Raum und Zeit

Strukturen innerhalb des Universums

Vermutete Daten
Alter	13,7 (+/- 0,5) ·10⁹Jahre 13,7 Mrd. Jahre
Durchmesser*	96 (+/- 4) ·10⁹ Lichtjahre 96 (+/- 4) Mrd. Lichtjahre
Masse*	8,5·10⁵² bis 10⁵³ kg
Anzahl Galaxien*	10¹¹ das sind 100 Mrd.
Anzahl Teilchen*	4·10⁷⁸ bis 6·10⁷⁹
Anzahl Photonen*	10⁸⁸
Heutige Temperatur	2,725° K −270,425 °C
Mittlere Materiedichte	2,3·10⁻²⁶ kg/m³
Kritische Dichte	9,7·10⁻²⁶ kg/m³
Hubble-Konstante	ca. 74 (+/− 3) kms·Mpc
* bezogen auf das beobachtbare Hubble-Volumen.

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

Filamente und Voids
Superhaufen (Bsp.: Große Mauer Durchmesser: ca. 1 Mrd. Lichtjahre)
Galaxienhaufen (Bsp.: Lokale Gruppe, Durchmesser: ca. 10 Millionen Lichtjahre)
Galaxien (Bsp.: Milchstraße, Durchmesser: ca. 100.000 Lichtjahre)
Sternhaufen (Kugelsternhaufen, Offene Sternhaufen, Durchmesser: dutzende bis hunderte Lj.)
Planetensysteme (Bsp.: Unser Sonnensystem, Durchmesser: ca. 300 AE = 11 Lichtstunden)
Sterne (Bsp.: Sonne, Durchmesser: 1.392.500 km)
Planeten (Bsp.: Erde, Durchmesser: 12.756,2 km)
Monde (Bsp.: Erdmond Durchmesser: 3.476 km)
Asteroiden, Kometen (Durchmesser: wenige Kilometer bis mehrere 100 km)
Meteoride (Durchmesser: vom Meter- bis herab zum Millimeterbereich, siehe Mikrometeorid)
Gas- und Staubpartikel
Moleküle, Atome, Elementarteilchen

Als Universum (von lat.: universus = gesamt; von unus und versus = „in eins gekehrt“) wird allgemein die Gesamtheit aller Dinge und Objekte bezeichnet. Im Speziellen meint man damit den gesamten Weltraum, auch Weltall oder Kosmos (von griechisch kósmos – (Welt) Ordnung, Schmuck, Anstand; das Gegenstück zum Chaos) und bezeichnet die Welt bzw. das Weltall sowohl als das sichtbare Universum als auch als geordnetes, harmonisches Ganzes.

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Allgemeines
Die heute allgemein anerkannte Theorie zur Beschreibung der großräumigen Struktur des Universums ist die allgemeine Relativitätstheorie von Albert Einstein. Auch die Quantenphysik hat bislang wichtige Beiträge zum Verständnis speziell des frühen Universums geliefert, in dem die Dichte und Temperatur sehr hoch waren und viele Prozesse unter Beteiligung von Elementarteilchen abliefen (Astroteilchenphysik). Wahrscheinlich wird ein erweitertes Verständnis des Universums erst erreicht, wenn die Physik eine Theorie entwirft, die die allgemeine Relativitätstheorie mit der Quantenphysik vereint. In dieser Theorie der Quantengravitation sollen die vier Grundkräfte der Physik einheitlich erklärt werden.

Die Kosmologie, ein Teilgebiet sowohl der Physik als auch der Philosophie, befasst sich mit dem Studium des Universums und versucht Eigenschaften des Universums wie beispielsweise die Frage nach der Feinabstimmung zu beantworten.

Herkunft, Alter und Zusammensetzung
In der klassischen Urknalltheorie wird angenommen, dass das Universum zu einem bestimmten Augenblick, dem Urknall (engl. Big Bang), entstand und sich seitdem ausdehnt. Diese Theorie macht jedoch keine Aussagen darüber, was vor dem Urknall war oder wodurch er ausgelöst wurde. Sie trifft aber sehr wohl die Aussage, dass Zeit und Raum mit dem Urknall erst entstanden sind. Somit ist die Frage, was davor war, sinnlos, da es in doppelter Hinsicht kein "davor" gibt: Weder hat zu einem Zeitpunkt vor dem Urknall ein Raum existiert, in dem etwas hätte stattfinden können, noch ist ein Zeitpunkt vor dem Urknall überhaupt definierbar. Da die physikalischen Gesetze für die extremen Bedingungen für die ersten etwa 10-43 Sekunden (Planck-Zeit) nach dem Urknall nicht bekannt sind, beschreibt die Urknalltheorie genaugenommen den eigentlichen Urknall überhaupt nicht. Erst nach Ablauf dieser Planck-Zeit kann das Universum beschrieben, und ihm z. B. eine Temperatur von 1,41679 ·1032 K (Planck-Temperatur) zugeordnet werden.

Das Alter des Universums ist aufgrund von Präzisionsmessungen des Satelliten WMAP mit 13,7 Milliarden Jahren relativ genau datierbar. Dieses 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 beide Methoden sehr gut überein.

Sämtliche Berechnungen eines Alters des Universums setzen voraus, dass der Urknall tatsächlich als zeitlicher Beginn des Universum betrachtet werden kann, was wegen Unkenntnis der physikalischen Gesetze für den Zustand unmittelbar nach Beginn des Urknalls nicht gesichert ist. Allerdings kann ein statisches Universum, das unendlich alt und unendlich groß ist, ausgeschlossen werden, nicht jedoch ein dynamisches unendlich großes Weltall. Dies 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 gen Himmel richtet automatisch auf einen Stern fallen müsste. Ist das Universum allerdings unendlich groß, hat aber nur ein endliches Alter, so hat uns das Licht von bestimmten Sternen einfach noch nicht erreicht.

Im intergalaktischen Raum (siehe auch Galaxie) beträgt die Materiedichte etwa ein Wasserstoff-Atom pro Kubikmeter, innerhalb von Galaxien ist sie jedoch wesentlich höher. Desgleichen ist der Raum von Feldern und Strahlung durchsetzt. Die Temperatur der Hintergrundstrahlung beträgt derzeit 2,7 Kelvin (also ca. -270°C). Sie entstand 380.000 Jahre nach dem Urknall und wird auch als Geburtsschrei unseres Universums bezeichnet. Das Universum besteht möglicherweise nur zu einem kleinen Teil aus uns bekannter Materie und Energie (4 %), den größten Teil macht eine, durch eine Vielzahl von Beobachtungen indirekt nachgewiesene, aber bis heute weitgehend unverstandene „dunkle Materie“ (19 %) und die „dunkle Energie“ (76 %) aus, 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 und WMAP und Ballonexperimente wie BOOMERANG sowie Gravitationslinseneffekte und die Galaxienverteilung im Universum bestätigt. Die Gesamtmasse des sichtbaren Universums liegt zwischen 8,5·1052 und 1053 kg. Dunkle Energie wirkt, im Gegensatz zu normaler Materie und Energie antigravitativ. Ohne sie würde sich durch die Gravitationswirkung der Materie die Expansion des Universums verlangsamen und, sofern genügend Materie vorhanden ist, letztendlich umkehren: das Universum würde in einem so genannten „Big Crunch“ wieder in sich zusammenstürzen und zu einer Singularität kollabieren. Mit ihr beschleunigt sich die Expansion des Universums sogar.

Ein Stern besteht, je nach Typ (Sternenpopulation) zu unterschiedlichen Anteilen aus Wasserstoff und Helium. Die anderen chemischen Elemente, insbesondere die, aus denen die Planeten bestehen, können bei dieser groben Rechnung vernachlässigt werden. Daraus errechnet sich das Durchschnittsgewicht eines Atoms mit 2,14·10-27 kg. Die Masse eines Sterns beträgt in der Regel 2·1030 kg, enthält also 1057 Atome. Im sichtbaren Universum kann man von 100 Milliarden oder 1011 Galaxien ausgehen, die jeweils 1011 Sterne enthalten. Das ergibt 1022 Sterne. Die Zahl der Atome im sichtbaren Weltall dürfte daher bei 1079 Atomen liegen. Nach genaueren Berechnungen unter Verwendung der Theorie des inflationären Universums wird die Anzahl der Teilchen im beobachtbaren Universum zwischen 4·1078 und 6·1079 geschätzt.

Form und Volumen
Die Anschauung könnte die Vermutung nahelegen, dass aus der Urknalltheorie eine „Kugelform“ des Universums folge; 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“ und „Trompetenform“ bekannt gewordenen Formen.

Im CDM-Standardmodell (CDM von engl. Cold Dark Matter, „kalte dunkle Materie“) sowie dem aktuelleren Lambda-CDM-Standardmodell, welches die gemessene Beschleunigung der Expansion des Universums berücksichtigt, wird von einer euklidischen Geometrie (einem flachen Universum) und einem unendlichen Volumen des Universums ausgegangen. Das unendliche Volumen ist nicht zwingend, da es gegenwärtig nur möglich ist, eine untere Grenze für die Ausdehnung des Universums anzugeben. Beobachtungsdaten des Satelliten WMAP schließen nach Neil Cornish die meisten Beschreibungsmodelle des Universums, welche einen Radius kleiner als 78 Milliarden Lichtjahre besitzen, aus. Da die gemessene Geometrie von einer euklidischen nicht zu unterscheiden ist, wird das Lambda-CDM-Standardmodell jedoch als das einfachste Modell angesehen, welches an die Beobachtungsdaten angepasst werden kann.

Wichtig ist der Unterschied zwischen Unendlichkeit und Unbegrenztheit: Auch wenn das Universum ein endliches Volumen besitzen würde, so wäre es dennoch unbegrenzt. Leicht anschaulich lässt sich dieses Modell folgendermaßen darstellen: eine Kugeloberfläche (Sphäre) ist endlich, besitzt aber 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 "Rand" eines höherdimensionalen Raums vorstellen.

Zusammenhang zwischen Massendichte, lokaler Geometrie und Form
Obwohl die lokale Geometrie sehr nahe an einer flachen, 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 topologischer Kompakter Raum) oder ob das Universum einen unendlichen Rauminhalt besitzt. Welche Geometrien und Formen für das Universum möglich sind, hängt gemäß der 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 hyberbolisch bezeichnet, da sie als das dreidimensionale Analogon zu einer zweidimensionalen hyperbolische Fläche angesehen werden kann. Ein hyberbolisches 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 (euklidisch). 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 euklidischen 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, so dass nach unendlicher Zeit eine endliche Ausdehnung erreicht ist.

Ist die Energiedichte größer als die kritische Dichte, wird es als „sphärisch“ bezeichnet. Das Volumen eines sphärischen Universums ist endlich. Im Gegensatz zum euklidischen 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, das Universum von einem euklidischen Universum zu unterscheiden. 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 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.

Überlegungen zum unendlichen Volumen
Interessant sind auch die philosophischen Implikationen, welche sich als Konsequenzen aus einem Universum mit unendlichem Volumen ergeben würden. Selbst extrem unwahrscheinliche, aber mögliche Ereignisse müssten sich in einem solchen Universum unendlich oft ereignen, solange die Wahrscheinlichkeit wenigstens noch größer als Null ist. Dies wird zum Beispiel oft in Argumentationen zusammen mit dem anthropischen Prinzip verwendet, um einige, für die menschliche Existenz notwendige Voraussetzungen zu erklären. Zieht man allerdings in Betracht, dass gemäß der Quantentheorie in einem vorgegebenen Raumvolumen nur eine endliche Anzahl von Zuständen untergebracht werden kann, ergeben sich manche dieser Konsequenzen schon bei Universen mit endlichem aber hinreichend großem Volumen. So schloss der Physiker Max Tegmark, dass aus dem gegenwärtigen Standardmodell des Universums folge, dass im Durchschnitt alle {{10}^{10}}^{28} Meter eine „Zwillingswelt“ existieren müsse.