Seit Tausenden von Jahren beobachten Menschen die Sterne und fragen sich, wie das Universum entstanden ist. Aber erst in den Jahren des Ersten Weltkriegs entwickelten die Forscher die ersten Beobachtungsinstrumente und theoretischen Werkzeuge, um diese großen Fragen in ein genaues Forschungsgebiet umzuwandeln: die Kosmologie.
"Ich betrachte die Kosmologie als eines der ältesten Themen von menschlichem Interesse, aber als eine der neuesten Wissenschaften", sagte Paul Steinhardt, ein Kosmologe an der Princeton University, der untersucht, ob die Zeit einen Anfang hat.
Kurz gesagt, die Kosmologie untersucht den Kosmos als eine Einheit, anstatt die Sterne, Schwarzen Löcher und Galaxien, die ihn füllen, getrennt zu analysieren. Dieses Feld stellt große Fragen: Woher kommt das Universum? Warum hat es Sterne, Galaxien und Galaxienhaufen? Was wird als nächstes passieren? "Die Kosmologie versucht, ein sehr umfassendes Bild der Natur des Universums zu machen", sagte Glennys Farrar, Teilchenphysiker an der New York University.
Da sich diese Disziplin mit vielen Phänomenen auseinandersetzt, von Teilchen im Vakuum bis hin zu Raum und Zeit, stützt sich die Kosmologie stark auf viele Bereiche, einschließlich Astronomie, Astrophysik und zunehmend Teilchenphysik.
"Die Kosmologie hat Teile davon, die vollständig in der Physik sind, Teile, die vollständig in der Astrophysik sind, und Teile, die hin und her gehen", sagte Steinhardt. "Das ist ein Teil der Aufregung."
Eine Geschichte der Geschichte des Universums
Der interdisziplinäre Charakter des Feldes erklärt seinen vergleichsweise späten Start. Unser modernes Bild des Universums begann sich erst in den 1920er Jahren zu vereinen, kurz nachdem Albert Einstein die allgemeine Relativitätstheorie entwickelt hatte, einen mathematischen Rahmen, der die Schwerkraft als Folge der Biegung von Raum und Zeit beschreibt.
"Bevor Sie die Natur der Schwerkraft verstehen, können Sie nicht wirklich eine Theorie darüber aufstellen, warum die Dinge so sind, wie sie sind", sagte Steinhardt. Andere Kräfte haben größere Auswirkungen auf Partikel, aber die Schwerkraft spielt in der Arena der Planeten, Sterne und Galaxien eine wichtige Rolle. Isaac Newtons Beschreibung der Schwerkraft funktioniert oft auch in diesem Bereich, behandelt jedoch Raum (und Zeit) als starren und unveränderlichen Hintergrund, vor dem Ereignisse gemessen werden können. Einsteins Arbeit zeigte, dass sich der Raum selbst ausdehnen und zusammenziehen kann, das Universum von der Bühne zum Schauspieler verschiebt und es als dynamisches Objekt zum Studium in den Kampf bringt.
Mitte der 1920er Jahre machte der Astronom Edwin Hubble Beobachtungen mit dem kürzlich gebauten 254-Zentimeter-Hooker-Teleskop am Mount Wilson Observatory in Kalifornien. Er versuchte eine Debatte über die Position bestimmter Wolken im Weltraum zu führen, die Astronomen sehen konnten. Hubble bewies, dass diese "Nebel" keine kleinen lokalen Wolken waren, sondern riesige, entfernte Sternhaufen, die unserer eigenen Milchstraße ähnelten - "Inseluniversen" im damaligen Sprachgebrauch. Heute nennen wir sie Galaxien und wissen, dass sie in den Billionen zählen.
Die größten Umwälzungen in der kosmischen Perspektive standen noch bevor. Hubbles Arbeit in den späten 1920er Jahren deutete darauf hin, dass Galaxien in alle Richtungen von uns weg rasen und Jahrzehnte weiterer Debatten auslösen. Eventuelle Messungen des kosmischen Mikrowellenhintergrunds (CMB) - Licht, das von den frühen Jahren des Universums übrig geblieben war und sich seitdem in Mikrowellen ausgedehnt hat - in den 1960er Jahren haben gezeigt, dass die Realität einer der von der allgemeinen Relativitätstheorie vorgeschlagenen Möglichkeiten entspricht: Das Universum beginnt klein und heiß seitdem immer größer und kälter. Das Konzept wurde als Urknalltheorie bekannt und erschütterte Kosmologen, weil es implizierte, dass sogar das Universum einen Anfang und ein Ende haben könnte.
Aber zumindest diese Astronomen konnten die Bewegung der Galaxien in ihren Teleskopen sehen. Eine der seismischsten Verschiebungen der Kosmologie, sagte Farrar, ist die Idee, dass die überwiegende Mehrheit der Dinge da draußen aus etwas anderem besteht, etwas völlig Unsichtbarem. Das Material, das wir sehen können, ist kaum mehr als ein kosmischer Rundungsfehler - nur etwa 5% von allem im Universum.
Der erste Bewohner der anderen 95% des Universums, der sogenannte "dunkle Sektor", richtete in den 1970er Jahren seinen Kopf auf. Damals erkannte die Astronomin Vera Rubin, dass sich Galaxien so schnell drehten, dass sie sich auseinander drehen sollten. Mehr als schwer zu erkennende Materie, sagte Farrar, das Zeug, das Galaxien zusammenhält, musste für Physiker etwas völlig Unbekanntes sein, etwas, das - abgesehen von seiner Anziehungskraft - gewöhnliche Materie und Licht völlig ignoriert. Spätere Kartierungen ergaben, dass die Galaxien, die wir sehen, einfach Kerne im Zentrum kolossaler Kugeln der "dunklen Materie" sind. Die Filamente sichtbarer Materie, die sich über das Universum erstrecken, hängen an einem dunklen Rahmen, der die sichtbaren Teilchen fünf zu eins überwiegt.
Das Hubble-Weltraumteleskop entdeckte dann in den 1990er Jahren Anzeichen einer unerwarteten Energievielfalt, von der Kosmologen sagen, dass sie nach Berücksichtigung der Dunklen Materie (25%) und der sichtbaren Materie (5%) die verbleibenden 70% des Universums ausmacht Die Expansion des Universums beschleunigte sich wie ein außer Kontrolle geratener Zug. "Dunkle Energie", möglicherweise eine Art von Energie, die dem Raum selbst innewohnt, drückt das Universum schneller auseinander, als die Schwerkraft den Kosmos zusammenziehen kann. In einer Billion Jahren werden sich alle in der Milchstraße verbliebenen Astronomen in einem wahren Inseluniversum befinden, das von Dunkelheit umgeben ist.
"Wir befinden uns an einem Übergangspunkt in der Geschichte des Universums, von dem Ort, an dem es von Materie dominiert wird, zu dem Punkt, an dem es von einer neuen Energieform dominiert wird", sagte Steinhardt. "Dunkle Materie hat unsere Vergangenheit bestimmt. Dunkle Energie wird unsere Zukunft bestimmen."
Moderne und zukünftige Kosmologie
Die aktuelle Kosmologie packt diese wegweisenden Entdeckungen in ihre Krönung, das Lambda-CDM-Modell. Dieses Gleichungsbündel wird manchmal als Standardmodell der Kosmologie bezeichnet und beschreibt das Universum ab etwa seiner ersten Sekunde. Das Modell nimmt eine bestimmte Menge an dunkler Energie (Lambda, für seine Darstellung in der allgemeinen Relativitätstheorie) und kalter dunkler Materie (CDM) an und macht ähnliche Vermutungen über die Menge an sichtbarer Materie, die Form des Universums und andere Eigenschaften, die alle durch Experimente bestimmt wurden und Beobachtungen.
Spielen Sie diesen Baby-Universum-Film 13,8 Milliarden Jahre vorwärts, und Kosmologen erhalten eine Momentaufnahme, die "statistisch alles enthält, was wir bis zu einem bestimmten Punkt messen können", sagte Steinhardt. Dieses Modell stellt das Ziel dar, das es zu schlagen gilt, wenn Kosmologen ihre Beschreibungen des Universums tiefer in die Vergangenheit und in die Zukunft verschieben.
So erfolgreich Lambda-CDM auch war, es gibt immer noch viele Probleme, die behoben werden müssen. Kosmologen erhalten widersprüchliche Ergebnisse, wenn sie versuchen, die aktuelle Expansion des Universums zu untersuchen, je nachdem, ob sie es direkt in nahe gelegenen Galaxien messen oder aus dem CMB ableiten. Dieses Modell sagt auch nichts über die Zusammensetzung der Dunklen Materie oder Energie aus.
Dann gibt es diese lästige erste Sekunde der Existenz, als das Universum vermutlich von einem infinitesimalen Fleck zu einer relativistisch gut erzogenen Blase überging. "Inflation" ist eine populäre Theorie, die versucht, diese Zeit zu bewältigen, und erklärt, wie ein kurzer Moment noch schnellerer Expansion winzige ursprüngliche Variationen in die großräumige Ungleichmäßigkeit der heutigen Galaxien sprengte und wie die Lambda-CDM-Eingaben ihre Werte erhielten .
Niemand weiß jedoch, wie die Inflation im Detail funktioniert hat oder warum sie dort aufgehört hat, wo sie vermutlich war. Steinhardt sagte, dass die Inflation in vielen Regionen des Weltraums hätte anhalten sollen, was impliziert, dass unser Universum nur ein Teil eines "Multiversums" ist, das jede mögliche physikalische Realität enthält - eine nicht testbare Idee, die viele Experimentatoren beunruhigend finden.
Um bei Fragen wie diesen Fortschritte zu erzielen, suchen Kosmologen nach Präzisionsmessungen von weltraumgestützten Teleskopen wie dem Hubble-Weltraumteleskop und dem kommenden James Webb-Weltraumteleskop sowie nach Experimenten auf dem aufstrebenden Gebiet der Gravitationswellenastronomie wie der National Science Foundation Laserinterferometer-Gravitationswellenobservatorium. Kosmologen schließen sich auch Teilchenphysikern und Astrophysikern in einem interdisziplinären Wettlauf an, um Teilchen dunkler Materie zu entdecken.
So wie die Kosmologie erst beginnen konnte, wenn andere Bereiche der Physik gereift waren, wird sie die Geschichte des Universums erst dann vollständig enthüllen können, wenn andere Bereiche vollständiger sind. "Um die Geschichte klar zu machen, muss man im Wesentlichen alles herausarbeiten die Gesetze der Physik auf allen Energieskalen und unter allen Bedingungen ", sagte Steinhardt. "Und eine Änderung in einer davon könnte die kosmologische Geschichte radikal verändern."
Farrar sagte, sie wisse nicht, ob das passieren werde, wundert sich aber, dass die Menschen die Komplexität des Universums genauso gut verstanden haben wie sie. "Es ist erstaunlich, dass sich das menschliche Gehirn so weit entwickelt hat, dass diese Fragen anscheinend beantwortet werden können", sagte sie. "Zumindest einige von ihnen."
Zusätzlich Ressourcen:
