Astronomie ohne Teleskop – Flaches Universum

Ein bemerkenswerter Befund des frühen 21. Jahrhunderts, der neben der mit dem Nobelpreis ausgezeichneten Entdeckung der beschleunigten Expansion des Universums steht, ist der Befund, dass das Universum geometrisch flach ist. Dies ist ein bemerkenswertes und unerwartetes Merkmal eines Universums, das sich ausdehnt – geschweige denn eines, das sich beschleunigt ausdehnt – und wie die beschleunigte Expansion ist es ein Schlüsselmerkmal unseres aktuellen Standardmodells des Universums.

Es kann sein, dass die Ebenheit nur eine Folge der sich beschleunigenden Expansion ist – aber bis heute kann dies nicht endgültig angegeben werden.

Wie immer dreht sich alles um Einstein. Die Einstein-Feldgleichungen ermöglichen die Modellierung der Geometrie des Universums – und verschiedene kosmologische Theoretiker haben eine Vielzahl unterschiedlicher Lösungen entwickelt. Einige Schlüssellösungen sind die Friedmann-Gleichungen, die die Form und das wahrscheinliche Schicksal des Universums mit drei möglichen Szenarien berechnen:
geschlossenes Universum – mit einem Inhalt, der so dicht ist, dass die Raum-Zeit-Geometrie des Universums in einer hyper-sphärischen Form in sich hineingezogen wird. Letztendlich würde erwartet, dass ein solches Universum in einer großen Krise in sich zusammenbricht.
offenes Universum – ohne ausreichende Dichte, um in Raum-Zeit zu zeichnen, wodurch eine hyperbolische Geometrie entsteht, die gemeinhin als Sattelform bezeichnet wird und das Schicksal hat, sich für immer auszudehnen.
flaches Universum – mit einer „genau richtigen“ Dichte – obwohl ein unklares Schicksal.

Die Friedmann-Gleichungen wurden in der Kosmologie des 20. Jahrhunderts verwendet, um das endgültige Schicksal unseres Universums zu bestimmen. Nur wenige Menschen dachten, dass das flache Szenario ein wahrscheinlicher Befund sein würde – da erwartet werden könnte, dass ein Universum zuvor nur für kurze Zeit flach bleibt Verschieben in einen offenen (oder geschlossenen) Zustand, weil seine Expansion (oder Kontraktion) die Dichte seines Inhalts verändern würde.

Es wurde angenommen, dass die Materiedichte der Schlüssel zur Geometrie ist – und Schätzungen der Materiedichte unseres Universums beliefen sich auf etwa 0,2 Atome pro Kubikmeter, während der relevante Teil der Friedmann-Gleichungen berechnete, dass die kritische Dichte, die erforderlich ist, um unser Universum flach zu halten, 5 betragen würde Atome pro Kubikmeter. Da wir nur 4% der erforderlichen kritischen Dichte finden konnten, deutete dies darauf hin, dass wir wahrscheinlich in einem offenen Universum lebten – aber dann fanden wir Möglichkeiten, die Geometrie des Universums direkt zu messen.

Es gibt eine You-Tube von Lawrence Krauss (von Physics of Star Trek), die erklärt, wie dies mit kosmischen Mikrowellen-Hintergrunddaten (aus WMAP und früheren Experimenten) gemacht wird – wobei die am Himmel abgebildete CMB eine Seite eines Dreiecks mit Ihnen darstellt Die gegenüberliegende Spitze zeigt auf die beiden anderen Seiten. Anschließend können die Winkel des Dreiecks gemessen werden, die sich in einem flachen (euklidischen) Universum zu 180 Grad addieren, in einem geschlossenen Universum zu mehr als 180 und in einem offenen Universum zu weniger als 180 Grad.

Diese Ergebnisse, die darauf hinweisen, dass das Universum bemerkenswert flach war, kamen um die Jahrhundertwende ungefähr zur gleichen Zeit, als das Ergebnis der beschleunigten Expansion von 1998 angekündigt wurde.

Es ist also wirklich die Flachheit des Universums und die Schätzung, dass nur 4% (0,2 Atome pro Meter) der Materiedichte erforderlich sind, um es flach zu halten, die uns dazu bringt, dunkle Dinge zur Erklärung des Universums heranzuziehen. In der Tat können wir nicht einfach nur Materie, hell oder dunkel, heranziehen, um zu erklären, wie unser Universum seine kritische Dichte angesichts der Expansion aufrechterhält, geschweige denn die beschleunigte Expansion – da alles, was es ist, aus dem Nichts erscheint. Wir appellieren also an die Dunkle Energie, um das Defizit auszugleichen – ohne eine Ahnung zu haben, was es ist.

Angesichts der geringen Relevanz konventioneller Materie für die Geometrie unseres Universums könnte man die anhaltende Relevanz der Friedmann-Gleichungen in der modernen Kosmologie in Frage stellen. In jüngerer Zeit besteht Interesse am De-Sitter-Universum, einer anderen Einstein-Feldgleichungslösung, die ein Universum ohne Materiegehalt modelliert – seine Expansion und Entwicklung ist vollständig das Ergebnis der kosmologischen Konstante.

De-Sitter-Universen können zumindest auf dem Papier dazu gebracht werden, sich mit zunehmender Expansion auszudehnen und räumlich flach zu bleiben – ähnlich wie unser Universum. Aus diesem Grund ist es verlockend anzunehmen, dass Universen von Natur aus flach bleiben, während sie sich einer beschleunigten Expansion unterziehen – denn genau das tun Universen, deren Inhalt wenig direkten Einfluss auf ihre langfristige Entwicklung oder ihre großräumige Geometrie hat.

Aber wer weiß das wirklich – wir arbeiten buchstäblich und metaphorisch im Dunkeln daran.

Weiterführende Literatur:

Krauss: Warum das Universum wahrscheinlich flach ist (Video).

Schau das Video: Doku Universum. Das holografische Universum

Rate article
Schreibe einen Kommentar