Wenn es um unsere kosmischen Ursprünge geht, wurden im Laufe der Geschichte eine Reihe von Theorien aufgestellt. Buchstäblich jede Kultur, die jemals existiert hat, hat ihre eigene mythologische Tradition, die natürlich eine Schöpfungsgeschichte beinhaltete. Mit der Geburt der wissenschaftlichen Tradition begannen die Wissenschaftler, das Universum anhand physikalischer Gesetze zu verstehen, die getestet und bewiesen werden konnten.
Mit Beginn des Weltraumzeitalters begannen die Wissenschaftler, kosmologische Theorien auf beobachtbare Phänomene zu testen. Aus all dem ging in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts eine Reihe von Theorien hervor, die zu erklären versuchten, wie alle Materie und die physikalischen Gesetze, die sie regeln, entstanden. Von diesen bleibt die Urknalltheorie die am weitesten verbreitete, während die Steady-State-Hypothese historisch gesehen ihr größter Herausforderer war.
Das Steady-State-Modell besagt, dass die Dichte der Materie im expandierenden Universum aufgrund der kontinuierlichen Erzeugung von Materie über die Zeit unverändert bleibt. Mit anderen Worten, das beobachtbare Universum bleibt unabhängig von Zeit oder Ort im Wesentlichen dasselbe. Dies stellt einen scharfen Kontrast zu der Theorie dar, dass der Großteil der Materie in einem einzigen Ereignis (dem Urknall) erzeugt wurde und sich seitdem erweitert hat.
Ursprünge
Während die Vorstellung eines stabilen und unveränderlichen Universums im Laufe der Geschichte aufgegriffen wurde, begannen Wissenschaftler erst in der frühen Neuzeit, dies in astrophysikalischen Begriffen zu interpretieren. Das erste klare Beispiel dafür, das im Kontext der Astronomie und Kosmologie argumentiert wurde, war Isaac Newtons Mathematische Prinzipien der Naturphilosophie (Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica) veröffentlicht 1687.
In Newtons Magnum Opus konzipierte er das Universum jenseits des Sonnensystems als einen leeren Raum, der sich gleichmäßig in alle Richtungen bis zu unermesslichen Entfernungen erstreckte. Er erklärte weiter durch mathematische Beweise und Beobachtungen, dass alle Bewegungen und Dynamiken in diesem System durch das einzige Prinzip der universellen Gravitation erklärt wurden.
Die sogenannte Steady-State-Hypothese wurde jedoch erst im frühen 20. Jahrhundert bekannt. Dieses kosmologische Modell wurde von einer Reihe von Entdeckungen sowie von Durchbrüchen auf dem Gebiet der theoretischen Physik inspiriert. Dazu gehörten Albert Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie und Edwin Hubbles Beobachtungen, dass sich das Universum in einem Expansionszustand befindet.
Einstein formalisierte diese Theorie bis 1915, nachdem er beschlossen hatte, seine Theorie der Speziellen Relativitätstheorie auf die Schwerkraft auszudehnen. Letztendlich besagt diese Theorie, dass die Gravitationskraft von Materie und Energie die Krümmung der Raumzeit um sie herum direkt verändert. Oder wie der berühmte theoretische Physiker John Wheeler es zusammenfasste: „Raum-Zeit sagt Materie, wie man sich bewegt; Materie sagt Raum-Zeit, wie man sich krümmt. “
Bis 1917 zeigten theoretische Berechnungen auf der Grundlage von Einsteins Feldgleichungen, dass sich das Universum entweder in einem Expansions- oder einem Kontraktionszustand befinden musste. Bis 1929 zeigten Beobachtungen von George Lemaitre (der die Urknalltheorie vorschlug) und Edwin Hubble (unter Verwendung des 100-Zoll-Hooker-Teleskops am Mount Wilson Observatory), dass letzteres der Fall war.
Basierend auf diesen Enthüllungen begann in den 1930er Jahren eine Debatte über die möglichen Ursprünge und die wahre Natur des Universums. Auf der einen Seite gab es diejenigen, die behaupteten, das Universum sei endlich alt und entwickelte sich im Laufe der Zeit durch Abkühlung, Expansion und Bildung von Strukturen aufgrund des Gravitationskollapses. Diese Theorie wurde von Fred Hoyle satirisch als „Urknall“ bezeichnet, und der Name blieb erhalten.
Unterdessen hielt die Mehrheit der damaligen Astronomen an der Theorie fest, dass sich das beobachtbare Universum zwar ausdehnt, sich jedoch in Bezug auf die Dichte der Materie nicht ändert. Kurz gesagt, Befürworter dieser Theorie argumentierten, dass das Universum keinen Anfang, kein Ende hat und dass Materie im Laufe der Zeit kontinuierlich erzeugt wird - mit einer Geschwindigkeit von einem Wasserstoffatom pro Kubikmeter pro 100 Milliarden Jahre.
Diese Theorie erweiterte auch Einsteins kosmologisches Prinzip, auch bekannt als. Cosmological Constant (CC), die Einstein 1931 vorschlug. Laut Einstein war diese Kraft dafür verantwortlich, die Schwerkraft zurückzuhalten und sicherzustellen, dass das Universum in Bezug auf seine großräumige Struktur stabil, homogen und isotrop bleibt.
Die Mitglieder der Steady State School of School modifizierten dieses Prinzip und erweiterten es. Sie argumentierten, dass es die kontinuierliche Schaffung von Materie war, die dafür sorgte, dass die Struktur des Universums im Laufe der Zeit dieselbe blieb. Dies ist auch als das perfekte kosmologische Prinzip bekannt, das die Steady-State-Hypothese aufhebt.
Die Steady-State-Theorie wurde 1948 durch die Veröffentlichung von zwei Artikeln bekannt: "Ein neues Modell für ein expandierendes Universum" des englischen Astronomen Fred Hoyle und "Die Steady-State-Theorie und das expandierende Universum" des britisch-österreichischen Astrophysikers und Kosmologenteam von Hermann Bondi und Thomas Gold.
Hauptargumente und Vorhersagen
Zu den Argumenten für die Steady-State-Hypothese gehört das offensichtliche Zeitskalenproblem, das sich aus der beobachteten Geschwindigkeit der kosmischen Expansion ergibt (auch bekannt als Hubble-Konstante oder Hubble-Lemaitre-Gesetz). Basierend auf Hubbles Beobachtungen nahegelegener Galaxien berechnete er, dass sich das Universum mit einer Geschwindigkeit ausdehnt, die mit der Entfernung systematisch zunimmt.
Dies brachte die Idee auf, dass sich das Universum von einem viel kleineren Raumvolumen aus auszudehnen begann. Ohne Beschleunigung / Verzögerung - 500 km / s pro Megaparsec (310 mps pro Mpc) - bedeutete die Hubble-Konstante, dass sich die gesamte Materie seit etwa 2 Milliarden Jahren ausdehnt - was auch das obere Alter des Universums wäre.
Diesem Befund widersprach die radioaktive Datierung, bei der Wissenschaftler die Zerfallsrate für Ablagerungen von Uran-238 und Plutonium-205 in Gesteinsproben maßen. Mit dieser Methode wurden die ältesten Gesteinsproben (die ihren Ursprung im Mond hatten) auf 4,6 Milliarden Jahre geschätzt. Eine weitere Inkongruenz ergab sich aus der Sternentwicklungstheorie.
Kurz gesagt, die Geschwindigkeit, mit der Wasserstoff im Inneren von Sternen fusioniert wird (um Helium zu erzeugen), ergibt eine Schätzung des oberen Alters von Kugelsternhaufen - den ältesten Sternen der Galaxie - von 10 Milliarden Jahren. Darüber hinaus hätte in diesem Modell keine Entwicklung über große Entfernungen stattfinden können - was bedeuten würde, dass Radioquellen - auch bekannt als. Quasare oder Active Galactic Nuclei (AGNs) - wären im gesamten Universum einheitlich.
Dies würde auch bedeuten, dass die Hubble-Konstante (wie im frühen 20. Jahrhundert berechnet) konstant bleiben würde. Das Steady-State-Modell sagte auch voraus, dass die stetige Bildung von Antimaterie und Neutronen zu regelmäßigen Vernichtungen und zum Zerfall von Neutronen führen würde, was zur Existenz eines Gammastrahlenhintergrunds und eines heißen röntgenstrahlemittierenden Gases im gesamten Universum führen würde.
Urknall für den Sieg
Die laufenden Beobachtungen in den 1950er und 1960er Jahren führten jedoch stetig zu einer Reihe von Beweisen gegen die Steady-State-Hypothese. Dazu gehörte die Entdeckung heller Radioquellen (auch bekannt als Quasare und Radiogalaxien), die in fernen Galaxien entdeckt wurden, aber nicht in denen, die uns am nächsten liegen - was darauf hinweist, dass viele Galaxien im Laufe der Zeit „radioaktiv“ wurden.
Bis 1961 ermöglichten Untersuchungen von Funkquellen statistische Analysen, die die Möglichkeit einer gleichmäßigen Verteilung heller Funkgalaxien ausschlossen. Ein weiteres wichtiges Argument gegen die Steady-State-Hypothese war die Entdeckung des Cosmic Microwave Background (CMB) im Jahr 1964, die das Urknallmodell vorhersagte.
In Kombination mit dem Fehlen eines Gammastrahlenhintergrunds und durchdringenden Wolken aus röntgenemittierendem Gas wurde das Urknallmodell in den 1960er Jahren weithin akzeptiert. In den 1990er Jahren wurden Beobachtungen mit dem Hubble-Weltraumteleskop und andere Observatorien entdeckten ebenfalls, dass die kosmische Expansion im Laufe der Zeit nicht konsistent war. In den letzten drei Milliarden Jahren hat es sich tatsächlich beschleunigt.
Dies hat zu mehreren Verfeinerungen der Hubble-Konstante geführt. Basierend auf Daten, die von der Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) gesammelt wurden, wird die Geschwindigkeit der kosmischen Expansion derzeit auf 70 bis 73,8 km / s pro Mpc (43,5 bis 46 mps pro Mpc) mit einer Fehlerquote von 3% geschätzt. Diese Werte stimmen weitaus besser mit Beobachtungen überein, nach denen das Alter des Universums bei etwa 13,8 Milliarden Jahren liegt.
Moderne Varianten
Ab 1993 veröffentlichten Fred Hoyle und die Astrophysiker Geoffrey Burbidge und Jayant V. Narlikar eine Reihe von Studien, in denen sie eine neue Version der Steady-State-Hypothese vorschlugen. Diese als Quasi-Steady-State-Hypothese (QSS) bekannte Variante versuchte, kosmologische Phänomene zu erklären, die in der alten Theorie nicht berücksichtigt wurden.
Dieses Modell legt nahe, dass das Universum das Ergebnis von Schöpfungstaschen (auch bekannt als Mini-Bangs) ist, die im Laufe vieler Milliarden Jahre geschehen. Dieses Modell wurde als Reaktion auf Daten modifiziert, die zeigten, wie sich die Expansionsrate des Universums beschleunigt. Trotz dieser Änderungen betrachtet die astronomische Gemeinschaft den Urknall immer noch als das beste Modell zur Erklärung aller beobachtbaren Phänomene.
Heute ist dieses Modell als Lambda-Cold Dark Matter (LCDM) -Modell bekannt, das aktuelle Theorien über Dunkle Materie und Dunkle Energie mit der Urknalltheorie verbindet. Trotzdem wird die Steady-State-Hypothese (und Varianten davon) immer noch von einigen Astrophysikern und Kosmologen vertreten. Und es ist nicht die einzige Alternative zur Urknallkosmologie…
Wir haben hier im Space Magazine viele Artikel über Kosmologie geschrieben. Was ist das Universum, Urknalltheorie: Evolution unseres Universums, Was ist die Theorie des oszillierenden Universums? Was ist der Big Rip? Was ist die Multiversum-Theorie? Was ist die Superstringtheorie? Was ist der kosmische Mikrowellenhintergrund? , The Big Crunch: Das Ende unseres Universums?, Was ist der Big Freeze? Und Cosmology 101: The End.
Astronomie Besetzen Sie auch einige interessante Episoden zu diesem Thema. Hier ist Episode 5: Der Urknall und der kosmische Mikrowellenhintergrund, Episode 6: Weitere Beweise für den Urknall, Episode 79: Wie groß ist das Universum?, Episode 187: Geschichte der Astronomie, Teil 5: Das 20. Jahrhundert und Episode 499: Was ist das vorgeschlagene Hubble-Lemaitre-Gesetz?
Quellen:
- Wikipedia - Kosmologisches Prinzip
- Wikipedia - Steady-State-Hypothese
- Ideen der Kosmologie - Urknall oder Steady State?
- Encyclopedia Britannica - Steady-State-Theorie
- UBC Astronomie und Astrophysik - Grundlegende Fragen der Kosmologie
- "Ein neues Modell für das expandierende Universum", Hoyle, F. MNRAS, vol. 108, nein. 372 (1948)
- "Quasi-stationäre und verwandte kosmologische Modelle: Ein historischer Rückblick", Kragh. H. H. (2012)
- "Die Steady-State-Theorie des expandierenden Universums", MNRAS, vol. 108, p. 252 (1948)
- "Einsteins Steady-State-Theorie: ein verlassenes Modell des Kosmos", The European Physical Journal H, vol. 39, pg. 353-367 (2014)
- "Ein quasi-stationäres kosmologisches Modell mit Materieerzeugung", Hoyle, F.; Burbidge, G.; Narlikar, J. V., Astrophysical Journal v. 410, p. 437 (1993)
