Evolution: Astronomie, Astrophysik, Kosmologie
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Evolution: Astronomie, Astrophysik, Kosmologie | |
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Interessierte: Quasi-steady-state cosmology | |
InhaltIm Laufe des 20. Jahrhunderts wurden verschiedene Ansätze für kosmologische Modelle vorgeschlagen. Leider wurden viele von ihnen nicht sehr detailliert ausgearbeitet. Die Quasi-steady-state cosmology ist eine alternative Kosmologie zum Standardmodell, die relativ detailliert ausgearbeitet wurde und die die grundlegenden Phänomene des Universums zu erklären beansprucht. In diesem Artikel wird das Modell vorgestellt und seine Bedeutung diskutiert. |
Historisches |
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Nicht alle Kosmologen waren mit dem Das Steady-state Modell wurde dann ausgearbeitet und erlaubte schließlich auch prüfbare Voraussagen. Somit war es in den 1950er Jahren eine Konkurrenz zum Standardmodell. Allerdings erlitt das Steady-state Modell schließlich zwei Rückschläge, von denen es sich nicht mehr erholen konnte: Es konnte den 1993 erlebte das totglaubte Steady-state Modell eine Renaissance in Form der neuen Quasi-steady-state cosmology (QSSC), welche von Fred Hoyle, Geoffrey Burbidge und Jayant Narlikar vorgeschlagen wurde. Das Modell wird im Folgenden vorgestellt. |
Ein anderer Ansatz |
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Wie bereits erwähnt wurde für das Standardmodell der Kosmologie ( In der QSSC wurde ein anderer Ansatz gewählt. Die Autoren der QSSC bemerken, dass die Allgemeine Relativitätstheorie, auf welcher das Standardmodell gegründet ist, eine fundamentale Eigenschaft nicht besitzt, die sonst in der Physik sehr präsent ist: Sie ist nicht skaleninvariant. (Skaleninvarianz bedeutet, dass die physikalische Theorie dieselbe bleibt, wenn man die mathematischen Gleichungen auf gewisse Art und Weise transformiert.) Unbefriedigt von diesem Ergebnis versuchten die Autoren, die Allgemeine Relativitätstheorie zu verallgemeinern, damit sie wie auch andere erfolgreiche physikalische Theorien die Skaleninvarianz erfüllt. Als Ausgangspunkt für diesen Schritt legen sie das Machsche Prinzip zugrunde. (Dieses Prinzip besagt, dass die Trägheit einer Masse durch die Wechselwirkung aller anderen Massen im Universum bestimmt wird. Im Gegensatz zur klassischen Mechanik von Newton ist also die Trägheit eines Körpers keine intrinsische (=dem Körper fest innewohnende) Eigenschaft mehr.) Mit diesem Hilfswerkzeug gelingt das Unternehmen und die Autoren erhalten als Ergebnis eine kompliziertere Theorie, von welcher die Allgemeine Relativitätstheorie nur noch ein Spezialfall ist. Abweichungen von der Allgemeine Relativitätstheorie ergeben sich nur im Grenzfall sehr hoher Gravitationsfelder. |
Die Theorie sagt voraus, dass überall dort Materie erzeugt wird, wo das C-Feld genügend groß ist. Das ist in der Nähe von sehr massiven Körpern der Fall. Aufgrund einer speziellen Eigenschaft dieses C-Feldes geschieht die Erschaffung von Materie außerdem explosionsartig, wobei die Materie weggeschleudert wird (sog. „Minibangs“). Das Feedback solcher Erschaffungsakte lässt schließlich das Universum als gesamtes expandieren. Dieses Konzept der Minibangs steht in Übereinstimmung mit den Beobachtungsdaten der Astrophysik, die beispielsweise Phänomene hochenergetischer, explosiver Röntgenemissionen kennt. Die QSSC geht aber noch einen Schritt weiter und vermutet, dass Galaxien gebildet werden, indem sie in anderen Galaxien durch Materieerschaffung entstehen und dann aus diesen heraus geschleudert werden. Auch dafür gibt es interessante Anhaltspunkte aus der Beobachtungsastronomie (Abb. 145), die allerdings nicht allgemein anerkannt sind. Sie hängen eng mit der |
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Das fast stationäre Universum |
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Wie erwähnt lässt die Erschaffung von Materie das Universum expandieren. Das geschieht aber nicht gleichmäßig, wie man es sich im frühen Steady-state Universum vorgestellt hatte. Die Schaffungsaktivität ist vielmehr durch Hochs und Tiefs charakterisiert, die sich gegenseitig ablösen: Ist die Schaffensaktivität des Universums groß, so dehnt sich das Universum um so schneller aus. Dadurch sinkt das C-Feld und die Erschaffung von Materie reduziert sich um Orte sehr hoher Dichte. Dadurch wird aber auch die Expansion des Universums verlangsamt, was die Kontraktionen von Materie und somit die Neuerschaffung wiederum begünstigt. Damit beginnt der Kreislauf von Neuem. Das bewirkt, dass das Universum in seiner Grösse oszilliert (=kontinuierlich abwechselnd größer und kleiner wird). Dieser oszillatorischen Bewegung ist aber eine langsam exponentielle Ausdehnung des Universums überlagert, da das Universum immer mit neuer Materie erfüllt wird. Die zeitliche Entwicklung der Größe des Universums verhält sich etwas so wie in Abb. 146. Dadurch ist das Universum zeitlich fast stationär. Aus diesem Grund heißt es Quasi-steady-state cosmology. Aufgrund seines exponentiellen Wachstums hat das Universum nach dieser Theorie keinen Anfang, sondern zeigt sich einem Beobachter im Universum in jeder Periode immer gleich. |
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Die Theorie mag recht einfach klingen. Betrachtet man sie aber im Kontext der theoretischen Physik, so ist sie recht anspruchsvoll. Aufgrund der zugrundegelegten Prinzipien ist die Theorie möglicherweise schöner als diejenige des Standardmodells, aber keinesfalls einfacher. Entscheidend ist aber letztlich nicht, ob eine Theorie gewissen Prinzipien genügt, sondern ob sie die Beobachtungen im Universum erklären kann. Darum sollen nun die Erklärungen der QSSC für die drei charakteristischen Phänomene – Rotverschiebung, Mikrowellenhintergrund und Häufigkeit der leichten Elemente – vorgestellt werden: |
Rotverschiebung |
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Die |
Mikrowellenhintergrund |
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Der Durch die Ausdehnung des Universums während eines Zyklus fällt die Energiedichte der bereits vorhandenen Hintergrundstrahlung aufgrund der Rotverschiebung ab. Dieser Verlust muss während des Zyklus wieder wettgemacht werden. Das geschieht dadurch, dass Sternenlicht im aktuellen Zyklus an intergalaktischem Staub thermalisiert (=vom kosmischen Staub absorbiert und als Wärmestrahlung wieder emittiert) wird. Auf diese Weise erhält die Hintergrundstrahlung ihr Schwarzkörper-Spektrum, das sich als eine grundlegende Eigenschaft des Mikrowellenhintergrundes erwiesen hat. Berechnet man im Rahmen der QSSC die erwartete Temperatur des Mikrowellenhintergrundes unter Zuhilfenahme von astronomischen Beobachtungen des Sternenlichtes etc., so erhält man erstaunlicherweise etwa 2,7 K, was recht gut der beobachteten Temperatur entspricht. In der QSSC ist es also im Gegensatz zum Standardmodell möglich, die Temperatur des Mikrowellenhintergrundes aus der Theorie abzuleiten. Auch gibt es gute Anhaltspunkte aus Beobachtungen für die Existenz solcher Staubteilchen (engl. whiskers), die für das Thermalisieren der Strahlung verantwortlich gemacht werden. In der QSSC lassen sich sogar die Fluktuationen des Mikrowellenhintergrundes in der richtigen Größenordnung voraussagen. Man nimmt hier an, dass sie direkt von Inhomogenitäten großer Galaxienhaufen stammen. Es soll noch erwähnt werden, dass die Interpretation des Mikrowellenhintergrunds im Rahmen der QSSC auch kritisiert wurde. So bemerkt Wright (2003), dass beispielsweise eine detaillierte Analyse der durch den Satelliten WMAP (siehe |
Häufigkeit leichter Elemente |
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Auch die Bildung leichter Elemente ( Ähnlich wie bei der Deutung des Mikrowellenhintergrundes ist es erstaunlich, dass sowohl im Standardmodell wie auch in der QSSC praktisch dieselben Voraussagen gemacht werden, obwohl für die Erklärung der Phänomene völlig verschiedene Bedingungen angenommen werden. |
Abschließende Bemerkung |
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Die QSSC ist ähnlich wie das Standardmodell in erster Linie ein Modell, das auf theoretische Überlegungen aufgebaut wurde. Die zugrundeliegende Theorie ist sogar noch anspruchsvoller als die des Standardmodells. Dabei ist die QSSC eine Kosmologie, die neben dem Standardmodell vergleichsweise weit entwickelt werden konnte. Sie vermag die wichtigsten kosmischen Phänomene qualitativ und quantitativ zu erklären und manchmal sogar vorauszusagen. Sie hat einen soliden theoretischen Rahmen, wenn auch die Konsequenzen der Verallgemeinerung der ART, die in der QSSC postuliert werden, bisher noch nicht nachgewiesen werden konnten. Die QSSC macht zudem konkrete Aussagen, an denen die Theorie geprüft und auch widerlegt werden kann. (So könnte die Theorie z.B. widerlegt werden, wenn gezeigt werden könnte, dass die benötigten intergalaktischen Teilchen (engl. whiskers) für die Thermalisierung der Hintergrundstrahlung gar nicht existieren.) Anhand von bisherigen Befunden ist es auf jeden Fall nicht möglich, die QSSC eindeutig als unzutreffendes Modell auszuweisen. Die Vorhersagen der QSSC sind teilweise mindestens so gut wie diejenigen des Standardmodells. Die QSSC liefert ein wichtiges Beispiel, um zu demonstrieren, dass in der Kosmologie häufig mehrere Interpretationen für eine bestimmte Beobachtung existieren. Diese alternativen Interpretationen können sogar miteinander zusammenhängen und somit ein in sich stimmiges Bild liefern, das zu einem völlig anderen Universum führt. Allerdings kann - wie jede andere Theorie - auch die QSSC bisher nicht alle Befunde erklären, so liefert gerade die |
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