Aus theoretischer Sicht bestehen zudem mehrere Probleme. Grundsätzlich ist MOND eine ad hoc-Modifikation einer ansonsten gut gestützten Theorie der Natur. Dieser Ansatz mag als phänomenologisches Rahmenwerk für ein bestimmtes Experiment oder Beobachtungen angemessen sein, aber im allgemeinen Fall gibt es keinen Grund, warum er funktionieren sollte. Ein Beispiel hierfür ist, dass diese Formulierung für Spiralgalaxien, in denen sich kleine Massenkörper um eine große, zentral konzentrierte Masse kohärent bewegen, sehr gut funktioniert, aber für Fälle, in denen die Massenskalen ausgeglichener sind, z. B. Galaxien in einem Cluster, völlig versagt. Sind die Abstände zwischen den Galaxien im Vergleich zur MOND-Skala groß oder klein? Von welchem Punkt aus definieren wir Distanz und Beschleunigung? Mit dieser Art von Nachteil hat es sich als extrem schwierig erwiesen, MOND zu einer vollständig relativistischen Theorie zu machen.

Kürzlich schlug Bekenstein eine neue Theorie vor (im Wesentlichen eine Erweiterung der GR), die mehrere Probleme von Milgroms Modell für MOND überwinden könnte (Bekenstein 2004), aber es ist noch nicht klar, wie gut sie die verfügbaren Beweise adressieren kann. Die Arbeit läuft noch, aber es gibt eine kurze Diskussion im Artikel Was Einstein falsch war? auf dem Preposterous Universe Blog. Bis das von Bekenstein vorgeschlagene Modell eingehender analysiert ist, bleibt MOND primär eine theoretische Übung darüber, wie weit man Alternativen zur GR vorantreiben kann, während man gleichzeitig mit dem globalen Datensatz (sowohl kosmologische Beweise als auch GR-Tests innerhalb unseres Sonnensystems und Galaxien) konsistent bleibt.

c) Erschöpfendes Licht

Dies ist kein einzelnes Modell, sondern ein Sammelbegriff für verschiedene Ansätze, die versuchen, die beobachtete Rotverschiebung durch Mechanismen zu erklären, die nicht auf die kosmologische Expansion zurückgehen. Es gibt eine Vielzahl von Ansätzen, doch alle versuchen darzulegen, dass Licht auf irgendeine Weise natürliche Energie verliert, wenn es über große Distanzen reist.

Im Gegensatz zu MOND, das gelegentlich Fachzeitschriftenartikel hervorbringt, haben Ermüdungslicht-Modelle im Wesentlichen keine Unterstützung unter professionellen Kosmologen. Dies liegt hauptsächlich daran, dass wir eine große Menge an Beweisen zur Verfügung haben, die zeigen, dass das Universum tatsächlich expandiert, wie von der Allgemeinen Relativitätstheorie (GR) vorhergesagt, wodurch eine alternative Erklärung für die kosmologische Rotverschiebung weitgehend irrelevant wird. Peebles behandelt viele der Beobachtungen, die dem Ermüdungslicht widersprechen, in seiner Kosmologie-Lehrbuch, einschließlich beispielsweise des Tolman-Tests. Beweise, die seit der Abfassung dieses Textes gesammelt wurden, wie die Zeitdilatation der Lichtkurven von Supernovae und die Änderung der CMBR-Temperatur mit der Rotverschiebung, tragen nur noch dazu bei, den Fall gegen das Ermüdungslicht zu stärken. Ned Wright hat zudem eine spezifische FAQ , die das Ermüdungslicht widerlegt.

d) Plasmakosmologie

Im Jahr 1991 veröffentlichte Eric Lerner das Buch The Big Bang Never Happened, in dem er mehrere Probleme mit dem Standard-BBB aufzeigte und eine alternative Theorie förderte, die auf der Plasmaphysik basiert. Nach diesem Modell ist das Universum unendlich alt und durchläuft Zyklen (ähnlich der quasi-stationären Theorie von Hoyle et al., siehe 4a). In der Plasmakosmologie ist die Elektromagnetismus die dominante Kraft für die Bildung von Galaxien und großräumigen Strukturen, anstatt die Schwerkraft.

Lerners Argumente gegen das BBT sind bei weitem nicht überzeugend. Er behauptet, dass aktuelle Vorstellungen zur Strukturbildung (kleine Dichtefluktuationen wachsen durch gravitative Wechselwirkungen mit ihrer lokalen Umgebung) die beobachtete großräumige Struktur des Universums nicht erklären können. Dies ignoriert bequemerweise Computersimulationen, die die Fähigkeit dieses Mechanismus demonstrieren, Strukturen zu erzeugen, die statistisch den Beobachtungen entsprechen (siehe 2f). Er bestreitet zudem die Existenz von dunkler Materie und dunkler Energie und wiederholt die These, dass dies Epizyklen seien, die der Theorie hinzugefügt wurden, als sie die Erwartungen nicht erfüllte. Dies ist eindeutig nicht der Fall für entweder dunkle Materie oder dunkle Energie. Er behauptet auch, dass die Werte für die Menge an dunkler Materie in ständiger Veränderung seien. Dies ignoriert die Tatsache, dass frühe Messungen aufgrund kleiner Stichprobengrößen relativ große Fehlerbalken aufwiesen. Da die verfügbaren Daten zugenommen und die Präzision verbessert wurde, haben sich die Werte aus einer Vielzahl von Methoden schön angenähert. Lerner weist auch darauf hin, dass dunkle Materie auf der Erde noch nicht direkt nachgewiesen wurde, was erneut die Tatsache ignoriert, dass Teilchenbeschleuniger und andere direkte Nachweismethoden noch nicht die Energien oder Empfindlichkeiten erreicht haben, die für einen positiven Nachweis als notwendig erachtet wurden. Die Liste geht und geht weiter.

Gleichzeitig sind Lerner's Behauptungen über die Fähigkeit des Plasma-Kosmologie-Modells, die Beobachtungen korrekt zu beschreiben, einfach falsch. Ned Wright hat eine Widerlegung vieler von Lerner's Argumenten verfasst, die auf der Seite Fehler in "The Big Bang Never Happened" zu finden ist. Sie ist nicht immer direkt auf den Punkt, enthält aber genügend Informationen, um klar zu machen, dass Lerner's Argumente einfach unbegründet sind. Lerner hat auf Wright's Kritik geantwortet, aber seine Argumente haben sich nicht verbessert – und er ignoriert einfach einige von Wright's Argumenten.

Wie viele Kreationisten hat auch Lerner die schlechte Angewohnheit, wissenschaftliche Artikel zur Unterstützung seiner Argumente anzuführen, obwohl diese in der Tat seinen Behauptungen widersprechen. Ein schönes Beispiel hierfür ist der Artikel von Scranton et al. (2003), der Hinweise auf die Existenz dunkler Energie durch die Messung des integrierten Sachs-Wolfe-Effekts fand. Lerner ignoriert die Schlussfolgerungen der Arbeit und behauptet, sie zeige eine Diskrepanz zwischen dem BBT und den Beobachtungen. Die ISW-Messungen sind zwar tatsächlich inkonsistent mit einem flachen, nur aus Materie bestehenden Universum, stimmen aber sehr gut mit dem überein, was vom Lambda-CDM-Universum erwartet wird. Tatsächlich war diese Messung eine wichtige Überprüfung, die zwischen beiden Modellen unterschied. Lerner spielt ein ähnliches Spiel mit Vorhersagen bezüglich der Größe von Hohlräumen in der lokalen großräumigen Struktur. Diese werden für ein Lambda-CDM-Universum als deutlich größer vorhergesagt als für ein nur aus Materie bestehendes Universum, und Lerner verweist auf letzteres als widersprüchlich zu den Daten, während er ignoriert, dass ersteres sehr gut übereinstimmt.

e) Humphreys

Es gibt auch Kreationisten, die versuchten, das BBT durch ihre eigenen Modelle zu ersetzen, wobei das prominenteste unter ihnen Dr. Russell Humphreys ist. Sein Modell, das in seinem Buch Starlight and Time enthalten ist, wird von mehreren kreationistischen Organisationen unterstützt, darunter das Institute for Creation Research und Answers in Genesis - dies trotz der Tatsache, dass es auch unter Kreationisten weitgehend angefochten wurde und die Herausgeber der Konferenzprotokolle für die Internationale Konferenz über Kreationismus im Jahr 1994 zu dem Schluss kamen, dass es offensichtlich fehlerhaft ist (siehe den Artikel Der aktuelle Stand der Kreation-Astronomie, veröffentlicht von der ICR, am Ende).

Der Kern von Humphreys' Modell ist die Aufgabe des kosmologischen Prinzips. Stattdessen schlägt er vor, dass das Universum nicht homogen ist, sondern die Form einer Kugel mit einem endlichen Radius hat. Im Modell entstand das Universum aus einem einzigen Punkt in der Mitte der Kugel. Tatsächlich bringt Humphreys' Modell viele der verbreiteten Missverständnisse zum Leben, die über das, was das BBT tatsächlich über den Ursprung des Universums sagt.

Humphreys versucht, GR auf die resultierende Materieverteilung anzuwenden und behauptet, dass die gravitative Zeitdilatation dazu führt, dass die Zeit je weiter man sich vom Zentrum entfernt, desto schneller vergeht. Wenn man postuliert, dass sich die Erde sehr nahe am Zentrum des Universums befindet, behauptet Humphreys, dass dies ein zentrales Problem für den Jungen-Erde-Kreationismus löst: Wie man die Beweise für ein altes Universum mit der Forderung in Einklang bringt, dass die Erde innerhalb der letzten 10.000 Jahre (gegeben oder genommen) erschaffen wurde.

Humphreys modelliert das Zentrum des Universums als ein "weißes Loch", das Gegenteil eines schwarzen Lochs (anstatt dass nur Materie nach innen strömt, emittiert ein weißes Loch ständig Materie und Energie). Er kann nicht erklären, warum dieses weiße Loch nicht mehr zu existieren scheint (wir würden sonst zumindest den extrem starken Röntgenstrahlungsfluss bemerken), doch dies ist bei weitem nicht das einzige Problem mit dem Modell. Insbesondere verfälscht Humphreys die Standardbehandlung der allgemeinen Relativitätstheorie für die gravitative Zeitdilatation: Damit die Zeit weit entfernt von der Erde schneller vergeht, müssten wir uns nahe einem schwarzen Loch befinden, nicht einem weißen Loch. Humphreys versuchte sein Modell später zu retten, indem er eine Zeitdilatation innerhalb des weißen Lochs behauptete, doch dies war ebenso unbrauchbar. Es versteht sich von selbst, dass sein Modell eine Vielzahl kosmologischer Beobachtungen nicht erklären kann, z. B. die Existenz der kosmischen Hintergrundstrahlung und ihre Anisotropie, die Zeitdilatation bei Supernovae, die Häufigkeit leichter Elemente und so weiter.

Wie bereits erwähnt, war Humphreys' Modell Gegenstand einer erheblichen Kritik innerhalb der Kreise der Kreationisten, insbesondere seitens der Alt-Erde-Kreationisten-Organisation Reasons to Believe; siehe ihren Artikel The Unraveling of Starlight and Time. Weitere wertvolle Argumente aus der kreationistischen Seite finden sich in den Artikeln Starlight and Time is the Big Bang und Errors in Humphreys' cosmological model. Weitere Kritikpunkte an Humphreys' Modell sowie seine Antworten darauf sind gesammelt unter Russell Humphreys answers Various Critics.

f) Gentry

Ein weiterer Kreationist, der versuchte, ein alternatives Modell zu entwickeln, ist Dr. R. Gentry (sonst vor allem bekannt für seine "Polonium-Halo"-Argumente für eine jüngste Schöpfung). Sein Modell und die Versuche, es mit den damaligen Beobachtungen in Verbindung zu bringen, sind größtenteils in zwei Artikeln enthalten: Eine neue Rotverschiebungsinterpretation und Die wahre kosmische Rosetta.

Wie in Humphreys' Modell postuliert Gentry ein sphärisches Universum mit der Erde nahe dem Zentrum. Nach Gentrys Ansicht dehnt sich das Universum nicht aus, sondern führt dunkle Energie innerhalb des Universums zu einer realen, physikalischen Bewegung von Galaxien weg vom Zentrum des Universums (und damit grob eine Hubble-ähnliche Beziehung zwischen Distanz und Rotverschiebung). Um die CMBR zu erzeugen, umgibt er das Universum mit einer dünnen, undurchsichtigen Hüllschale aus Wasserstoff. Wie Humphreys ist Gentrys Modell intern inkonsistent und steht zudem in schwerwiegendem Konflikt mit der Allgemeinen Relativitätstheorie (GR) und einer großen Menge der beobachtungsbezogenen Evidenz. Eine detailliertere Widerlegung von Gentrys Modell findet sich in Carlip & Scranton (1998) und im talk.origins FAQ Debunking Robert Gentry's New Redshift Interpretation Cosmology. Obwohl diese Artikel heute schon einige Jahre alt sind, haben neuere Beobachtungen nichts dazu beigetragen, die Übereinstimmung mit Gentrys Modell zu verbessern.

5) Offene Fragen

a) Der Ursprung des Universums

Wie sich nun klar ergeben sollte, geht es bei BBT nicht um den Ursprung des Universums, sondern vielmehr um seine Entwicklung im Laufe der Zeit. Kreationisten stellen dies oft als Schwäche dar und argumentieren, dass, wenn die Wissenschaft den Ursprung nicht erklären kann, das Universum also geschaffen worden sein muss! Abgesehen von diesem fehlerhaften Schlussfolgern bleibt der ultimative Ursprung des Universums ein Thema laufender theoretischer Forschung, sowohl aus der Perspektive der Suche nach Modellen, die die aktuellen Belege erklären können, als auch aus der Generierung einzigartiger Vorhersagen aus diesen Modellen für zukünftige Beobachtungen. Derzeit bleiben die meisten dieser Modelle hochgradig spekulativ, doch es lohnt sich, einige der aktuellen Möglichkeiten vorzustellen, insbesondere im Lichte des Namens des Archivs.

  • Eine der beliebtesten Optionen ist die "chaotische Inflation", die erstmals von Linde 1983 beschrieben wurde. Dies ähnelt dem inflationären Szenario, das von Guth vorgeschlagen wurde (siehe unten), doch statt innerhalb unseres Universums zu geschehen, dauert die Inflation unbegrenzt an, während kleine Universen sich vom Hauptinflationsbereich "abspalten". Diese "Blase"-Universen sind eigenständige Raumzeitkontinua, die aufgrund der durch die exponentiell expandierende Inflationsregion ermöglichten enormen Entfernungen kausal voneinander getrennt sind. Für weitere Details siehe An Inflating Bubble in Chaotic Inflation oder den entsprechenden Abschnitt in Inflation for Beginners.

    Dieses Modell löst die Frage "Was war vor dem Urknall?" auf ähnliche Weise wie das Problem der unendlichen Regression. Unser Universum wurde durch ein Inflationsereignis in einem anderen Universum zu einem beliebigen Zeitpunkt in der unendlichen Vergangenheit geschaffen. Ob dies befriedigend ist, bleibt dem Leser zur Entscheidung überlassen.
  • Stringtheorie schlägt ebenfalls einige Lösungen vor. Eine der derzeit untersuchten Ideen ist die Möglichkeit, dass vor dem Urknall etwas wie ein "Spiegelbild" unseres Universums existierte. Unser Universum begann (fast) unendlich dicht und heiß und wird (wahrscheinlich) in die unendliche Zukunft hinein weitergehen, dabei immer dünner werdend und sich immer mehr abkühlend. Dies wurde von einem Universum vorausgegangen, das im Wesentlichen dasselbe war, jedoch mit umgekehrter Zeitkoordinate. Der "Big Crunch" am Ende jenes Universums erzeugte dann unser gegenwärtiges Universum.
  • Ein weiteres von der Stringtheorie inspiriertes Modell ist das "ekpyrotische" oder "zyklische Universum" von P. Steinhardt, entwickelt 2002. Es postuliert, dass Raum und Zeit in der Vergangenheit ewig existierten und dass das Universum eine endlose Folge von Zyklen durchläuft. Es durchläuft periodisch einen Big Crunch, gefolgt von einem Big Bang, mit Billionen von Jahren zwischen jedem Bang und Crunch. Zu keinem Zeitpunkt im Zyklus werden Dichte oder Temperatur unendlich. Diese Oszillationen geschehen, weil unser Universum tatsächlich in einem höherdimensionalen Raum eingebettet ist, zusammen mit anderen solchen Universen. Diese Universen expandieren unabhängig voneinander gemäß der Allgemeinen Relativitätstheorie (GR), um dann einen Crunch zu erleiden, wenn sie sich in diesem höherdimensionalen Raum einander nähern. Wenn diese Universen kollidieren und sich trennen, durchlaufen sie einen Bang und wiederholen den Prozess.

    Wie bei jeder neuen Idee hat Steinhards Modell eine große Menge Kritik von anderen Kosmologen erfahren. Er hat geantwortet auf viele dieser Kritikpunkte, darauf hinweisend, dass viele der behaupteten Probleme auf Missverständnissen beruhten, aber auch zugibend, dass es immer noch viele ungelöste Fragen gibt, die erklärt werden müssen.

Die zweite und dritte Idee werden im Artikel von Scientific American The Myth of the Beginning of Time detaillierter erläutert. Dieser Artikel weist auch darauf hin, dass diese Ideen derzeit zwar hauptsächlich spekulativ sind, es dennoch Möglichkeiten gibt, sie tatsächlich zu testen. Insbesondere machen diese drei Modelle (chaotische Inflation, Spiegeluniversum oder zyklisches Universum) jeweils eindeutige Vorhersagen für die statistischen Eigenschaften der CMBR. Obwohl die verfügbaren Daten von der WMAP-Sonde gut sind, reichen sie noch nicht aus, um zu bestimmen, welches dieser drei Modelle zutrifft (oder ob etwas anderes benötigt wird). Dennoch werden die Nachfolger von WMAP (sowohl bodengestützte Missionen als auch der Planck-Satellit) bereits gebaut, sodass die nächsten Jahre möglicherweise mehr Licht auf diese Frage werfen.

b) Flachheit und Horizont

Bereits in den 1970er Jahren war bekannt, dass die Dichte unseres Universums relativ nahe an der kritischen Dichte lag (aktuelle Messungen setzen sie bei etwa 30 % der kritischen Dichte). Auf den ersten Blick mag dies kein Problem darstellen – die Materiedichte muss einen bestimmten Wert annehmen, sodass jeder Wert gleich gültig erscheinen könnte. Allerdings ist nicht nur die Materiedichte selbst nicht statisch, sondern auch der Wert der kritischen Dichte ändert sich im Laufe der Zeit. Insbesondere gilt: Wenn das Verhältnis der Materiedichte zur kritischen Dichte kleiner als eins ist (ein offenes Universum), wird dieses Verhältnis mit fortschreitender Zeit immer kleiner. Das Gegenteil gilt für ein geschlossenes Universum; anstatt sich asymptotisch auf null zu nähern, divergiert das Verhältnis. Folglich muss, wenn die Dichte des Universums derzeit nahe bei eins liegt, sie in früheren Zeiten des Universums noch näher bei eins gelegen haben. Und je weiter man in die Vergangenheit zurückblickt, desto näher bei eins musste sie sein.

Obwohl dies nicht explizit ein Konflikt zwischen Daten und Theorie an sich ist (es gibt in der BBT nichts, was den Anfangswert der Materiedichte vorgibt), wirkte die Übereinstimmung für viele Kosmologen wie ein wunderbares „Feinabstimmen". Da das Verhältnis der tatsächlichen Dichte zur kritischen Dichte die Krümmung des Universums bestimmt und eine Übereinstimmung beider Werte bedeutet, dass das Universum flach ist, wurde dies in der Kosmologie als das „Flachheitsproblem" bezeichnet.

Gleichzeitig zeigten Messungen der CMBR, dass die Temperatur am Himmel sehr einheitlich war. Obwohl Kosmologen erwarteten, die Temperatur sei überall ungefähr gleich, war das Ausmaß der Einheitlichkeit beunruhigend. Damit zwei Punkte im Universum die gleiche Temperatur aufweisen können, müssen sie in der Lage sein, Photonen auszutauschen. Da Photonen mit endlicher Geschwindigkeit reisen und das Universum ein endliches Alter hat, stellt dies eine obere Grenze (den Horizont) für die Größe eines Bereichs dar, der zu einem gegebenen Zeitpunkt in der Geschichte des Universums die gleiche Temperatur aufweisen kann. Da sie die Rotverschiebung der CMBR kannten (und damit den Zeitpunkt ihrer Emission), erwarteten Kosmologen nicht, dass Bereiche größer als etwa 300.000 Lichtjahre die gleiche Temperatur aufweisen. Stattdessen sahen sie Bereiche am Himmel, die sich zum Zeitpunkt der Entstehung der CMBR um viele, viele Millionen Lichtjahre voneinander entfernt befunden hätten und apparently im thermischen Gleichgewicht waren. Dies wurde als das "Horizontproblem" bekannt. Wie beim Flachheitsproblem ist dies kein Problem, das eine Theorie widerlegt, sondern eher eine scheinbare Übereinstimmung, die verdächtig wirkte.

Im Jahr 1981 schlug Guth eine mögliche Lösung für beide dieser Probleme (und andere) vor – eine Hypothese, die heute als Inflation bekannt ist (Guth 1981). Die Grundidee ist, dass zu einem sehr frühen Zeitpunkt in der Geschichte des Universums die Expansion des Universums nicht verlangsamte, sondern sich mit exponentieller Rate beschleunigte (erinnern Sie sich daran, dass die Expansion des Universums nicht durch die Lichtgeschwindigkeit begrenzt ist, während sich Objekte innerhalb des Universums bewegen). Mit dieser Art von Expansion würden Regionen, die ursprünglich viel kleiner als der Horizont waren, schnell auf enorme Größe gedehnt werden, während sie ihr anfängliches thermisches Gleichgewicht beibehalten. Darüber hinaus würde diese schnelle Expansion die Krümmung der sich aufblähenden Region exponentiell auf Null treiben, was zu einer Dichte führt, die extrem nahe am kritischen Wert liegt, unabhängig von ihrem anfänglichen Wert.

Für weitere Details dazu siehe den Wikipedia-Artikel zu kosmischer Inflation. Wir sollten hier noch einmal betonen, dass die Inflation zwar als Lösung für die Flachheits- und Horizont-"Probleme" vorgeschlagen wurde, aber eine Reihe anderer quantitativer Vorhersagen trifft (insbesondere die Form des CMBR-Anisotropie-Leistungsspektrums), die durch Beobachtungen bestätigt wurden.

c) Materie-Antimaterie-Asymmetrie

Im sehr frühen Universum war der Raumzeit eine sehr heiße „Suppe" gefüllt, die aus Materieteilchen und Wechselwirkungsteilchen (Quarks, Elektronen, Positronen, Photonen, Gluonen, Neutrinos usw.) bestand. Materie- und Antimaterieteilchen wurden ständig aus Photonen, Gluonen usw. erzeugt und verschwanden kurz darauf wieder. Erst nachdem das Universum abgekühlt und verdünnt war, konnten die Materie- und Antimaterieteilchen überleben und sich nicht sofort gegenseitig vernichten.

Hier lauert ein großes Problem: Gemäß der Quantenfeldtheorie sollten bei diesem Prozess, wenn alle diese Reaktionen im thermischen Gleichgewicht stattfanden, genau gleiche Mengen an Materie- und Antimaterieteilchen erzeugt worden sein. Doch wenn wir unser Universum beobachten, finden wir nur Materie und praktisch keine Antimaterie! Dieses Problem wurde in der Kosmologie als „Materie-Antimaterie-Asymmetrie" bekannt.

Um dieses Problem zu lösen, benötigen wir eine Art Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie. Im Jahr 1967 wies Sakharov darauf hin, dass zur Erzeugung einer solchen Asymmetrie die Reaktionen (zumindest teilweise) in einem thermischen Nichtgleichgewicht stattfinden mussten. Zusätzlich musste die sogenannte „CP-Symmetrie" der Teilchenphysik verletzt werden (d. h. Materie und Antimaterie mussten sich leicht unterschiedlich verhalten, im Gegensatz zu dem, was die Quantenfeldtheorie zu der Zeit sagte), und die „Baryonenzahl" konnte nicht erhalten bleiben (Sakharov 1967).

Dies skizziert zwar, was geschehen musste, stellt aber an sich keine Lösung dar. Moderne Lösungen für dieses Problem beruhen auf dem sogenannten „elektroschwachen Symmetriebruch": Bei ausreichend hohen Temperaturen, wie sie im frühen Universum herrschten, sind die elektromagnetische Kraft und die schwache Kraft im Wesentlichen nicht unterscheidbar und vereinigen sich zu einer einzigen Kraft. Als das Universum abkühlte (unter eine Temperatur von etwa 1015 Kelvin und nach einer Zeit von etwa 0,1 Milliardstel Sekunde), trennten sich diese Kräfte in die heute beobachtbaren, distincten Kräfte. Dieser „Phasenübergang" führte zumindest lokal zum erforderlichen thermischen Nichtgleichgewicht. Der Verstoß gegen die CP-Symmetrie ist in der elektroschwachen Theorie von Natur aus eingebaut, und bei hohen Temperaturen erlaubt das Standardmodell der Teilchenphysik auch die Nichterhaltung der Baryonenzahl.

Nicht alle Details sind noch geklärt (z. B. ist noch nicht klar, ob solche Modelle die beobachtete Asymmetrie auf einer quantitativen Ebene erklären können), aber die meisten Teilchenphysiker und Kosmologen heute sind zuversichtlich, dass dies der richtige Weg ist, und das Problem der Materie-Antimaterie-Asymmetrie wird bald zufriedenstellend gelöst sein.

d) Struktur auf „kleiner" Ebene

Wie wir bereits gesagt haben, scheint die aktuelle kosmologische Theorie auf sehr großen Skalen sehr gut zu funktionieren. Dies scheint der Fall zu sein von den größten Skalen, die wir im Universum untersuchen können, bis hin zur Größe von mittelgroßen Galaxienhaufen. Wenn wir jedoch die aktuelle Theorie auf Skalen unterhalb dieser extrapolieren, ist es nicht klar, ob sie die Beobachtungen vollständig widerspiegelt.

Der erste wichtige Datenpunkt in diesem Bereich stammt vom Hubble-Weltraumteleskop, im ersten Hubble-Deep-Field. Dieser Datensatz wurde erstellt, indem Hubble auf einen relativ dünn besiedelten Bereich des Himmels fokussiert wurde und tiefer als je zuvor von Astronomen beobachtet wurde. Überraschenderweise stellten Astronomen fest, dass selbst bei diesen sehr hohen Rotverschiebungen, die einem sehr frühen Zeitpunkt im Alter des Universums entsprechen, Galaxien entdeckt wurden, die bereits als „reif" wirkten. Das heißt, sie erschienen nahezu so massiv wie die Galaxien, die wir heute sehen, und hatten bereits Unterstrukturen entwickelt, wie die Spiralarme, die wir in Galaxien wie Andromeda sehen. Dieser Artikel von ESO bietet einige Details; weitere Informationen finden sich in Cimatti (2004). Zwar erschienen die Sterne, die diese Galaxien bildeten, sehr jung und standen laut Standardtheorie nicht im Widerspruch zu ihrem Alter, doch das Vorhandensein von Galaxien, die bereits eine beträchtliche dynamische Relaxation durchlaufen hatten, war eine Überraschung. Natürlich sind die Deep-Field-Beobachtungen nicht die einzigen tiefen Aufnahmen, die wir haben. Neuere Beobachtungen mit dem Hubble Ultra Deep Field deuten darauf hin, dass die meisten Galaxien im Universum zu dieser Zeit tatsächlich klein und nicht vollständig reif waren. Dies könnte bedeuten, dass das, was Cimatti und andere gesehen haben, lediglich statistische Ausreißer waren, aber mehr Daten sind erforderlich, um dies mit Sicherheit zu wissen.

Im weiteren Kontext bleibt die Galaxienentstehung ein sehr schwieriges Thema innerhalb der Kosmologie. Wie bei der großräumigen Struktur ist die primäre theoretische Methode zum Verständnis des Prozesses die Computersimulation. Um jedoch eine Galaxie genau zu modellieren, muss man wissen, wie man mit baryonischer Materie umgeht. Im Gegensatz zur dunklen Materie, die nur über die Gravitation wechselwirkt, emittieren Baryonen Licht, bilden Sterne und explodieren als Supernovae und so weiter. Offensichtlich wird eine Simulation, die groß genug ist, um eine Galaxie zu enthalten, nicht in der Lage sein, die Entstehung eines einzelnen Sterns genau zu simulieren. Bestens wird eine Simulation eine Milliarde Teilchen umfassen, was bedeutet, dass jedes Teilchen einige tausend Sterne repräsentiert. Dies bedeutet, dass Prozesse wie Sternentstehung und Sternentwicklung über eine Art ad-hoc-Vorschrift behandelt werden müssen, die auf Beobachtungen abgestimmt ist. Es ist offensichtlich nicht die beste Situation, aber wir können viel aus dem Prozess lernen, und Fortschritte werden erzielt.

Neben den innergalaktischen Dynamiken gibt es auch das sogenannte "Satellitenproblem". Große Galaxien, wie unsere Milchstraße, werden typischerweise von kleineren unregelmäßigen Galaxien, wie den Magellanischen Wolken, umkreist. Solche Galaxien treten auch in Computersimulationen um größere Galaxien auf. Allerdings würden Simulationen mit etwa 50 Satelliten rechnen, während wir nur ein Dutzend um unsere Galaxie beobachten können. Wie dieser Artikel nahelegt, gibt es mögliche Lösungen für dieses Problem (hauptsächlich das Verständnis, ob das Gas in diesen kleineren Galaxien Sterne bilden wird oder dunkel bleibt), doch das Urteil steht noch aus.

Zusammenfassend lässt sich sagen: Obwohl das Big-Bang-Modell (BBT) auf großen Skalen gut funktioniert (Galaxienhaufen, großräumige Strukturen, das Universum als Ganzes), bleiben einige Beobachtungen auf kleineren Skalen rätselhaft. Es ist noch nicht klar, ob diese Fragen durch die Verbesserung unserer Fähigkeit, diese Skalen zu simulieren, geklärt werden oder ob die Theorie Revisionen (geringer oder größerer Art) bedarf.

6) Zusammenfassung und Ausblick

Zusammenfassung:

  • Die Urknall-Theorie ist eine sehr gut überprüfte Theorie. Eine große Menge an Daten, die aus völlig unterschiedlichen Arten von Beobachtungen stammen (siehe Kapitel 2), ergeben ein innerlich konsistentes Bild der Geometrie, Zusammensetzung und Geschichte des Universums. Die primäre Menge an Parametern, die das Verhalten der Theorie bestimmen, wurde mit einer Präzision von 10 % oder besser ermittelt (was angesichts der Einschränkungen bei der Durchführung der Beobachtungen bemerkenswert ist), und alle aktuellen besten Messungen stimmen innerhalb ihres Fehlerbereichs mit diesen Parametern überein.
  • Zwar gibt es Einwände und alternative Modelle, doch diese werden entweder leicht durch die Daten widerlegt oder können den gesamten Datenbereich nicht so gut erklären wie das Standardmodell (und manchmal beides). Dies hindert Befürworter dieser Ideen nicht daran, die Urknall-Theorie (BBT) anzugreifen, doch es reicht mehr als aus, um die überwältigende Mehrheit der kosmologischen Gemeinschaft von der grundlegenden Zuverlässigkeit des Modells zu überzeugen.
  • Wie bei jeder wissenschaftlichen Theorie gibt es noch offene Fragen, die entweder teilweise oder vollständig ungelöst sind. Dies sind Punkte der anhaltenden Forschung, und sowohl weitere Beobachtungen als auch Fortschritte in der theoretischen Physik werden in den kommenden Jahren Licht auf sie werfen.

Das letzte Jahrzehnt hat die Entwicklung des Konkordanzmodells der Kosmologie gesehen. Das nächste Jahrzehnt wird diese Bemühungen fortsetzen, indem es die in Kapitel 5 aufgeführten Fragen untersucht sowie nach weiteren Informationen über die Natur und das Verhalten von Dunkler Materie und Dunkler Energie sucht. Die theoretische Arbeit wird natürlich weitergehen; die folgende Liste bietet eine Reihe von Links zu bevorstehenden Beobachtungen und Experimenten, die sich auf diese Themen konzentrieren:

  • Infrarotteleskope wie das James Webb Space Telescope werden weiter in die Vergangenheit blicken, um nach den ersten Sternen und Galaxien zu suchen; sie werden auch dazu beitragen, unsere Vorstellungen über die Galaxienbildung zu verbessern.
  • Der Planck Satellit wird die CMBR im größeren Detail messen als der WMAP-Satellit (Prüfung der Inflation, der Stringtheorie etc.).
  • Großangelegte Umfragen zur Verteilung von Galaxien und Supernovae werden unser Wissen über die Verteilung von Dunkler Materie erhöhen und Hinweise auf die Natur der Dunklen Energie liefern; z. B. das Large Synoptic Survey Telescope, The Dark Energy Survey und das Supernova/Acceleration Probe.
  • Kandidaten für Dunkle Materie werden wahrscheinlich (hoffentlich?) an Teilchenbeschleunigern wie RHIC oder LHC gefunden werden

Referenzen

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Danksagung

Ich möchte mich bei Ned Wright, Ulf Torkelsson, Stuart A. Weinstein, Martin Hutton, Edward Cooper, Jon Fleming und Mark Isaak für wertvolle Kritik und Vorschläge bedanken.