Prof. Max Camenzind

Vorlesung Senioren-Universität WS 2012/13:
Montag 14:15 - 15:45 Uhr
Oswald-Külpe Hörsaal Röntgenring 12
Universität Würzburg

"Unser Universum - kein Anfang, kein Ende?"

Der Begriff Universum ist aus dem Lateinischen universus abgeleitet und bedeutet soviel wie gesamt. Damit umfasst der Begriff Universum all das, was denkbar ist. Das Universum existiert als Objekt, als Subjekt, aber vor allem als RaumZeit. Es gibt nichts, was nicht in ihm enthalten wäre. Das Universum umfasst alles Existierende.

Albert Einstein und Willem de Sitter beschrieben 1917 zum ersten Male das Universum mit dem Formalismus der Allgemeinen Rleativitätstheorie. Allerdings beschrieben sie noch ein statisches, immer gleichbleibendes Universum, ganz in der Tradition der Newtonschen Physik. Der russische Meteorologe und Mathematiker Alexander Friedmann gab 1922 die erste relativistische Beschreibung eines expandierenden oder kontrahierenden Universums an. Diese Publikation wurde allerdings kaum zur Kenntnis genommen. Die Expansion des Universums wurde dann 1927 vom belgischen Physiker und Theologen Georges Lemaitre wieder entdeckt. Er fand, was vor ihm schon Friedmann gefunden hatte, dass die Grundgleichungen der Einsteinschen Relativitätstheorie tatsächlich ein dynamisches Universum implizieren. Diese Entdeckung verband er mit Sliphers Rotverschiebungen von Galaxien und Hubbles Distanzen. Er schloss aus diesen Daten zum ersten Male in der Geschichte der Kosmologie, dass das Universum expandiert. In seiner Publikation in der belgischen Zeitschrift Annales de la Societe Scientifique de Bruxelles im Jahre 1927 - also zwei Jahre vor Edwin Hubble - hat Lemaitre bereits das Hubble-Gesetz cz = H_0 d hergeleitet. cz bezeichnet die aus der Rotverschiebung z bestimmte Expansionsgeschwindigkeit. Galaxien entfernen sich umso schneller voneinander, je weiter sie von uns entfernt sind. Diese Beziehung wird heute fälschlicherweise Edwin Hubble zugeschrieben, der diese empirische Relation erst 1929 publiziert hat. Im Unterschied zu Lemaitre glaubte Hubble jedoch nicht an die Expansion des Raumes, die Rotverschiebung der Galaxien interpretierte Hubble als eine Flucht der Galaxien in einem absoluten Raum.

Lemaitres Universum von 1927 ist die Grundlage des modernen Big Bang Universums mit Vakuum-Energie. Dieses Universum besitzt sphärische Topologie, hat ein endliches, unvorstellbar grosses Volumen und entwickelte sich aus einem sehr dichten Zustand heraus, der als Big Bang bezeichnet wird. Dieses Universum ist heute 13,7 Milliarden Jahre alt, war im frühen Stadium allein durch Strahlung dominiert, die heute noch den Kosmos in allen Richtungen als Kosmische Hintergrundstrahlung (CMB) durchzieht. Als weitere Hinterlassenschaft finden wir Wasserstoff, Deuterium, Helium und Lithium, sowie die Teilchen der Dunklen Materie, deren Gravitation die Dynamik von Galaxien und Galaxienhaufen dominiert. Ist der Big Bang eine Geburt aus dem Nichts? Gibt es überhaupt Singularitäten im Kosmos? Wenn ja, erübrigt sich die Frage nach dem DAVOR, denn wir wissen nicht, durch welchen Prozess eine solche Singularität entstehen könnte. Viel wahrscheinlicher und aufregender ist jedoch die Annahme, dass unser Universum einem früheren kollabierenden Universum entsprungen ist.


Daten und Themen der Vorlesung

22. Oktober 2012

Das beobachtbare Universum

Die Vorstellungen zum Universum haben sich in den letzten 3000 Jahren grundlegend geändert. Das hängt vor allem mit der technologischen Entwicklung der Menschheit zusammen. Ohne Teleskop endete das Universum bereits bei den Fixsternen, aber auch mit den einfachen Teleskopen des 18. und 19. Jahrhunderts waren noch keine Galaxien auszumachen, sondern nur Nebel, deren Natur völlig unklar war. Der Durchbruch in die wahre Tiefe des Universums ist erst in den letzten 80 Jahren gelungen dank neuer Teleskoptechnologien. Die Geschichte der Kosmologie ist damit auch Kulturgeschichte der Menschheit. Die Vorstellungen zu unserem Universum haben sich im wesentlichen in fünf grossen Revolutionen vollzogen, angefangen bei der sub- und supralunaren Welt des Aristoteles bis hin zum Postulat der Existenz Dunkler Materie und Dunkler Energie in neuester Zeit.

Vor über 20 Jahren startete eine der erfolgreichsten Missionen der Wissenschaftsgeschichte. Das Weltraumteleskop Hubble hat unsere Sicht auf die Welt verändert. Am 24. April 1990 startete das Space Shuttle Discovery in den Weltraum. Mit an Bord befand sich die wohl bedeutendste technische Entwicklung für die Weltraumforschung der letzten Jahrzehnte. Der Name des 11,6 Tonnen schweren und 13,1 Meter langen Ungetüms lautet Hubble Space Telescope (HST). Das nach dem Astronomen Edwin Hubble benannte Teleskop hat nicht nur den Astronomen weltweit, sondern auch der gesamten Menschheit eine neue Sichtweise auf das Universum ermöglicht. Denn nicht zuletzt ist es vor allem dem Weltraumteleskop Hubble zu verdanken, dass das Alter des Universums bestimmt werden konnte. Nach derzeitigen Wissensstand hat der Urknall vor rund 13,7 Milliarden Jahren stattgefunden. Mit Hubble war es zum ersten Mal möglich die Vorgänge, die während der Geburt von Sternen, Planeten und Galaxien zu beobachten sind, besser zu verstehen.

05. Nov. 2012

Die Vermessung des Universums - Rotverschiebung und Distanzen

Die Shapley-Curtis-Debatte, auch bekannt als Die große Debatte (The Great Debate) bündelt die Diskussionen am Anfang des 20. Jahrhunderts, die schließlich zu einem neuen Verständnis der Natur von Galaxien und der Größe des Universums führten. Die Diskussion zwischen den Astronomen Harlow Shapley und Heber Curtis fand am 26. April 1920 im Baird-Auditorium des National Museum of Natural History in Washington statt. Sie kreiste um die Größe unserer Milchstraße und die Frage, ob die damals als Spiralnebel bekannten Galaxien kleine Objekte in unserer Milchstraße oder sehr viel weiter entfernt und von der Milchstraße getrennt sind. Am Tag präsentierten die beiden Wissenschaftler unabhängige technische Vorträge über die Größenskala des Universums, denen am Abend eine öffentliche Diskussion folgte.

Shapley vertrat die Meinung, dass die Milchstraße wesentlich größer ist als zuvor von den meisten Astronomen angenommen, und dass die Sonne nicht in ihrem Zentrum steht. Spiralnebel sah er als Gaswolken in dieser einzigen riesigen ‚Galaxie‘ an. Curtis vertrat ein wesentlich kleineres Modell der Milchstraße, sah aber Spiralnebel als unabhängige der Milchstraße ähnliche Objekte in großer Entfernung an. Wie zu erwarten war, wurde die Debatte nicht entschieden. Es ist dann Edwin Hubble 1925 gelungen zu zeigen, dass Andromeda ein eigenes Sternsystem darstellt und damit nicht zur Milchstraße gehört. Damit löste Hubble die Debatte auf, und er begann, Distanzen zu Nachbargalaxien zu messen. Mit dieser Erkenntnis hat sich das beobachtbare Universum gewaltig vergrößert.

Seit 1990 ergänzen Supernovae vom Typ Ia die Cepheiden als Standardkerzen. Sie werden so hell wie die Zentren von Galaxien und sind damit sichtbar bis zu Rotverschiebung 2. Drei Supernova-Forscher wurden 2011 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet. Was ist der Grund?

19. Nov. 2012

Die RaumZeit Geometrie des Universums

In den unermesslichen Weiten des Universums versagt die Newtonsche Beschreibung der Gravitation. Das Universum ist Newtonsch nicht begreifbar, obschon viele Leute dies immer wieder versuchen! Selbst Einstein hatte noch nicht das richtige Gefühl für das Universum. Die Entdeckung der Expansion des Raumes unseres Universums durch Alexander Friedmann und Georges Lemaitre in den 20er Jahren, zusammen mit der neuen Vision von der Gravitation durch Albert Einstein von 1915, gilt als eine der wichtigsten wissenschaftlichen Erkenntnisse des 20. Jahrhunderts. Noch vor 90 Jahren wurde das Universum als statisch angesehen. Carl Wirtz, Edwin Hubble und andere haben in den 20er Jahren empirisch eine lineare Beziehung zwischen Rotverschiebung der Spiralgalaxien und ihren Entfernungen nachgewiesen, die heute als Hubble-Beziehung bekannt ist. Sie ist eine direkte Konsequenz der Expansion des Universums und ist mit verschiedenen Objekten vermessen worden - sie gilt allerdings nur im Lokalen Universum.

Im Unterschied zu antiken Vorstellungen wird unser Universum durch Kugelschalen aufgebaut, die umso jünger ausfallen je weiter entfernt sie sind. Dies ist eine Folge der Isotropie des Universums und der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit. Photosphäre und Big Bang sind die entferntesten Sphären. Alle diese Kugelschalen expandieren mit der Zeit - die Hubble-Konstante ist ein Mass für die heutige Expansionsgeschwindigkeit. Eine noch unbekannte Vakuum-Energie beschleunigt sogar die heutige und zukünftige Expansion, so dass das Universum in 50 Milliarden Jahren eine weitere inflationäre Phase durchlaufen wird. Fiktion oder Realität?

03. Dez. 2012

Die Expansion des Universums

Die Expansion des Universums wurde 1927 vom Belgier Georges Lemaitre entdeckt. Er entdeckte, was vor ihm schon Friedman 1922 gefunden hatte, dass die Grundgleichungen der Relativitätstheorie ein dynamisches Universum ergeben. Diese Entdeckung verband er mit Sliphers Rotverschiebungen und Hubbles Distanzen. Er schloss daraus, dass das Universum expandiert. In seiner Publikation in den Annales de la Societe Scientifique de Bruxelles im Jahr 1927 leitete Lemaitre bereits das Hubble-Gesetz cz = H d theoretisch her. Lemaitre hat theoretisch hergeleitet, dass Galaxien sich umso schneller entfernen, je weiter sie von uns entfernt sind. Dieses Resultat fand er in den Beobachtungen bestätigt. Dabei fand er für die später nach Hubble benannte Konstante H_0 einen Wert, der im Jahr 1929 durch die Arbeiten von Hubble weitgehend bestätigt wurde. Lemaitre betonte, dass die Flucht der Galaxien (im Kontext der Shapley-Curtis-Debatte auch mit dem heute nicht mehr verwendeten Begriff Nebelflucht bezeichnet) nicht als Bewegung in einem fixen Raum von uns weg zu verstehen sei, sondern im Sinn der Allgemeinen Relativitätstheorie als Expansion des Raumes.

17. Dez. 2012

Vom Big Bang zu Wasserstoff und Helium - Big Bang am LHC?

Chemische Elemente mit Kernen, die schwerer als Wasserstoff sind, entstehen laufend über Kernreaktionen in Sternen. Bevor Sterne entstehen konnten, bildeten sich im Rahmen der primordialen Nukleosynthese bereits Deuterium, Helium-3 und -4 sowie Spuren von Lithium-7. Das primordiale Plasma bestand ursprünglich nur aus Quarks, Gluonen, Leptonen und Photonen. Nach 10 Mikrosekunden bildeten sich daraus im Quark-Hadronen Phasenübergang Protonen und Neutronen, die nach drei Minuten zu Deuterium, Helium und Lithium verkocht wurden.

Woraus bestand das Universum im Big Bang selber? Wahrscheinlich nur aus Geometrie. Diese Ursphäre (von Lemaitre 1933 noch als Uratom bezeichnet - zu seiner Zeit war das Atom die kleinste bekannte Einheit der Materie) mit einem Radius im Bereich von einigen Planck-Radien expandierte in der Inflationsphase um 30 Grössenordnungen und materialisierte sich in das Quark-Gluon-Plasma - reine Geometrie wandelte sich in Materie um. Dabei spalteten sich aus der reinen Gravitation die elektroschwache und die starke Wechselwirkung ab. Dies alles geschah in der unvorstellbar kurzen Zeit von 10-35 Sekunden und bei der unvorstellbar hohen Energie von 1016 GeV - im LHC in Genf können gerade mal 14000 GeV erzeugt werden! Solche energetischen Zustände wird man im Labor nie herstellen können. Was man am LHC am CERN jedoch testen kann, sind die Eigenschaften des Quark-Gluon Plasmas bei viel bescheideneren Energien.

14. Januar 2013

Die Kosmische Hintergrundstrahlung CMB und das Planck-Experiment

Erst nach 380.000 Jahren hatte sich das Universum so weit abgekühlt, dass Elektronen und Protonen sich zu Wasserstoff-Atomen vereinigen konnten (sog. Rekombination). Damit konnten sich die Photonen nun frei bewegen. Das Vorhandensein der Kosmischen Hintergrundstrahlung (CMB) als Folge des Urknalls und der anschliessenden Expansion des Universums wurde bereits in den 40er Jahren von den Vertretern der Urknall-Theorie vorhergesagt. Die Mikrowellenstrahlung mit einer Temperatur von 2,725 Grad Kelvin ist an sich schon interessant genug. Noch wichtiger ist die Tatsache, dass die Temperatur der Hintergrundstrahlung nicht überall exakt gleich ist. Erstmals zeigten sich auf Aufnahmen des WMAP-Vorgängers COBE winzige, nur wenige Millionstel Grad Kelvin kleine Temperaturunterschiede, die jedoch von grosser Bedeutung sind.

28. Januar 2013

Strukturen im Universum - das Universum im Computer

Die grossräumigen Strukturen in der Materieverteilung des Kosmos (als Cosmic Web bekannt) gingen vermutlich aus minimalen Dichteschwankungen im frühen Universum hervor. Bis heute lässt sich aber nicht schlüssig erklären, wie diese Schwankungen kurz nach dem Urknall entstanden. Der Ursprung dieser Fluktuationen liegt aber wahrscheinlich in mikroskopischen Quantenfluktuationen, die sich in der Inflationsphase bildeten. Im frühen Universum wurden diese Fluktuationen als akustische Wellen eingefroren. Dies ist ein völlig neues Phänomen der relativistischen Physik, das in der Newtonschen Welt nicht vorkommt. Akustische Oszillationen sind genau so wichtig wie etwa die Lichtablenkung oder die Periheldrehung des Merkur. Diese akustischen Oszillationen sind in der Hintergrundstrahlung als ausgeprägte Resonanzen im Powerspektrum sichtbar.

Das Universum der Galaxien und Galaxienhaufen kann heute erfolgreich auf dem Computer simuliert werden. Grundlage der Computer-Simulationen bildet nicht gewöhnliche Materie, sondern Dunkle Materie, die nach der gängigen Expertenmeinung etwa 23 Prozent der Masse des Universums ausmacht. Diese Art der Materie konnte offensichtlich von der starken elektromagnetischen Strahlung des heissen frühen Universums nicht auseinander getrieben werden und verklumpte so früher als die baryonische Materie. Daher spielte Dunkle Materie für die Strukturbildung des Universums wohl die wichtigste Rolle. Selbst mit den heute besten Supercomputern ist es nicht möglich, die Vorgänge im gesamten bekannten Universum zu modellieren. Daher beschränkt man sich auf einen würfelförmigen Ausschnitt von typisch 800 Mpc Kantenlänge, was zum Zeitraum z=0 einer Länge von 2,5 Milliarden Lichtjahren entspricht. In diesen Bereich wird Dunkle Materie von 10 Trillionen Sonnenmassen auf 10 Milliarden (in der Millennium Simulation ) bis 500 Milliarden virtuelle Teilchen (in der DEUS-Simulation ) gleichmässig verteilt eingebracht. Zum Start der Simulation werden der Verteilung der Dunklen Materie winzige Dichteschwankungen aufgeprägt, wie sie aus der Kosmischen Hintergrundstrahlung folgen. Die Stärke der Fluktuationen der Simulation entspricht etwa der im realen Universum 10 Millionen Jahre nach dem Urknall. Das Programm berechnet nun die Bewegung eines jeden Teilchens aufgrund der Schwerkraft mit einer Schrittlänge von etwa einer Million Jahren. Wie dem realen Universum wird auch der Simulation ein expandierender Raum zugrunde gelegt. Die Simulation endet nach typisch 11.000 Zeitschritten, was einer Zeitspanne von 14 Milliarden Jahren, also dem Alter des heutigen Universums, entspricht.




Zum Nachdenken an regnerischen Tagen im Winter 2012/2013:


Literatur zur Vorlesung:

Das Buch zur Vorlesung:


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Updated: 23. August 2012