Hinweise auf Menschen

Michael S. Turner

Der theoretische Astrophysiker prägte den Begriff Dunkle Energie und forscht zur Struktur des Universums. Nach dem anerkannten Standardmodell der Kosmologie bleiben aber noch viele Rätsel.

Der Gegenwart. — 19. Oktober 2022

Michael S. Turner begann sein Physikstudium am California Institute of Technology. Nach dem Bachelor wechselte er 1971 an die Stanford University. 1973 machte er seinen Master, 1978 promovierte er dort und war danach Instructor. Daraufhin wurde er Enrico Fermi Fellow in Chicago am Enrico Fermi Institute, 1980 wurde er dort Assistant Professor und 1985 Professor für Astronomie und Astrophysik. An der University of Chicago ist er zudem Direktor des Kavli Institute for Cosmological Physics. Seit 1979 gehört er auch dem Aspen Center for Physics an, dessen Vorsitzender er von 1989 bis 1993 war. Außerdem arbeitet er am Enrico Fermi Institute, dem Fermi National Accelerator Laboratory (ab 1983) und dem Argonne National Laboratory. An der Universität war Turner 1997 bis 2003 Direktor des Bereichs Astronomie und Astrophysik. Am Fermilab gründete er zusammen mit Edward Kolb und David Schramm die Arbeitsgruppe für Theoretische Astrophysik. 2013 war er Präsident der American Physical Society.

Werk

Turner leistete wichtige Arbeiten für die Verbindung von Teilchenphysik und Kosmologie hinsichtlich der Teilchenbildungsprozesse im frühen Universum. Weitergehende Forschungen betrieb und betreibt er zur Nukleosynthese, Inflation, Dunklen Materie, Strukturbildung im Universum und zuletzt besonders zur Dunklen Energie. Dieser Begriff wurde von Turner selbst geprägt. Das gemeinsam mit Edward Kolb geschriebene The Early Universe gilt als wichtigstes Buch auf diesem Gebiet.

Ehrungen

1983 erhielt Turner ein Forschungsstipendium der Alfred P. Sloan Foundation (Sloan Research Fellowship). Er ist Fellow der American Physical Society, Mitglied der American Academy of Arts and Sciences (1996), der National Academy of Sciences (1997) und der American Philosophical Society (2017). Er hat den Helen-B.-Warner-Preis der American Astronomical Society, den Julius-Edgar-Lilienfeld-Preis (1997) der American Physical Society, die Halley Lectureship der Oxford University, den Klopsteg Lecture Award der American Association of Physics Teachers und den Quantrell Award für herausragende Leistungen in der Lehre in Chicago erhalten. 2000 hielt er zwei Wolfgang-Paul-Vorlesungen in Bonn. Es gab eine Ausstellung mit Turners Diagrammen. Er ist Ehrendoktor der Michigan State University.

Textgrundlage: https://de.wikipedia.org/wiki/Michael_S._Turner

Das Universum

Das Wort „Universum“ wurde im 17. Jahrhundert von Philipp von Zesen durch das Wort „Weltall“ verdeutscht. Während das Universum bzw. Weltall alles umfasst, ist mit dem Begriff Weltraum nur der Raum außerhalb der Erdatmosphäre und außerhalb der Atmosphären anderer Himmelskörper gemeint, in dem nahezu ein Vakuum herrscht. Umgangssprachlich wird „Weltall“ oder „All“ aber auch mit der Bedeutung von „Weltraum“ verwendet.

Die Bezeichnung „Kosmos“ ist aus altgriechisch κόσμος ‚Ordnung‘ entlehnt und drückt zusätzlich zur Bezeichnung „Universum“ aus, dass sich das Universum in einem „geordneten“ Zustand befinde, als Gegenbegriff zum Chaos. Es ist seit dem 19. Jahrhundert bezeugt.

Alter und Zusammensetzung

Die klassische und heute weithin anerkannte Urknalltheorie geht davon aus, dass das Universum in einem bestimmten Augenblick, dem Urknall, aus einer Singularität heraus entstanden ist und sich seitdem ausdehnt (siehe Expansion des Universums). Zeit, Raum und Materie sind demnach mit dem Urknall entstanden. Zeiten „vor“ dem Urknall und Orte „außerhalb“ des Universums sind physikalisch nicht definierbar. Daher „gibt“ es in der Physik weder ein räumliches „Außerhalb“ noch ein zeitliches „Davor“ noch eine Ursache des Universums.

Da die naturwissenschaftlichen Gesetze für die extremen Bedingungen während der ersten etwa 10^−43 Sekunden (Planck-Zeit) nach dem Urknall nicht bekannt sind, beschreibt die Theorie den eigentlichen Vorgang streng genommen nicht. Erst nach Ablauf der Planck-Zeit können die weiteren Abläufe physikalisch nachvollzogen werden. So lässt sich dem frühen Universum z. B. eine Temperatur von 1,4 · 10^32 K (Planck-Temperatur) zuordnen.

Das Alter des Universums ist aufgrund von Präzisionsmessungen durch das Weltraumteleskop Planck sehr genau gemessen: 13,81 ± 0,04 Milliarden Jahre. Eine frühere Ermittlung des Alters durch den Satelliten WMAP ergab das etwas ungenauere Ergebnis von 13,7 Milliarden Jahren. Das Alter kann auch durch Extrapolation von der momentanen Expansionsgeschwindigkeit des Universums auf den Zeitpunkt, an dem das Universum in einem Punkt komprimiert war, berechnet werden. Diese Berechnung hängt aber stark von der Zusammensetzung des Universums ab, da Materie bzw. Energie durch Gravitation die Expansion verlangsamen. Die bisher nur indirekt nachgewiesene Dunkle Energie kann die Expansion allerdings auch beschleunigen. So können verschiedene Annahmen über die Zusammensetzung des Universums zu verschiedenen Altersangaben führen. Durch das Alter der ältesten Sterne kann eine untere Grenze für das Alter des Universums angegeben werden. Im aktuellen Standardmodell stimmen die Ergebnisse dieser Methoden sehr gut überein.

Sämtliche Berechnungen für das Alter des Universums setzen voraus, dass der Urknall tatsächlich als zeitlicher Beginn des Universums betrachtet werden kann, was wegen Unkenntnis der physikalischen Gesetze für den Zustand unmittelbar nach Beginn des Urknalls nicht gesichert ist. Zwar kann ein statisches Universum, das unendlich alt und unendlich groß ist, ausgeschlossen werden, nicht jedoch ein dynamisches unendlich großes Weltall. Dieses wird unter anderem durch die beobachtete Expansion des Weltalls begründet. Des Weiteren wies schon der Astronom Heinrich Wilhelm Olbers darauf hin, dass bei unendlicher Ausdehnung und unendlichem Alter eines statischen Universums der Nachthimmel hell leuchten müsste (Olberssches Paradoxon), da jeder Blick, den man in den Himmel richtet, automatisch auf einen Stern fallen müsste. Ist das Universum allerdings unendlich groß, hat aber nur ein endliches Alter, so hat das Licht von bestimmten Sternen die Erde einfach noch nicht erreicht.

Der Raum zwischen Galaxien ist nicht vollständig leer, sondern enthält neben Sternen und Staubwolken unter anderem auch Wasserstoff-Gas. Dieses intergalaktische Medium hat eine Dichte von etwa einem Atom pro Kubikmeter. Innerhalb von Galaxien ist die Dichte der Materie jedoch wesentlich höher. Desgleichen ist der Raum von Feldern und Strahlung durchsetzt. Die Temperatur der Hintergrundstrahlung beträgt 2,7 Kelvin (also etwa −270 °C). Sie entstand 380.000 Jahre nach dem Urknall. Das Universum besteht nur zu einem kleinen Teil aus der bekannten Materie und Energie (5 %), von denen wiederum nur 10 % Licht aussenden und dadurch sichtbar sind. Einen größeren Teil (27 %) macht Dunkle Materie aus. Dunkle Materie ist durch eine Vielzahl von Beobachtungen indirekt nachgewiesen, aber ihre Zusammensetzung ist noch weitgehend unverstanden. Der größte Teil ist Dunkle Energie (68 %), die für die beschleunigte Expansion verantwortlich ist. Auf die Dunkle Energie wurde aus den Daten von weit entfernten Supernovaexplosionen geschlossen, ihre Existenz wird durch Satelliten wie COBE, WMAP und Planck, Ballonexperimente wie BOOMERanG sowie Gravitationslinseneffekte und die Galaxienverteilung im Universum bestätigt.

Der Physiker Martin Bojowald vertritt mit Big Bounce ein von der Urknall-Theorie abweichendes Modell in Rahmen einer Schleifenquantengravitation (SQG). Er entwickelte im Rahmen der SQG eine Theorie, nach der das Universum auch vor dem Urknall schon existierte.

Form und Volumen

Intuitiv liegt die Vermutung nahe, dass aus der Urknalltheorie eine „Kugelform“ des Universums folgt; das ist jedoch nur eine von mehreren Möglichkeiten. So wurden neben einem flachen unendlichen Universum viele andere Formen vorgeschlagen, darunter beispielsweise eine Hypertorusform oder auch die in populärwissenschaftlichen Publikationen als „Fußballform“ (Dodekaeder) und „Trompetenform“ bekannt gewordenen Formen. Einige Daten des Satelliten WMAP sprechen auch dafür, dass das Universum ein Ellipsoid ist.

Im CDM-Standardmodell (CDM von engl. Cold Dark Matter, „kalte dunkle Materie“) sowie dem aktuelleren Lambda-CDM-Standardmodell, das die gemessene Beschleunigung der Expansion des Universums berücksichtigt, ist das Universum flach; das heißt, der Raum wird durch die euklidische Geometrie beschrieben. Ein solches Universum muss nicht zwingend ein unendliches Volumen haben, da auch kompakte Topologien für den Raum möglich sind. Auf der Basis der verfügbaren Beobachtungen kann nur eine grobe untere Grenze für die Ausdehnung des Universums angegeben werden. Nach Neil J. Cornish von der Montana State University zeigen Daten des Satelliten WMAP, dass das Universum gemäß den meisten Modellen einen Durchmesser von mindestens 78 Milliarden Lichtjahren besitzen muss. Im Lambda-CDM-Standardmodell wird daher meist eine flache Geometrie mit unendlicher Ausdehnung betrachtet.

Hintergrund der berechneten Mindestgröße ist, dass eine Krümmung des Universums nicht gemessen werden konnte. Die Messungenauigkeit ist aber mit 2 % relativ groß. Geht man davon aus, dass diese Messungenauigkeit zu einer Krümmung des Universums von ebendiesen maximal 2 % führt, so könnte das Universum in sich selbst zurückgekrümmt sein. Die Krümmung könnte aber tatsächlich null sein oder sie könnte einen Wert zwischen null und der maximalen denkbaren Krümmung annehmen. Im ersten Fall wäre das Universum unendlich groß, im letzteren wäre es größer als 78 Milliarden Lichtjahre.

Da das Universum 13,8 Mrd. Jahre alt ist, können nur Objekte wahrgenommen werden, deren Licht maximal aus einer Entfernung von 13,8 Mrd. Lichtjahren ausgesandt wurde. Dies ist das beobachtbare Universum. Da sich in den vergangenen 13,8 Mrd. Jahren der Raum stark ausgedehnt hat, befinden sich die Orte, von denen Objekte vor 13,8 Mrd. Jahren Licht ausgesandt haben, heute mehr als etwa 45 Mrd. Lichtjahre entfernt. Die Objekte selbst können sich durch Eigenbewegung innerhalb des Raumes in der Zeitspanne von 13,8 Mrd. Jahren von diesen Orten noch darüber hinaus weiter entfernt haben.

Wichtig ist der Unterschied zwischen Unendlichkeit und Unbegrenztheit: Auch wenn das Universum ein endliches Volumen besäße, könnte es unbegrenzt sein. Anschaulich lässt sich dieses Modell folgendermaßen darstellen: Eine Kugeloberfläche (Sphäre) ist endlich, besitzt aber auf dieser Fläche keinen Mittelpunkt und ist unbegrenzt (man kann sich auf ihr fortbewegen, ohne jemals einen Rand zu erreichen). So wie eine zweidimensionale Kugeloberfläche eine dreidimensionale Kugel umhüllt, kann man, falls das Universum nicht flach, sondern gekrümmt ist, sich den dreidimensionalen Raum als Oberfläche eines höherdimensionalen Raums vorstellen. Wohlgemerkt dient dies lediglich der Veranschaulichung, denn das Universum ist in der klassischen Kosmologie nicht in einen höherdimensionalen Raum eingebettet.

Zusammenhang zwischen Massendichte, lokaler Geometrie und Form

Obwohl die lokale Geometrie der Raumzeit sehr nahe an einer euklidischen Geometrie liegt, ist auch eine sphärische oder hyperbolische Geometrie nicht ausgeschlossen. Da die lokale Geometrie mit der globalen Form (Topologie) und dem Volumen des Universums verknüpft ist, ist letztlich auch unbekannt, ob das Volumen endlich ist (mathematisch ausgedrückt: ein kompakter topologischer Raum) oder ob das Universum einen unendlichen Rauminhalt besitzt. Welche Geometrien und Formen für das Universum möglich sind, hängt gemäß den Friedmann-Gleichungen, welche die Entwicklung des Universums im Standard-Urknallmodell beschreiben, wiederum wesentlich von der Energiedichte bzw. der Massendichte im Universum ab:

▬ Ist diese Dichte kleiner als ein bestimmter, als kritische Dichte bezeichneter Wert, so wird die globale Geometrie als hyperbolisch bezeichnet, da sie als das dreidimensionale Analogon zu einer zweidimensionalen hyperbolischen Fläche angesehen werden kann. Ein hyperbolisches Universum ist offen, d. h., ein gegebenes Volumenelement innerhalb des Universums dehnt sich immer weiter aus, ohne jemals zum Stillstand zu kommen. Das Gesamtvolumen eines hyperbolischen Universums kann sowohl unendlich als auch endlich sein.

▬ Ist die Energiedichte exakt gleich der kritischen Dichte, ist die Geometrie des Universums flach. Das Gesamtvolumen eines flachen Universums ist im einfachsten Fall, wenn man einen euklidischen Raum als einfachste Topologie annimmt, unendlich. Es sind aber auch Topologien mit endlichem Rauminhalt mit einem flachen Universum zu vereinbaren. Beispielsweise ist ein Hypertorus als Form möglich. Auch ein flaches Universum ist wie das hyperbolische Universum offen, ein gegebenes Volumenelement dehnt sich also immer weiter aus. Seine Expansion verlangsamt sich jedoch zusehends, sodass nach unendlicher Zeit eine endliche Ausdehnung erreicht ist.

▬ Ist die Energiedichte größer als die kritische Dichte, wird das Universum als „sphärisch“ bezeichnet. Das Volumen eines sphärischen Universums ist endlich. Im Gegensatz zum flachen und zum hyperbolischen Universum kommt die Ausdehnung des Universums irgendwann zum Stillstand und kehrt sich danach um. Das Universum „stürzt“ also wieder in sich zusammen.

Gegenwärtige astronomische Beobachtungsdaten erlauben es nicht, die Form des Universums zu bestimmen. Die bisher gemessene Energiedichte des Universums liegt also so nahe an der kritischen Dichte, dass die experimentellen Fehler es nicht ermöglichen, zwischen den drei grundlegenden Fällen zu unterscheiden.

Dunkle Energie beeinflusst weiterhin die Expansionseigenschaften des Universums. So führt ein großer Anteil von Dunkler Energie dazu, dass ein sphärisches Universum nicht in sich zusammenstürzt oder ein flaches Universum sich immer weiter beschleunigt. Bestimmte Formen der Dunklen Energie können sogar dazu führen, dass das Universum lokal schneller als Lichtgeschwindigkeit expandiert und so in einem Big Rip auseinandergerissen wird, da keine Wechselwirkungen zwischen Teilchen mehr stattfinden können.

Konsequenzen eines unendlichen Raumzeitvolumens

Die Annahme eines Universums mit einem unendlichen Raumzeitvolumen wirft einige Fragen nach den erkenntnistheoretischen Konsequenzen dieser Annahme auf. Hier spielt besonders das anthropische Prinzip eine Rolle, wie es z. B. von Brandon Carter formuliert wurde. Danach muss – in der vorsichtigsten Interpretation – zumindest die Notwendigkeit der Existenz eines Beobachters bei der Interpretation astronomischer Daten berücksichtigt werden; d. h., Beobachtungsdaten sind nicht notwendigerweise repräsentativ für das gesamte Universum.

Beispiele für Folgerungen, die verschiedentlich daraus gezogen wurden, sind etwa, dass ein lokal scheinbar lebensfreundliches Universum im Ganzen extrem lebensfeindlich sein kann oder dass selbst extrem unwahrscheinliche, aber mögliche Ereignisse sich in einem solchen Universum unendlich oft ereignen müssten. In neuerer Zeit hat u. a. der Physiker Max Tegmark behauptet, dass aus dem gegenwärtigen Standardmodell des Universums zusammen mit der Quantentheorie folge, dass im Durchschnitt alle 10^10^29 Meter eine „Zwillingswelt“ existieren müsse. Die von Tegmark genannten Argumente treffen auch auf ein Universum mit endlichem, aber hinreichend großem Volumen zu. Diese Argumente wie auch die Folgerungen sind allerdings umstritten und wurden z. B. in der Publikation About the Infinite Repetition of Histories in Space durch den Satz „these scenarios remain no more than literary tales“ beschrieben.

Strukturen innerhalb des Universums

Auf der größten beobachtbaren Skala findet man Galaxienhaufen, die sich zu noch größeren Superhaufen zusammenfinden. Diese bilden wiederum fadenartige Filamente, die riesige, blasenartige, praktisch galaxienfreie Hohlräume (engl. Voids, void = leer) umspannen. Man spricht mitunter auch von der wabenartigen Struktur (engl. cosmic web) des Universums. Es ergibt sich die folgende Rangfolge von den größten zu den kleinsten Strukturen des beobachtbaren Universums:

Large Quasar Group (LQG) (Bsp.: U1.27, Durchmesser: etwa 4 Mrd. Lichtjahre)
Filamente und Voids (Bsp.: Große Mauer, Durchmesser: etwa 1 Mrd. Lichtjahre)
Superhaufen (Bsp.: Virgo-Superhaufen, Durchmesser: etwa 200 Millionen Lichtjahre)
Galaxiengruppen und Galaxienhaufen (Bsp.: Lokale Gruppe, Durchmesser: etwa 10 Millionen Lichtjahre)
Galaxien (Bsp.: Milchstraße, Durchmesser: etwa 100.000 Lichtjahre)
Sternhaufen (Kugelsternhaufen, Offene Sternhaufen, Durchmesser: Dutzende bis Hunderte Lichtjahre)
Planetensysteme (Bsp.: Sonnensystem, Durchmesser: etwa 300 AE = 41 Lichtstunden)
Sterne (Bsp.: Sonne, Durchmesser: 1.392.500 km)
Exoplaneten und Planeten (Bsp.: Erde, Durchmesser: 12.756,2 km)
Monde (Bsp.: Erdmond, Durchmesser: 3.476 km)
Asteroiden, Kometen (Durchmesser: wenige Kilometer bis mehrere 100 km)
Meteoroiden (Durchmesser: vom Meter- bis herab zum Millimeterbereich)
Staubpartikel
Moleküle
Atome
Atomkerne mit u. a. Protonen und Neutronen
Hadronen mit u. a. Quarks
Elementarteilchen (u. a. Elektronen)

Anmerkung: Die Größenskalen sind teilweise überlappend. So existieren beispielsweise Monde, die Planeten an Größe übertreffen, oder Asteroiden, die wesentlich größer als manche Monde sind.

Textgrundlage: https://de.wikipedia.org/wiki/Universum