Die Expansion des Universums

Tod des Universums

Die Dichte des Universums

Das Schicksal unsres Universums ist abhängig von der Massendichte der Materie, die es enthält. Es ist also wichtig zu wissen, wie groß die mittlere Dichte des Universums ist. Wenn die mittlere Dichte kleiner als ein kritischer Wert ist, so wird das Weltall ewig weiter expandieren. Wenn sie größer als die kritische Dichte ist, dann wird die Expansion einmal voll zum Stillstand kommen, weil sie von der Gravitationskraft abgebremst wurde. Das Universum wird sich wieder zusammenziehen und in einer Singularität enden. Entspricht die mittlere Dichte genau der kritischen Dichte, ist es unendlich groß und expandiert dennoch ewig weiter. Um das Verhältnis von kritischer Dichte zur mittleren Dichte darzustellen, wurde eine neue Größe definiert.

Die Krümmung des Raums ist abhängig von .Wenn kleiner als eins ist, wäre die Form des vergleichbar Universums einer unendlich ausgedehnten Satteloberfläche, die an jedem Punkt gleich gekrümmt ist. Die Winkelsumme im Dreieck betrüge immer weniger als 180. Parallele Geraden laufen auseinander. In einen Universum, in dem Omega den Wert eins hat, würde die aus der Schule bekannte euklidische Geometrie herrschen. Der Raum wäre eine euklidische Fläche, die sich ewig ausdehnt. Wäre die mittlere Dichte größer als die kritische, so würde die Geometrie des Universums einer Kugeloberfläche gleichen, die sich zuerst ausdehnt und dann wieder zusammenzieht. Die Winkelsumme wäre immer größer als 180 und Parallelen würden sich im Endlichen schneiden. (vergleiche Bürkle, Thomas: Geheimnisvolle Schattenwelt. S.83ff)
Skizze dazu:

Man kann auch als Verhältnis von Gravitationsenergie zur kinetischen Energie beschreiben:


mit
G ist die Gravitationskonstante

Wenn man annimmt, dass die Hubblekonstante 50 groß ist, so beträgt die kritische Dichte .
Um die Zukunft eines Universums zu kennen, ist es also nötig, seine mittlere Dichte zu wissen. Dafür müsste man die gesamte Materie des Universums addieren und durch das Volumen teilen. Da diese Methode unmöglich ist, versucht man repräsentative Stichproben zu nehmen. Berechnet man die mittlere Dichte der Milchstraße, so erhält man einen Wert von 10-23 g/cm3. Das ist sehr viel größer als die kritische Dichte. Aber um die Dichte des Universums zu berechnen, müssen auch die großen leeren Räume zwischen den Galaxien einbezogen werden. So gelangt man letztendlich auf eine Dichte von 10-31g/cm3. Das sind nur einige Prozent des kritischen Wertes. Wir scheinen also in einen offenen Weltall zu leben. Doch unser Universum besteht nicht nur aus sichtbarer Materie. (vergleiche Fritzsch, Harald: Vom Urknall zum Zerfall. S.255)

Die dunkle Materie

In Galaxienhaufen bewegen sich die Galaxien sehr schnell zueinander. Als Gegenkraft werden sie von der Gravitationskraft zusammengehalten. Sonst würden die Haufen auseinanderfliegen. Bei Untersuchungen stellte man jedoch fest, dass vielen Galaxienhaufen Materie zu fehlen schien. Manche besaßen nur 10% der nötigen Masse um sich nicht aufzulösen. Es muss also noch mehr Materie geben, als wir sehen können. Doch woraus besteht diese dunkle Materie, aus der bis zu 90% unseres Kosmos zu bestehen scheinen?
Auch die Astronomen sind sich darüber noch nicht einig. Es gibt sehr viele unterschiedliche Kandidaten.
1. Braune Zwerge
Ein möglicher Kandidat sind kleine leuchtschwache Sterne, die Braune Zwerge genannt werden. Sie haben weniger als 8% der Sonnenmasse und der Druck in ihren reicht nicht aus, um Kernreaktionen hervorzurufen.
2. Schwarze Löcher
Ein andere Möglichkeit ist, dass die dunkle Materie aus schwarzen Löchern von sehr massereichen Sternen besteht. Bei ihrer Entstehung muss die gesamte Materie des Sterns kollabiert sein, nachdem der Kernbrennstoff verbraucht war.
3. Neutrinos
Neutrinos gehören zu den Elementarteilchen. Sie werden bei bestimmten Arten von radioaktiven Zerfällen freigesetzt. Sie reagieren nur sehr schwach mit der anderen Materie und können sie durchdringen ohne mit den Teilchen Wechselwirkungen einzugehen. Bislang ist noch nicht bekannt ob sie eine Masse besitzen. Im Standardmodell jedoch nimmt man an, dass sie masselos sind. Sollte es aber nicht so sein, so könnten Neutrinos die Erklärung für die dunkle Materie sein. Während des Urknalls entstand eine große Menge an Neutrinos, so dass auf rund jedes Proton in unseren Universum 1 Milliarde Neutrinos kommen. Deshalb würde auch nur eine sehr kleine Masse zwischen 25 und 50 Elektronenvolt reichen, damit Omega den kritischen Wert 1 erreicht.
4. Exotische Teilchen
Außer Neutrinos gibt es noch weitere Elementarteilchen, aus denen die dunkle Materie bestehen könnte. Sie sind aber weitaus umstrittener und konnten noch nicht eindeutig nachgewiesen werden.
(vergleiche: Bürkle, Thomas: Geheimnisvolle Schattenwelt. S.102f)
Tabelle zur Materieverteilung

"Big Crunch"

Ist die Masse der Dunklen Materie so groß, dass Omega den kritischen Wert übersteigt, wird die Expansion irgendwann gestoppt, und das Universum beginnt, sich wieder zusammenzuziehen. Allerdings wird das Universum bis dahin noch viele Milliarden Jahre weiterexpandieren. Schließlich beginnen sich die zu der Zeit existierenden Sternensysteme und die vorhandene Masse an Materie langsam zu nähern. Zu der Zeit des Stillstands beträgt die Hintergrundstrahlung nur noch etwa die Hälfte ihres jetzigen Wertes. Mit zunehmender Annäherung der Materie, wird sie sich jedoch wieder erhöhen. "[...] der Kosmos wird mit zunehmender Geschwindigkeit kontrahieren [...] und die Temperatur des Strahlungsfeldes wird unablässig und immer schneller ansteigen."(Lindner, Klaus: Anfang und Ende der Welt. S.174) Nach weiteren 10 Millionen Jahren zerfallen die Moleküle und Atome, und mit zunehmender Temperatur beginnen bei einer Temperatur von 109 Kelvin die schweren Atomkerne zu zerfallen. Letztendlich gibt es nur noch eine "Suppe" von Quarks und schließlich Strahlung, bevor alles endgültig in sich zusammenstürzt und es zum "Big Crunch" kommt, dem Ende von unserem Kosmos und von Zeit und Raum.

Ewige Expansion

Das Gegenstück zum "Big Crunch" ist, wenn Omega kleiner als 1 ist und es zur ewigen Expansion kommt. Etwa 1021 Jahre nach dem Urknall gibt es keine leuchtenden Sterne mehr im Universum. Im Raum befinden sich dann nur noch tote Sterne und massereiche Schwarze Löcher. Zu diesem Zeitpunkt beginnen auch über weitere Milliarden Jahre die Elementarteilchen zu zerfallen. Die heutige Hintergrundstrahlung von 2,7K wird sich immer mehr dem absolutem Nullpunkt annähern. Dennoch expandiert der Raum weiter und es werden sich in einem Universum zu diesem Zeitpunkt zwei Teilchen - etwa Elektron und Positron - in einem Abstand zueinander befinden wie heutige Galaxien.
1032 Jahre nach dem Urknall beginnen auch die Schwarzen Löcher, wieder Materie in Form von Photonen abzugeben. Nach weiteren 1068 Jahren werden keine Schwarzen Löcher mehr existieren und unser Universum besteht nur noch aus Quarks und Photonen.

Hat die Materiedichte genau den kritischen Wert, so wird sich die Expansionsgeschwindigkeit in einer unendlichen Zeit immer mehr dem Wert Null annähern. In diesem Universum herrschen ähnliche Verhältnisse, wie in einem Universum mit Omega kleiner 1. Allerdings werden in astronomischen Entfernungen jeweils ein Elektron und ein Positron umeinander kreisen. Diese nähern sich immer mehr an, vernichten sich schließlich gegenseitig und lassen Photonen zurück.
"[...] das Ende ist [...] eine gestaltlose Wüste aus Strahlung und Teilchen, die sich in die Ewigkeit hinein verliert. Wenn sich nichts mehr ereignet, dann hat auch der Zeitbegriff keinen Sinn mehr. Die Zeit hört auf zu existieren."(ebenda. S.172)


Weiter gehts mit Edwin Hubble und der Hubblekonstante.