Kosmologie/Grundlagen der modernen Kosmologie

Grundlagen der modernen Kosmologie

Materie- bzw. Energieanteil des Universums zum jetzigen Zeitpunkt (oben) und zur Entkopplungszeit, 380.000 Jahre nach dem Urknall (unten). Die Bezeichnung „Atome“ steht hier für „normale Materie“. Auch über die Natur der Dunklen Energie ist wenig bekannt.

Als Standardmodell der Kosmologie gilt heute das das sogenannte Lambda-CDM-Modell (kurz auch: ΛCDM-Modell), das mit wenigen – in der Grundform sechs – Parametern die Entwicklung des Universums seit dem Urknall beschreibt. Der griechische Buchstabe Lambda (Λ) steht dabei für die kosmologische Konstante, und CDM für cold dark matter (kalte dunkle Materie). Es ist das derzeit einfachste Modell und stimmt gut mit den wichtigsten Beobachtungsdaten überein, die Aufschluss über das frühe Universum geben: Die Anisotropie der Hintergrundstrahlung in einem ansonst weitgehend isotropen Universum, die beobachtete Geschwindigkeit und zeitliche Veränderung der Expansion des Universums und die großräumigen Superstrukturen des Kosmos.

Die grundlegenden Prinzipien der modernen Kosmologie sind:

1. Das kosmologische Prinzip: Es besagt, dass das Universum im Großen und Ganzen homogen und isotrop ist. Das bedeutet, dass es auf großen Skalen in jeder Richtung gleichförmig erscheint und keine bevorzugten Richtungen oder Positionen gibt.
2. Die Urknalltheorie: Sie ist die am weitesten akzeptierte Theorie über die Entstehung des Universums. Sie besagt, dass das Universum vor etwa 13,8 Milliarden Jahren aus einem extrem heißen und dichten Zustand expandiert ist. Diese Theorie wird durch eine Vielzahl von Beobachtungen gestützt, wie etwa die kosmische Hintergrundstrahlung, die Expansion des Universums und die Häufigkeit von leichten Elementen.
3. Die Expansion des Universums: Das Universum dehnt sich seit seinem Ursprung kontinuierlich aus. Diese Expansion wurde erstmals durch die Beobachtung der Rotverschiebung von Galaxien entdeckt und ist ein zentrales Merkmal der modernen Kosmologie.
4. Dunkle Materie und Dunkle Energie: Die Hypothese der Dunklen Materie entstand als Erklärung für Beobachtungen, die auf das Vorhandensein von zusätzlicher Masse im Universum hindeuteten, die nicht durch sichtbare Materie, wie Sterne oder Gas, erklärt werden konnte. Nach dem Dritten Keplerschen Gesetz und dem Gravitationsgesetz müsste die Umlaufgeschwindigkeit der Sterne mit wachsendem Abstand vom Galaxiezentrum, um das sie rotieren, abnehmen, da die sichtbare Materie innen konzentriert ist. Messungen der Doppler-Verschiebung zeigen jedoch, dass sie konstant bleibt oder sogar ansteigt. Die sichtbare Materie, aus der Sterne, Planeten und Galaxien bestehen, macht nach heutigen Schätzungen nur etwa 5% der Gesamtmasse des Universums aus. Der Rest besteht aus Dunkler Materie (ca. 23%) und Dunkler Energie (ca. 72%). Sie als „dunkel“ zu bezeichnen, ist übrigens irreführend, da sie keineswegs Licht absorbiert, sondern vielmehr völlig durchlässig für jede Art von elektromagnetischer Strahlung ist, da sie mit dieser in keine Wechselwirkung tritt. Dunkle Materie ist für die Strukturbildung im Universum verantwortlich, während Dunkle Energie die Expansion des Universums beschleunigt.