Universum

Universum
Das Hubble Ultra Deep Field: ein sehr tiefer Blick ins Universum
Physikalische Eigenschaften (bezogen auf das beobachtbare Universum)
Ausdehnung	> ca. 93 Mrd. Lj
Masse (sichtbar)	ca. 1053 kg
Mittlere Dichte	ca. 4,7 · 10−30 g/cm3
Alter	(13,798 ± 0,037) Mrd. Jahre
Galaxien	ca. 100 Mrd.
Temperatur Hintergrundstrahlung	2,7 K

Das Wort Universum (von lateinisch universus „gesamt“, von unus und versus „in eins gekehrt“) bezeichnet in der Physik die zu einem gegebenen Zeitpunkt vorgefundene Anordnung aller nach physikalischen Gesetzmäßigkeiten organisierten Materie und Energie, angefangen bei den elementaren Teilchen bis hin zu den großräumigen Strukturen wie Galaxien und Galaxienhaufen.

Weltall und Weltraum – Abgrenzung

Das Wort Universum wurde im 17. Jahrhundert von Philipp von Zesen durch das Wort Weltall eingedeutscht. Während der Begriff des Universums alles, also auch Sterne und Planeten wie die Erde einschließt, wird mit Weltraum oft nur der Raum außerhalb der Erdatmosphäre, bzw. allgemein der Raum fern von Planeten- und Mondoberflächen, bezeichnet.

Da der Übergang von der Erdatmosphäre zum Weltraum fließend ist, existieren mehrere festgelegte Grenzen. International am gebräuchlichsten ist die Definition der Fédération Aéronautique Internationale, nach der der Weltraum in einer Höhe von 100 Kilometern beginnt (Kármán-Linie). Dort ist die Geschwindigkeit, die benötigt wird, um Auftrieb zum Fliegen zu erhalten, gerade genauso hoch, wie die Umlaufgeschwindigkeit eines Raumflugkörpers, der durch die Schwerkraft der Erde auf einer Kreisbahn gehalten wird. Nach der Definition der NASA und der US Air Force beginnt der Weltraum bereits in einer Höhe von etwa 80 Kilometern (50 Meilen) über dem Boden. Eine völkerrechtlich verbindliche Höhengrenze gibt es nicht.

Allgemeines

Die Andromeda-Galaxie, die uns am nächsten gelegene, größere Galaxie

Die heute allgemein anerkannte Theorie zur Beschreibung der großräumigen Struktur des Universums ist die allgemeine Relativitätstheorie von Albert Einstein. Auch die Quantenphysik hat wichtige Beiträge zum Verständnis speziell des frühen Universums geliefert, in dem die Dichte und Temperatur sehr hoch waren und viele Prozesse unter Beteiligung von Elementarteilchen abliefen (Astroteilchenphysik). Wahrscheinlich wird ein erweitertes Verständnis des Universums erst erreicht, wenn die Physik eine Theorie entwirft, die die allgemeine Relativitätstheorie mit der Quantenphysik vereint. Diese wird T.O.E. (Theory Of Everything) oder auch Weltformel genannt. In dieser Theorie der Quantengravitation sollen die vier Grundkräfte der Physik (elektromagnetische Kraft, Gravitation, starke und schwache Kernkraft) einheitlich erklärt werden. Schon Albert Einstein hat sich viele Jahre um die Aufstellung einer solchen allumfassenden Theorie bemüht – ohne Erfolg. Zudem waren in seinem Konzept die starke und schwache Wechselwirkung nicht enthalten, so dass seine Suche nach der Weltformel auch von daher – weil unvollständig – zum Scheitern verurteilt war. Erst in den 1960er Jahren standen die mathematischen Voraussetzungen für die Entwicklung einer Vereinigungstheorie zur Verfügung, womit die Suche der Physiker nach diesem großen einheitlichen Bild der Welt begann.

Die Kosmologie, ein Teilgebiet sowohl der Physik als auch der heutigen Philosophie der Naturwissenschaften, befasst sich mit dem Studium des Universums und versucht Eigenschaften des Universums wie beispielsweise die Frage nach der Feinabstimmung der Naturkonstanten zu beantworten.

Alter und Zusammensetzung

Die klassische und heute weithin anerkannte Urknalltheorie geht davon aus, dass das Universum in einem bestimmten Augenblick, dem Urknall aus einer Singularität heraus entstanden ist und sich seitdem ausdehnt (siehe Expansion des Universums). Zeit, Raum und Materie sind mit dem Urknall entstanden. Zeiten "vor" dem Urknall und Orte "außerhalb" des Universums sind physikalisch nicht definierbar. Daher gibt es weder ein räumliches "Außerhalb", noch ein zeitliches "Davor", noch eine Ursache des Universums.

Da die naturwissenschaftlichen Gesetze für die extremen Bedingungen während der ersten etwa 10⁻⁴³ Sekunden (Planck-Zeit) nach dem Urknall nicht bekannt sind, beschreibt die Theorie den eigentlichen Vorgang streng genommen nicht. Erst nach Ablauf der Planck-Zeit können die weiteren Abläufe physikalisch nachvollzogen werden. So lässt sich dem frühen Universum z. B. eine Temperatur von 1,4 · 10³² K (Planck-Temperatur) zuordnen.

Das Alter des Universums ist aufgrund von Präzisionsmessungen durch das Hubble-Weltraumteleskop mithilfe von Gravitationslinsen mit 13,75 Milliarden Jahren relativ genau berechenbar. Das Universum ist maximal 170 Millionen Jahre älter oder 150 Millionen Jahre jünger als dieser Wert. Eine frühere Ermittlung des Alters durch den Satelliten WMAP ergab das etwas ungenauere Ergebnis von 13,7 Milliarden Jahren.
Das Alter kann auch durch Extrapolation von der momentanen Expansionsgeschwindigkeit des Universums auf den Zeitpunkt, an dem das Universum in einem Punkt komprimiert war, berechnet werden. Diese Berechnung hängt aber stark von der Zusammensetzung des Universums ab, da Materie bzw. Energie durch Gravitation die Expansion verlangsamen. Die bisher nur indirekt nachgewiesene Dunkle Energie kann die Expansion allerdings auch beschleunigen. So können verschiedene Annahmen über die Zusammensetzung des Universums zu verschiedenen Altersangaben führen. Durch das Alter der ältesten Sterne kann eine untere Grenze für das Alter des Universums angegeben werden. Im aktuellen Standardmodell stimmen beide Methoden sehr gut überein.

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

Der Raum zwischen Galaxien ist nicht vollständig leer. Er ist mit stark verdünntem Wasserstoff-Gas gefüllt. Dieses intergalaktische Medium besteht aus etwa einem Atom pro Kubikmeter. Innerhalb von Galaxien ist die Dichte der Materie jedoch wesentlich höher. Desgleichen ist der Raum von Feldern und Strahlung durchsetzt. Die Temperatur der Hintergrundstrahlung beträgt derzeit 2,7 Kelvin (also etwa −270 °C). Sie entstand 380.000 Jahre nach dem Urknall und wird auch als Geburtsschrei unseres Universums bezeichnet. Das Universum besteht nur zu einem kleinen Teil aus uns bekannter Materie und Energie (4 %), von der wiederum nur 10 % Licht aussendet und dadurch sichtbar ist. Einen größeren Teil (23 %) macht „dunkle Materie“ aus, die für den gravitativen Zusammenhalt der Galaxien verantwortlich ist. Dunkle Materie ist durch eine Vielzahl von Beobachtungen indirekt nachgewiesen, aber ihre Zusammensetzung ist noch weitgehend unverstanden. Der größte Teil ist „dunkle Energie“ (73 %) , die für die beschleunigte Expansion verantwortlich ist. Auf die dunkle Energie wurde aus den Daten von weit entfernten Supernovaexplosionen geschlossen, ihre Existenz wird durch Satelliten wie COBE, WMAP und Planck, Ballonexperimente wie BOOMERanG sowie Gravitationslinseneffekte und die Galaxienverteilung im Universum bestätigt.

Form und Volumen

Intuitiv liegt die Vermutung nahe, dass aus der Urknalltheorie eine „Kugelform“ des Universums folgt; das ist jedoch nur eine von mehreren Möglichkeiten. So wurden neben einem flachen unendlichen Universum viele andere Formen vorgeschlagen. Darunter beispielsweise eine Hypertorusform, oder auch die in populärwissenschaftlichen Publikationen als „Fußballform“ und „Trompetenform“ bekannt gewordenen Formen. Einige Daten des Satelliten WMAP sprechen auch dafür, dass das Universum ein Ellipsoid ist.

Im CDM-Standardmodell (CDM von engl. Cold Dark Matter, „kalte dunkle Materie“) sowie dem aktuelleren Lambda-CDM-Standardmodell, das die gemessene Beschleunigung der Expansion des Universums berücksichtigt, ist das Universum flach, das heißt, der Raum wird durch die euklidische Geometrie beschrieben. Ein solches Universum muss nicht zwingend ein unendliches Volumen haben, da auch kompakte Topologien für den Raum möglich sind. Auf der Basis der verfügbaren Beobachtungen kann derzeit nur eine grobe untere Grenze für die Ausdehnung des Universums angegeben werden. Daten des Satelliten WMAP schließen nach Neil Cornish die meisten Beschreibungsmodelle des Universums, die einen Radius kleiner als 78 Milliarden Lichtjahre besitzen, aus. Im Lambda-CDM-Standardmodell wird daher meist eine flache Geometrie mit unendlicher Ausdehnung betrachtet.

Wichtig ist der Unterschied zwischen Unendlichkeit und Unbegrenztheit: Auch wenn das Universum ein endliches Volumen besitzen würde, so könnte es dennoch unbegrenzt sein. Leicht anschaulich lässt sich dieses Modell folgendermaßen darstellen: eine Kugeloberfläche (Sphäre) ist endlich, besitzt aber keinen Mittelpunkt und ist unbegrenzt (man kann sich auf ihr fortbewegen, ohne jemals einen Rand zu erreichen). So wie eine zweidimensionale Kugeloberfläche eine dreidimensionale Kugel umhüllt, kann man, falls das Universum nicht flach, sondern gekrümmt ist, sich den dreidimensionalen Raum als „Rand“ eines höherdimensionalen Raums vorstellen. Wohlgemerkt dient dies lediglich der Veranschaulichung, denn das Universum ist in der klassischen Kosmologie nicht in einen höherdimensionalen Raum eingebettet.

Astrophysiker Stephen Hawking fasst seine Erkenntnisse allgemeinverständlich in einer aktuellen Fernsehdokumentation zusammen: Das Universum habe 100 Milliarden Galaxien, jede von ihnen mit Millionen Sternen (und ergänzt, dass es bei diesem Volumen unwahrscheinlich sei, dass nur die Erde Lebewesen aufweise).

Zusammenhang zwischen Massendichte, lokaler Geometrie und Form

Obwohl die lokale Geometrie sehr nahe an einer flachen, euklidischen Geometrie liegt, ist auch eine sphärische oder hyperbolische Geometrie nicht ausgeschlossen. Da die lokale Geometrie mit der globalen Form (Topologie) und dem Volumen des Universums verknüpft ist, ist letztlich auch unbekannt, ob das Volumen endlich ist (mathematisch ausgedrückt: ein kompakter topologischer Raum) oder ob das Universum einen unendlichen Rauminhalt besitzt. Welche Geometrien und Formen für das Universum möglich sind, hängt gemäß den Friedmann-Gleichungen, welche die Entwicklung des Universums im Standard-Urknallmodell beschreiben, wiederum wesentlich von der Energiedichte bzw. der Massendichte im Universum ab:

• Ist diese Dichte kleiner als ein bestimmter, als kritische Dichte bezeichneter Wert, so wird die globale Geometrie als hyperbolisch bezeichnet, da sie als das dreidimensionale Analogon zu einer zweidimensionalen hyperbolischen Fläche angesehen werden kann. Ein hyperbolisches Universum ist offen, d. h., ein gegebenes Volumenelement innerhalb des Universums dehnt sich immer weiter aus, ohne jemals zum Stillstand zu kommen. Das Gesamtvolumen eines hyperbolischen Universums kann sowohl unendlich als auch endlich sein.
• Ist die Energiedichte exakt gleich der kritischen Dichte, ist die Geometrie des Universums flach (euklidisch). Das Gesamtvolumen eines flachen Universums ist im einfachsten Fall, wenn man einen euklidischen Raum als einfachste Topologie annimmt, unendlich. Es sind aber auch Topologien mit endlichem Rauminhalt mit einem euklidischen Universum zu vereinbaren. Beispielsweise ist ein Hypertorus als Form möglich. Auch ein flaches Universum ist wie das hyperbolische Universum offen, ein gegebenes Volumenelement dehnt sich also immer weiter aus. Seine Expansion verlangsamt sich jedoch zusehends, so dass nach unendlicher Zeit eine endliche Ausdehnung erreicht ist.
• Ist die Energiedichte größer als die kritische Dichte, wird es als „sphärisch“ bezeichnet. Das Volumen eines sphärischen Universums ist endlich. Im Gegensatz zum euklidischen und zum hyperbolischen Universum kommt die Ausdehnung des Universums irgendwann zum Stillstand und kehrt sich danach um. Das Universum „stürzt“ also wieder in sich zusammen.

Gegenwärtige astronomische Beobachtungsdaten erlauben es nicht, das Universum von einem euklidischen Universum zu unterscheiden. Die bisher gemessene Energiedichte des Universums liegt also so nahe an der kritischen Dichte, dass die experimentellen Fehler es nicht ermöglichen, zwischen den drei grundlegenden Fällen zu unterscheiden.

Dunkle Energie beeinflusst weiterhin die Expansionseigenschaften des Universums. So führt ein großer Anteil von Dunkler Energie dazu, dass ein sphärisches Universum nicht in sich zusammenstürzt, oder ein flaches Universum immer weiter beschleunigt. Bestimmte Formen der Dunklen Energie können sogar dazu führen, dass das Universum lokal schneller als Lichtgeschwindigkeit expandiert und so in einem Big Rip auseinandergerissen wird, da keine Wechselwirkungen zwischen Teilchen mehr stattfinden können.

Konsequenzen eines unendlichen Raumzeitvolumens

Die Annahme eines Universums mit einem unendlichen Raumzeitvolumen wirft einige Fragen nach den erkenntnistheoretischen Konsequenzen dieser Annahme auf. Hier spielt besonders das Anthropische Prinzip eine Rolle, wie es z. B. von Brandon Carter formuliert wurde. Danach muss – in der vorsichtigsten Interpretation – zumindest die Notwendigkeit der Existenz eines Beobachters bei der Interpretation astronomischer Daten berücksichtigt werden; d. h. Beobachtungsdaten sind nicht notwendigerweise repräsentativ für das gesamte Universum.

Beispiele für Folgerungen, welche verschiedentlich daraus geschlossen wurden, sind etwa, dass ein lokal scheinbar lebensfreundliches Universum im Ganzen extrem lebensfeindlich sein kann, oder dass selbst extrem unwahrscheinliche, aber mögliche Ereignisse sich in einem solchen Universum unendlich oft ereignen müssten. In neuerer Zeit hat der Physiker Max Tegmark darauf hingewiesen, dass aus dem gegenwärtigen Standardmodell des Universums zusammen mit der Quantentheorie folge, dass im Durchschnitt alle ${10}^{{10}^{29}}$ Meter eine „Zwillingswelt“ existieren müsse. Einige der genannten Konsequenzen ergäben sich allerdings schon bei Universen mit endlichem, aber hinreichend großem Volumen.

Strukturen innerhalb des Universums

Auf der derzeit größten beobachtbaren Skala findet man Galaxienhaufen, die sich zu noch größeren Superhaufen zusammenfinden. Diese bilden wiederum fadenartige Filamente, die riesige, blasenartige, praktisch galaxienfreie Hohlräume (engl. Voids, void = leer) umspannen. Man spricht mitunter auch von der wabenartigen Struktur (engl. cosmic web) des Universums. Es ergibt sich die folgende Rangfolge von den größten zu den kleinsten Strukturen des beobachtbaren Universums:

1. Large Quasar Group (LQG) (Bsp.: U1.27, Durchmesser: etwa 4 Mrd. Lichtjahre)
2. Filamente und Voids (Bsp.: Große Mauer, Durchmesser: etwa 1 Mrd. Lichtjahre)
3. Superhaufen (Bsp.: Virgo-Superhaufen, Durchmesser: etwa 200 Millionen Lichtjahre)
4. Galaxienhaufen (Bsp.: Lokale Gruppe, Durchmesser: etwa 10 Millionen Lichtjahre)
5. Galaxien (Bsp.: Milchstraße, Durchmesser: etwa 100.000 Lichtjahre)
6. Sternhaufen (Kugelsternhaufen, Offene Sternhaufen, Durchmesser: dutzende bis hunderte Lj.)
7. Planetensysteme (Bsp.: Unser Sonnensystem, Durchmesser: etwa 300 AE = 41 Lichtstunden)

Siehe auch

• Parallelwelt
• Viele-Welten-Theorie
• Position der Erde im Universum

Literatur

• David Deutsch: Die Physik der Welterkenntnis. Auf dem Wege zum universellen Verstehen. Birkhäuser, Berlin 1996. ISBN 3-7643-5385-6
• J. Richard Gott III u. a.: A Map of the Universe. In: Astrophysical Journal. Chicago 624.2005, 463. ISSN 0004-637X
• Stephen Hawking: Eine kurze Geschichte der Zeit. rororo. Rowohlt, Reinbek 1991. ISBN 3-499-60555-4
• Stephen Hawking: Das Universum in der Nussschale. Dtv, München 2003. ISBN 3-423-33090-2
• Lucy und Stephen Hawking: Der geheime Schlüssel zum Universum. Kinderbuch. cbj, München 2007. ISBN 3-570-13284-6
• Lisa Randall: Verborgene Universen - Eine Reise in den extradimensionalen Raum. S. Fischer, Frankfurt 2006 (3. Aufl.). ISBN 3-10-062805-5
• Steven Weinberg: Die ersten drei Minuten. Piper, München 1977. ISBN 3-492-22478-4
• Steven Weinberg: Der Traum von der Einheit des Universums. Bertelsmann München 1993. ISBN 3-570-02128-9
• Charles H. Lineweaver, Tamara M. Davis: Der Urknall - Mythos und Wahrheit. In: Spektrum der Wissenschaft. Heidelberg 2005, 5 (Mai), S. 38–47. ISSN 0170-2971
• Brian Greene: Der Stoff, aus dem der Kosmos ist. Alfred A. Knopf, New York 2004. ISBN 3-88680-738-X
• Harry Nussbaumer: Das Weltbild der Astronomie. vdf Hochschulverlag, Zürich 2007 (2. Aufl.). ISBN 3-7281-3106-7
• Rüdiger Vaas: Tunnel durch Raum und Zeit. Franckh-Kosmos, Stuttgart 2006 (2. Aufl.). ISBN 3-440-09360-3
• Brian May, Patrick Moore, Chris Lintott: Bang! A Complete History of the Universe. Carlton Books, London 2006. ISBN 1-84442-552-5
• Alex Vilenkin: Kosmische Doppelgänger, Wie es zum Urknall kam - Wie unzählige Universen entstehen. Springer, Heidelberg 2007. ISBN 3-540-73917-3

Weblinks

 Commons: Universum – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Wikiquote: Universum – Zitate

Wiktionary: Universum – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

 Wikibooks: Wikijunior Sonnensystem/ Raumforschung – Lern- und Lehrmaterialien

• Visualisierte Karten des Universums des Sloan Digital Sky Survey Projekts

Videos

• The Known Universe erstellt von dem American Museum of Natural History
• Wie groß ist das Universum? aus der Fernseh-Sendereihe alpha-Centauri (ca. 15 Minuten). Erstmals ausgestrahlt am 6. Dez. 1998.
• Wird sich das Universum wieder zusammenziehen? aus der Fernseh-Sendereihe alpha-Centauri (ca. 15 Minuten). Erstmals ausgestrahlt am 30. Jan. 2000.
• Wie sieht die Zukunft des Universums aus? aus der Fernseh-Sendereihe alpha-Centauri (ca. 15 Minuten). Erstmals ausgestrahlt am 19. Aug. 2001.
• Die Geschichte des Universums, Vortrag von Prof. Matthias Bartelmann vom Zentrum für Astrononmie der Ruprecht-Karls-Universität Heidelberg