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Das Universum

Schau in den Himmel hinauf. Alles was du siehst, von dem hellsten Stern zu der schwächsten Galaxie ist Bestandteil desselben Universums. Wir können Dinge im Universum sehen, die über 15 Milliarden Lichtjahre entfernt sind. Ein Lichtjahr ist die Entfernung, die Licht in einem Jahr zurück legt - über 9,4 Billionen (9.400.000.000.000) Kilometer! Das bedeutet, dass wir Dinge sehen können die über 142.000.000.000.000.000.000.000 Kilometers weit weg sind. Das Universum ist riesig!

 

Übung 1. Das entfernteste Objekt, das wir sehen können ist 142.000.000.000.000.000.000.000 Kilometer weit weg. Was ist diese Entfernung in wissenschaftlicher Schreibweise? Warum ist es einfacher diese Schreibweise zu verwenden, als diese Zahl zu schreiben?

Das expandierende Universum

In der Tat wird das Universum immer größer. Astronomen denken, dass das Universum expandiert - dass alle Punkte im Universum sich immer weiter entfernen mit der Zeit. Es ist nicht so, dass Galaxien und Sterne größer werden; eher der Raum zwischen den Objekten wird mit der Zeit größer.

Klicke auf die Animation, um sie abzuspielen

Wenn das Universum expandiert, dann muss es vor langer Zeit in der Vergangenheit von einem einzelnen Punkt aus gestartet haben. Astronomen nennen diesen Punkt den "Urknall" - das Universum begann, als es zu einem einzigen Punkt zusammengepresst war, sehr dicht und sehr heiß. Die rechte Animation zeigt schematisch wie der Beginn des Universums ausgesehen haben könnte: das Universum wird größer und kühlt aus, und wechselt dabei von blau zu rot. Natürlich kann niemand gesehen haben, wie diese Animation in Wirklichkeit ausgeschaut hat: für diese Ansicht müsstest du dich außerhalb des Universums befinden, und hinein schauen!


Woher wissen wir es?

Woher wissen wir, dass das Universum expandiert? Eine lange Zeit haben wir es nicht gewusst. Obwohl das Universum um uns herum expandiert, passiert diese Ausweitung über solch einen langen Zeitraum, dass wir das niemals auf der Erde festgestellt haben. Tatsächlich ist es nur 80 Jahre her, dass jemand die Expansion realisiert hat.

Die Expansion des Universums wurde 1929 entdeckt, als der amerikanische Astronom Edwin Hubble viele wissenschaftliche Arbeiten zusammen gebracht hat. 1915 schrieb Albert Einstein die Allgemeine Relativitätstheorie, die erklärt wie die Schwerkraft funktioniert. Als Einstein seine Theorie auf das gesamte Universum anwendete, stellte er fest, dass daraus folgen musste, dass das Universum nicht statisch sein könne; entweder müsste es sich ausweiten oder in sich zusammen fallen. Einstein weigerte sich seinen eigenen Gleichungen zu glauben - wie alle Astronomen seit Tausenden von Jahren, hatte er angenommen, dass sich das Universum nicht verändern würde.

Die Sombrero Galaxie

Währenddessen beendete auf einem anderen Kontinent Vesto Slipher, ein Astronom am Lowell Observatorium in Flagstaff, Arizona, eine detaillierte Studie über den Nachthimmel. Durch sein Teleskop untersuchte er mehrere schwache, undeutliche Objekte, die "Nebel" genannt wurden, nach dem griechischen Wort für "Wolke". Er stellte fest, dass das von den Nebeln emittierte Licht rötlicher war, als es sein sollte. Slipher wusste, dass wenn das Licht eines Objekts zu rot aussah, bedeutete dies, dass es sich von der Erde weg bewegen müsse. Er berechnete aus der Röte des Lichts die Geschwindigkeit der Nebel, und fand heraus, dass sie sich alle wahnsinnig schnell von uns weg bewegten: einer davon, der Sombrero Nebel, entfernte sich mit 2,5 Millionen Meilen pro Stunde!

Edwin Hubble

Inzwischen bauten die Astronomen in Kalifornien das größte Teleskop der Weltgeschichte - ein neues Teleskop auf dem Gipfel von Mount Wilson, in der Nähe von Pasadena, mit einem Spiegel, der einen Durchmesser von über 8 Fuß (2,5 Meter) misst. 1923 verwendete Edwin Hubble dieses Teleskop, um zu beweisen, dass diese Nebel, einschließlich Sombrero, eigentlich andere Galaxien, ähnlich unserer Milchstraße, sind. Er verbrachte das restliche Jahrzehnt damit, das Teleskop zu benutzen, und versuchte kreative Wege zu finden, um die Entfernungen von Hunderten von Galaxien zu messen.

1929 verglich Hubble seine Entfernungen mit Sliphers Messungen von Licht und machte dann einen Plan, der heute das Hubble Diagramm genannt wird. Hubbles Diagramm zeigte, dass die Röte von dem Licht einer Galaxie, und damit die Geschwindigkeit, mit der sich die Galaxie von der Erde entfernte, mit steigender Entfernung von der Erde zunahm, und das diese Steigerung als Graph eine gerade Linie ergab. Desto weiter eine Galaxie von uns entfernt ist, desto schneller bewegt sie sich von uns weg.

Hubble erkannte, dass dies richtig war, in welche Himmelsrichtung er auch blickte. Er wusste, dass es nichts besonderes an unserer Galaxie gab - wir können nicht im Mittelpunkt des Universums sein. Die beste Erklärung für Hubbles Diagramm war dann, dass das gesamte Universum expandiert, so wie sich Brot im Ofen hebt - genau das, was Einsteins Gleichungen vorhergesagt hatten. Als Einstein von Hubbles Entdeckung hörte, sagte er, dass er nicht realisiert hätte, dass die Expansion des Universums sein "größter Fehltritt" war.

Obwohl Einstein von Hubbles Diagramm überzeugt war, waren es viele andere Wissenschaftler nicht. Das Akzeptieren, dass das Universum expandiert, erfordert solch eine große Umstellung des Denkens, dass viele Wissenschaftler sich geweigert haben Hubbles Ergebnissen zu glauben. Sie kamen mit anderen Erklärungsversuchen auf, die die gerade Linie in Hubbles Diagramm erklären sollten.

Auch wenn die Urknalltheorie auf Hubbles Beobachtungen von anderen Galaxien basiert, sagt die Theorie auch viele andere Sachen über das Universum voraus, und bisher haben die Wissenschaftler heraus gefunden, dass alle Vorhersagen der Theorie sich als wahr heraus gestellt haben. Die aller wichtigsten Vorhersagen sind:

1) die ältesten Sterne im Universum sind alle etwas jünger als der Urknall
2) die Mengen an Wasserstoff und Helium im Universum sind gleich mit den Mengen, die kurz nach dem Urknall erzeugt worden sind
3) Wissenschaftler haben ein schwaches Überbleibsel des Urknalls gefunden, das man die "kosmische Mikrowellenhintergrundstrahlung" nennt - ein Feld aus unsichtbarem Licht, das das gesamte Universum füllt

Aufgrund dieser Beweise akzeptieren die meisten Wissenschaftler heutzutage die Urknalltheorie. Erweiterungen der Urknalltheorie führen den Großteil der heutigen astrophysischen Forschungen an.

Das Universum-Projekt

Du musst uns nicht Glauben für diese Theorie schenken, dennoch - du kannst dich selbst davon überzeugen, dass das Universum expandiert! Auf den folgenden Seiten wirst du Hubbles Schritte nachvollziehen, um eine der wichtigsten Entdeckungen der Astronomie des 20. Jahrhunderts zu machen.

Zunächst wirst du dir ein paar Galaxien in der SkyServer Datenbank ansehen. Du wirst sehen wie hell sie sind, um eine grobe Idee zu bekommen, wie weit sie von uns entfernt sind. Du wirst diese Entfernungen verwenden, zusammen mit den SkyServer Messungen darüber wie rot die Galaxien sind, um ein einfaches Hubblediagramm anzufertigen.

Anschließend wirst du dir detailliert einige Möglichkeiten ansehen, wie Astronomen die Entfernungen zu Galaxien berechnen, und du wirst lernen, wie du selber galaktische Geschwindigkeit finden kannst. Du wirst dieses Wissen zusammenfassen, um auf die selbe Weise ein Hubblediagram herzustellen, wie es Hubble getan hat. Letztendlich wirst du zurück zur SkyServer Datenbank gehen und selber nach Galaxien suchen, um ein Hubble Diagramm zu machen, das noch nie zuvor gemacht worden ist.

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