Kosmologische Strukturbildung: Von der Quantenfluktuation zur Galaxie

162 Pages·2009·8.374 MB·German

by  Helmut Hetznecker

Kosmologische Strukturbildung
Helmut Hetznecker
Kosmologische
Strukturbildung
Von der Quantenfluktuation
zur Galaxie
Reihe Astrophysik aktuell: Herausgegeben von Andreas Burkert, Harald Lesch, Thomas Gehren,
NikolausHeckmannmitUnterstützungdesHarvardClubMünchene.V.
Autor
Dr.HelmutHetznecker
FraunhoferStraße2
83346Bergen
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DruckundBindung:StürtzGmbH,Würzburg
PrintedinGermany
ISBN 978-3-8274-1935-4
„EshatkeinenZweckmehr“,seufzteertraurig,
„wir haben nicht mehr das Können der Alten,
dieZeitderRiesenvoneinstistvorbei!“
„Ja, wir sind Zwerge“, nickte William, „aber
Zwerge, die auf den Schultern der Riesen von
einst sitzen, und so können wir trotz unserer
Kleinheitmanchmalweitersehenalssie.“
UmbertoEco
inDerNamederRose
Vorwort
WanninteressiertunsdergestirnteHimmelüberuns?Abendsundnachts,
dann, wenn sich die Sterne über den dunklen Nachthimmel ausbreiten.
Tagsüber sindwirhöchstens besorgt, obwirden nächstenStern, dieSon-
ne,leuchtensehen.Meistenssindwirzugeschäftig, umunsereSinneund
GedankenaufdasAllzurichten.
WirMenschenlebenaufeinemPlaneten,dernursostrotztvorAktivität.
DieunsumgebendeNatur,nichtandersalsunsereeigenenZieleundTätig-
keiten,verändertsichineinemfort:Allesbewegtsich,allesfließt.Pflanzen
verdunstenWasser,dassieausdemBodenziehen.Wolkenformensicham
Himmel.Esregnet,Flüssefließen,dasMeerbrandetandieKüsten.Vulkane
brechenausunddieErdebebt.WirLebewesenatmenaufdemGrundeines
Luftmeeres.Immerdünnerwerdend,ragtesweithinausindenWeltraum.
Undallesdrehtundrührtundbewegtsich.
Unser Planet ist eine Kugel inmitten eines sehr leeren Universums. In
150 Millionen Kilometer Entfernung, nach astronomischen Begriffen vor
unsererHaustür,leuchtetdieSonne–einSternunterMilliardenanderenin
unsererMilchstraße.UnsereGalaxieisteineSterneninselvonrund100000
LichtjahrenAusdehnung,eineGas-undSternscheibe,diesichumihrZen-
trum dreht. Mehr als zwei Millionen Lichtjahre von uns rotiert schon die
nächstegalaktischeScheibe,dieAndromeda-Galaxie,umihreigenesZen-
trum.DiebeidengroßenSpiralgalaxien,unsereMilchstraßeundAndrome-
da,sindumgebenvonkleinenZwerggalaxien.Allezusammengehörensie
zueinerGruppevonGalaxien,diesichüberrund30MillionenLichtjahre
erstreckt.DieLokaleGrupperastaufdenVirgo-Haufenzu,einemriesigen
Galaxien-Cluster,dessenEntfernungbereitsinhundertMillionenLichtjah-
rengemessenwird.VirgoschließlichgleitetmitanderenGalaxienhaufenin
RichtungeinergewaltigenMaterieansammlung–demGroßenAttraktor.
SchautmanimmertieferinsUniversum,breitetsicheinNetzausMate-
rievorunsaus:GalaxienhaufenreihensichwiePerlenaufeinerSchnuran
den Wänden gewaltiger Leerräume. Das Universum besteht zu drei Vier-
telausLeere,dieinleuchtendeMateriegehülltist.Geradedieseungeheu-
re Leere ist eine der wichtigsten Eigenschaften des heutigen Universums.
VIII Vorwort
WäredasAllnichtsoleer,könntedasLichtfernerWeltenkaumbiszuuns
vordringen, könnten wirdieSterneamNachthimmel garnichtsehen. Der
BlickindengestirntenHimmelüberunsverrätalsobereitsetwasWesent-
lichesüberdasganzeUniversum:Esistsogutwieleer.
Wiekanndassein?Ganzeinfach,dasUniversumistalt!SeitseinerGe-
burt dehnt es sichaus. Der Raum expandiert; das Universum wird immer
größer und leerer. Und in einem sich stets vergrößerndem Universum, so
erwarten wir eigentlich, verdünnt sich die Materie mehr und mehr. Aber
stimmt das denn? Nein, denn offenbar gibt es ja Galaxien, also Mate-
rieverdichtungen!UndindenGalaxiengibtesimmerdichtereMateriefor-
men:dieSterneund,nochmehr,diePlaneten.OffenbarentstandenimUni-
versumObjekte,diesichderallgemeinenAusdünnungdurchdieExpansion
desKosmosentgegenstemmten.
Also was ist wirklich passiert während der Entwicklung des Univer-
sums?WiesindsolcheObjektewiedieGalaxienentstanden? Davon han-
deltdiesesBuch.EserzähltvomWerdenderDinge,dersehrgroßenDinge.
Dieses kleine Buch präsentiert die Geschichte der größten Objekte über-
haupt.DasUniversumalsdasgrößteEtwas,vondemwirüberhauptwissen,
istbevölkert von Galaxien, diesichzumeist inGruppen oder Haufen ver-
sammeln,diesichaberihrerseitszunochgrößerenSuperhaufenzusammen-
tun. Zwar gibt es auch „Einzelgänger“ – Galaxien, die ganz verloren und
alleinedurchsUniversumstreifen.EinesschönenTageswerdenaberauch
diesevonderSchwerkraftderanderenGalaxieneingefangenundgenötigt,
sichdenGruppenundHaufenanschließen.EsgehtumdieEntstehungder
verschiedenenGalaxientypen,dieVerschmelzungvonkleinenGalaxienzu
immerGrößeren. DasBuchhandelt von derEntstehung und demWerden
dergroßenHierarchie.
Leider sind die Vorgänge nicht so einfach, wie sie zunächst scheinen.
DaistnichtnurleuchtendeMaterie,diesichunterderWirkungdereigenen
Schwerkraftzusammenfindet.DieleuchtendeMaterieistnurdieSpitzedes
materiellen Eisberges. Verborgen in der Unsichtbarkeit gibt es eine Form
von Materie, dievollkommen dunkel ist.Sieschluckt kein Licht und gibt
keinesab.Sieisteinfachnurschwer,undsieistderwirklicheGrundfürdie
EntstehungderleuchtendenGalaxien.DieDunkleMateriestelltüber75%
dergesamtenMaterieimUniversum. IhreSchwerkrafttöpfe sinddieAus-
gangspunktederEntwicklunghinzuleuchtendenGalaxien.Dortnämlich,
wosichdieDunkleMateriebereitsverdichtethatte,fieldieleuchtendeMa-
terieeinundbildetedieSterneninseln.ÜberdieNaturderDunklenMaterie
können wir bis heute nur in Steckbriefen reden: Sie ist schwer und kalt.
SiemussausTeilchen bestehen, dieganzanders sindalsdieTeilchen der
Vorwort IX
Galaxien, Sterne, Planeten und der Lebewesen. Dunkle Materie ist völlig
anders,abersiemachtsichbemerkbardurchihreSchwerkraft.
DieAstronomen kennen also wenigstens schon einmal die Teilnehmer
amkosmischenTanzderMaterie.Siemöchtenabervorallemwissen,wann
genau in der Geschichte des Universums sich die Verdichtung der Mate-
riezumerstenMalinFormvonSternenundGalaxienabgespielt hat.Die
Astronomensprechenvom„DunklenZeitalter“,dasesmittelsneuerTele-
skopezuentdeckengilt.IndieserPhasedesUniversums,einigeZigmillio-
nen Jahre nach dem Beginn müssen sich dieersten Sterne gebildet haben
und das ersteLicht ins ansonstenschon sehrdunkle Universum geschickt
haben.DieseEntdeckungenstehenkurzbevor.Vielleichtwird,schonwäh-
rend Sie dieses Buch lesen, der erste Stern im Universum entdeckt. Viel
VergnügenundspannendeUnterhaltung!
HaraldLesch
X VorwortdesVerfassers
Vorwort des Verfassers
Mitder„KosmologischenStrukturbildung“ liegtnachder„Expansionsge-
schichte des Universums“ ein weiterer Band der Reihe Astrophysik aktu-
ellvor,dersichausschließlicheinemkosmologischenThemawidmet.Das
vorliegende Buch kann als Fortsetzung der „Expansionsgeschichte“ gele-
senwerden,stelltabergleichwohleininsichgeschlossenesBuchdar.Die
kosmologischenGrundlagenderStrukturbildungsindimerstenKapitelzu-
sammenfassendundinallerKürzedargestellt.
UngezählteNeuerscheinungenvonhoherQualitätberichtenJahrfürJahr
aktuellvonderKosmologie,jenergrundlegendenundfacettenreichenDis-
ziplin.InkeinemBuchscheintmirjedochderFokuskonkretaufdieFrage
gerichtet,wieesimUniversumeigentlichzuEntstehungderGalaxienund
der großen Strukturen kam, die dem Universum seine materielle Gestalt
verleihen. Ich sehe den vorliegenden Band daher auch als Versuch, eine
Lückezuschließen.
IchdankeHerrnDr.NikolausHeckmannunddemHarvard-ClubMün-
chenfürdieIdeezurvorliegendenReiheundderenengagierteUmsetzung.
Mein besonderer Dank gilt meinem langjährigen „Mentor“ Prof. Andre-
as Burkert, Direktor an der Universitätssternwarte München, der mir zu
meinerFreudedieAutorenschaftfürdiekosmologischenBändedervorlie-
genden Reiheangetragen hat. Vielen Dank ebenso anStefanie Adamund
KatharinaNeuser-von OettingenvomSpektrum-Verlag fürdiereibungslo-
seundjederzeitangenehmeZusammenarbeit,sowieandieHerrenThomas
AumerundHansHetzneckerfürzahlreicheKorrekturenamManuskript.
HelmutHetznecker,Mai2008
Inhaltsverzeichnis
1. BühneundMitwirkende . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
DasinflationäreUniversum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
Einstein,FriedmanunddasModelldesUniversums . . . . . . . 4
DiekosmologischenParameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
StrahlungausderKindheitdesUniversums . . . . . . . . . . . 12
DiekosmologischeRotverschiebung . . . . . . . . . . . . . . . 14
2. DieVielgestaltderGalaxien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
HubblesKlassifikation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
ElliptischeGalaxien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
Spiralgalaxien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
IrreguläreGalaxien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
DashierarchischorganisierteUniversum . . . . . . . . . . . . . 30
3. DieSaatderkosmischenStrukturen . . . . . . . . . . . . . . . 35
UnscharfeQuanten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
DasWerkderInflation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
DieStatistikderFluktuationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
4. DieErschaffungderMaterie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
DerDissidentunddasunsymmetrischeUniversum . . . . . . . 58
„WeareStardust“ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
Heißoderkalt:DunkleMaterie . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
DasFlaggschiffderKosmologen . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
5. GetrennteWege . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
DieEpocheimÜberblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
DasAntlitzderSchöpfung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
RettungausdemDunklenUniversum? . . . . . . . . . . . . . . 79
WMAPsscharferBlick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
EincharakteristischesSpektrum . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
DasfrüheWachstumderDichteschwankungen. . . . . . . . . . 92