Willkommen zurück zur dritten und letzten Ausgabe von Cosmology 101. Bisher haben wir die Geschichte des Universums bis zum jetziger Moment . Aber was passiert als nächstes? Wie wird unser Universum enden? Und wie können wir so sicher sein, dass sich die Geschichte so entwickelt hat?
Robert Frost hat einmal geschrieben: „Manche sagen, die Welt wird im Feuer enden; manche sagen im Eis.“ Ebenso haben einige Wissenschaftler postuliert, dass das Universum entweder einen dramatischen, katastrophalen Tod – entweder einen „Big Rip“ oder einen „Big Crunch“ – oder einen langsameren, allmählicheren „Big Freeze“ sterben könnte. Das ultimative Schicksal unseres Kosmos hat viel mit seinem zu tun Form . Wenn das Universum offen wäre, wie ein Sattel,unddie Energiedichte der Dunklen Energie nahm ins Unermessliche zu, die Expansionsgeschwindigkeit des Kosmos würde schließlich so groß werden, dass sogar Atome auseinandergerissen würden – ein Big Rip. Umgekehrt, wenn das Universum geschlossen wäre, wie eine Kugel,undDie Stärke der Schwerkraft übertrumpfte den Einfluss der dunklen Energie, die äußere Expansion des Kosmos würde schließlich zum Stillstand kommen und sich umkehren und in einem großen Knirschen in sich zusammenbrechen.
Trotz der poetischen Schönheit des Feuers sprechen aktuelle Beobachtungen jedoch für ein eisiges Ende unseres Universums – einen Big Freeze. Wissenschaftler glauben, dass wir in einem räumlich flachen Universum leben, dessen Expansion sich aufgrund der Anwesenheit von dunkler Energie beschleunigt; die Gesamtenergiedichte des Kosmos ist jedoch höchstwahrscheinlich kleiner oder gleich der sogenannten „kritischen Dichte“, sodass es keinen Big Rip geben wird. Stattdessen werden die Inhalte des Universums schließlich unerschwinglich weit voneinander wegdriften und der Wärme- und Energieaustausch wird aufhören. Der Kosmos wird einen Zustand maximaler Entropie erreicht haben und kein Leben wird überleben können. Deprimierend und ein bisschen antiklimaktisch? Womöglich. Aber es wird wahrscheinlich nicht wahrnehmbar sein, bis das Universum mindestens ist doppelt so alt wie heute .
An dieser Stelle könnten Sie schreien: „Woher wissen wir das alles? Ist das nicht alles nur grassierende Spekulation?“ Nun, zunächst einmal wissen wir ohne Zweifel, dass sich das Universum ausdehnt. Astronomische Beobachtungen zeigen durchweg, dass Licht von fernen Sternen immer relativ zu uns rotverschoben ist; das heißt, seine Wellenlänge wurde aufgrund der Expansion des Kosmos gestreckt. Dies führt zu zwei Möglichkeiten, wenn man die Uhr zurückdreht: Entweder hat das expandierende Universum schon immer existiert und ist unendlich alt, oder es hat zu einem bestimmten Zeitpunkt in der Vergangenheit von einer kleineren Version seiner selbst aus zu expandieren begonnen und hat somit ein festes Alter. Lange Zeit unterstützten Befürworter der Steady-State-Theorie die erstgenannte Erklärung. Es war nicht bis Arno Penzias und Robert Wilson entdeckte 1965 den kosmischen Mikrowellenhintergrund, dass die Urknalltheorie die am meisten akzeptierte Erklärung für den Ursprung des Universums wurde.
Wieso den? Etwas so Großes wie unser Kosmos braucht eine ganze Weile, um vollständig abzukühlen. Wenn das Universum tatsächlich mit der Art von Blasenenergien begann, die die Urknalltheorie vorhersagt, sollten Astronomen heute noch etwas Restwärme sehen. Und das tun sie: ein gleichmäßiges 3K-Glühen, das an jedem Punkt des Himmels gleichmäßig verteilt ist. Nicht nur das, sondern WMAP und andere Satelliten haben winzige Inhomogenitäten in der CMB beobachtet, die genau dem anfänglichen Spektrum der Quantenfluktuationen entsprechen, das von der Urknalltheorie vorhergesagt wurde.
Was sonst? Schauen Sie sich die relativen Häufigkeiten von Lichtelementen im Universum an. Denken Sie daran, dass in den ersten Minuten des jungen Lebens des Kosmos die Umgebungstemperatur hoch genug war, um eine Kernfusion zu ermöglichen. Die Gesetze der Thermodynamik und die relative Dichte von Baryonen (also Protonen und Neutronen) bestimmen zusammen genau, wie viel Deuterium (schwerer Wasserstoff), Helium und Lithium zu diesem Zeitpunkt gebildet werden können. Wie sich herausstellt, gibt es in unserem heutigen Universum weit mehr Helium (25%!) als durch Nukleosynthese im Zentrum von Sternen erzeugt werden könnte. In der Zwischenzeit führt ein heißes frühes Universum – wie das von der Urknalltheorie postulierte – zur Entstehung dergenauAnteile der leichten Elemente, die Wissenschaftler heute im Universum beobachten.
Aber warte, es gibt noch mehr. Allein aufgrund der beobachteten Anisotropien im CMB lässt sich die Verteilung großräumiger Strukturen im Universum sehr gut abbilden. Darüber hinaus sieht die heutige großräumige Struktur ganz anders aus als bei hoher Rotverschiebung, was auf ein dynamisches und sich entwickelndes Universum hindeutet. Darüber hinaus scheint das Alter der ältesten Sterne mit dem Alter des Kosmos, das von der Urknalltheorie angegeben wird, übereinzustimmen. Wie jede Theorie hat sie ihre Schwächen – zum Beispiel die Horizontproblem oder der Ebenheitsproblem oder der Probleme mit dunkler Energie und dunkler Materie ; aber insgesamt stimmen astronomische Beobachtungen weitaus besser mit den Vorhersagen der Urknalltheorie überein als jede konkurrierende Idee. Bis sich das ändert, scheint es, als ob die Urknalltheorie hier bleiben wird.
