Unsere Galaxie. Geheimnisse der Milchstraße
Wir wissen teilweise mehr über entfernte Sternensysteme als über unsere Heimatgalaxie, die Milchstraße. Es ist schwieriger, ihre Struktur zu untersuchen als die Struktur anderer Galaxien, da sie von innen untersucht werden muss und viele Dinge nicht so leicht zu erkennen sind. Interstellare Staubwolken absorbieren das Licht unzähliger entfernter Sterne.
Erst mit der Entwicklung der Radioastronomie und dem Aufkommen von Infrarotteleskopen konnten Wissenschaftler verstehen, wie unsere Galaxie funktioniert. Doch viele Details sind bis heute unklar. Selbst die Anzahl der Sterne in der Milchstraße wird eher grob geschätzt. Die neuesten elektronischen Nachschlagewerke geben Zahlen von 100 bis 300 Milliarden Sternen an.
Vor nicht allzu langer Zeit glaubte man, dass unsere Galaxie vier große Arme hat. Doch im Jahr 2008 veröffentlichten Astronomen der University of Wisconsin die Ergebnisse der Verarbeitung von etwa 800.000 Infrarotbildern, die vom Spitzer-Weltraumteleskop aufgenommen wurden. Ihre Analyse ergab, dass die Milchstraße nur zwei Arme hat. Bei den anderen Zweigen handelt es sich lediglich um schmale Seitenzweige. Die Milchstraße ist also eine Spiralgalaxie mit zwei Armen. Zu beachten ist, dass die meisten uns bekannten Spiralgalaxien ebenfalls nur zwei Arme haben.
„Dank des Spitzer-Teleskops haben wir die Möglichkeit, die Struktur der Milchstraße zu überdenken“, sagte der Astronom Robert Benjamin von der University of Wisconsin auf einer Konferenz der American Astronomical Society. „Wir verfeinern unser Verständnis der Galaxie auf die gleiche Weise, wie vor Jahrhunderten Pioniere, die um den Globus reisten, frühere Vorstellungen davon, wie die Erde aussieht, verfeinerten und überdachten.“
Seit Beginn der 90er Jahre des 20. Jahrhunderts haben Beobachtungen im Infrarotbereich unser Wissen über den Aufbau der Milchstraße zunehmend verändert, denn Infrarot-Teleskope ermöglichen den Blick durch Gas- und Staubwolken auf Dinge, die herkömmlichen Teleskopen nicht zugänglich sind .
2004 – Das Alter unserer Galaxie wurde auf 13,6 Milliarden Jahre geschätzt. Es entstand kurz darauf. Zunächst handelte es sich um eine diffuse Gasblase, die hauptsächlich Wasserstoff und Helium enthielt. Mit der Zeit entwickelte sich daraus die riesige Spiralgalaxie, in der wir heute leben.
allgemeine Charakteristiken
Doch wie verlief die Entwicklung unserer Galaxis? Wie entstand es – langsam oder im Gegenteil sehr schnell? Wie wurde es mit schweren Elementen gesättigt? Wie haben sich die Form der Milchstraße und ihre chemische Zusammensetzung über Milliarden von Jahren verändert? Auf diese Fragen müssen Wissenschaftler bislang noch detaillierte Antworten geben.
Die Ausdehnung unserer Galaxie beträgt etwa 100.000 Lichtjahre, und die durchschnittliche Dicke der galaktischen Scheibe beträgt etwa 3.000 Lichtjahre (die Dicke ihres konvexen Teils, der Ausbuchtung, erreicht 16.000 Lichtjahre). Im Jahr 2008 kam der australische Astronom Brian Gensler jedoch nach einer Analyse der Ergebnisse von Pulsarbeobachtungen zu dem Schluss, dass die galaktische Scheibe wahrscheinlich doppelt so dick ist wie allgemein angenommen.
Ist unsere Galaxie nach kosmischen Maßstäben groß oder klein? Im Vergleich dazu hat der Andromedanebel, unsere nächste große Galaxie, einen Durchmesser von etwa 150.000 Lichtjahren.
Ende 2008 stellten Forscher mit Methoden der Radioastronomie fest, dass die Milchstraße schneller rotiert als bisher angenommen. Diesem Indikator zufolge ist seine Masse etwa eineinhalb Mal höher als allgemein angenommen. Nach verschiedenen Schätzungen schwankt sie zwischen 1,0 und 1,9 Billionen Sonnenmassen. Nochmals zum Vergleich: Die Masse des Andromeda-Nebels wird auf mindestens 1,2 Billionen Sonnenmassen geschätzt.
Struktur von Galaxien
Schwarzes Loch
Die Milchstraße ist also in ihrer Größe dem Andromedanebel nicht unterlegen. „Wir sollten unsere Galaxie nicht länger als die kleine Schwester des Andromeda-Nebels betrachten“, sagte der Astronom Mark Reid vom Smithsonian Center for Astrophysics an der Harvard University. Da die Masse unserer Galaxie größer als erwartet ist, ist gleichzeitig auch ihre Gravitationskraft größer, was bedeutet, dass die Wahrscheinlichkeit einer Kollision mit anderen Galaxien in unserer Nähe steigt.
Unsere Galaxie ist von einem kugelförmigen Halo umgeben, der einen Durchmesser von 165.000 Lichtjahren erreicht. Astronomen nennen den Halo manchmal eine „galaktische Atmosphäre“. Es enthält etwa 150 Kugelsternhaufen sowie eine kleine Anzahl alter Sterne. Der Rest des Haloraums ist mit verdünntem Gas und dunkler Materie gefüllt. Die Masse des letzteren wird auf etwa eine Billion Sonnenmassen geschätzt.
Die Spiralarme der Milchstraße enthalten enorme Mengen Wasserstoff. Hier werden weiterhin Sterne geboren. Mit der Zeit verlassen junge Sterne die Arme der Galaxien und „wandern“ in die galaktische Scheibe. Allerdings leben die massereichsten und hellsten Sterne nicht lange genug, sodass sie keine Zeit haben, sich von ihrem Geburtsort zu entfernen. Es ist kein Zufall, dass die Arme unserer Galaxie so hell leuchten. Der größte Teil der Milchstraße besteht aus kleinen, nicht sehr massereichen Sternen.
Der zentrale Teil der Milchstraße liegt im Sternbild Schütze. Dieser Bereich ist von dunklen Gas- und Staubwolken umgeben, hinter denen nichts zu sehen ist. Erst seit den 1950er Jahren ist es Wissenschaftlern mithilfe der Radioastronomie gelungen, nach und nach zu erkennen, was sich dort verbirgt. In diesem Teil der Galaxie wurde eine leistungsstarke Radioquelle namens Sagittarius A entdeckt. Wie Beobachtungen zeigten, konzentriert sich hier eine Masse, die die Masse der Sonne um mehrere Millionen Mal übersteigt. Die akzeptableste Erklärung für diese Tatsache ist nur eine: Im Zentrum unserer Galaxie befindet sich.
Jetzt hat sie sich aus irgendeinem Grund eine Auszeit gegönnt und ist nicht besonders aktiv. Der Stofffluss ist hier sehr schlecht. Vielleicht entwickelt das Schwarze Loch mit der Zeit Appetit. Dann beginnt sie erneut, den sie umgebenden Gas- und Staubschleier zu absorbieren, und die Milchstraße wird in die Liste der aktiven Galaxien aufgenommen. Es ist möglich, dass sich zuvor schnell Sterne im Zentrum der Galaxie bilden. Ähnliche Prozesse werden sich wahrscheinlich regelmäßig wiederholen.
2010 – Amerikanische Astronomen entdeckten mit dem Fermi-Weltraumteleskop, das zur Beobachtung von Gammastrahlungsquellen entwickelt wurde, zwei mysteriöse Strukturen in unserer Galaxie – zwei riesige Blasen, die Gammastrahlung aussenden. Der Durchmesser jedes einzelnen von ihnen beträgt durchschnittlich 25.000 Lichtjahre. Sie fliegen vom Zentrum der Galaxie in nördliche und südliche Richtung weg. Vielleicht handelt es sich um Teilchenströme, die einst von einem Schwarzen Loch in der Mitte der Galaxie ausgestoßen wurden. Andere Forscher glauben, dass es sich um Gaswolken handelt, die bei der Geburt von Sternen explodierten.
Rund um die Milchstraße gibt es mehrere Zwerggalaxien. Die bekanntesten davon sind die Große und die Kleine Magellansche Wolke, die durch eine Art Wasserstoffbrücke mit der Milchstraße verbunden sind, eine riesige Gaswolke, die sich hinter diesen Galaxien erstreckt. Es wurde der Magellan-Strom genannt. Seine Ausdehnung beträgt etwa 300.000 Lichtjahre. Unsere Galaxie absorbiert ständig die ihr am nächsten liegenden Zwerggalaxien, insbesondere die Sagitarius-Galaxie, die sich 50.000 Lichtjahre vom galaktischen Zentrum entfernt befindet.
Es bleibt noch hinzuzufügen, dass sich die Milchstraße und der Andromedanebel aufeinander zubewegen. Vermutlich werden beide Galaxien nach 3 Milliarden Jahren miteinander verschmelzen und eine größere elliptische Galaxie bilden, die bereits Milkyhoney genannt wurde.
Ursprung der Milchstraße
Andromeda-Nebel
Lange Zeit glaubte man, dass sich die Milchstraße allmählich bildete. 1962 – Olin Eggen, Donald Linden-Bell und Allan Sandage stellen eine Hypothese auf, die als ELS-Modell bekannt wird (benannt nach den Anfangsbuchstaben ihrer Nachnamen). Demnach rotierte einst langsam eine homogene Gaswolke anstelle der Milchstraße. Es ähnelte einer Kugel, erreichte einen Durchmesser von etwa 300.000 Lichtjahren und bestand hauptsächlich aus Wasserstoff und Helium. Unter dem Einfluss der Schwerkraft schrumpfte die Protogalaxie und wurde flach; gleichzeitig beschleunigte sich seine Rotation merklich.
Fast zwei Jahrzehnte lang eignete sich dieses Modell für Wissenschaftler. Doch neue Beobachtungsergebnisse zeigen, dass die Milchstraße nicht so entstanden sein konnte, wie die Theoretiker es vorhergesagt hatten.
Nach diesem Modell entsteht zunächst ein Halo und dann eine galaktische Scheibe. Die Scheibe enthält aber auch sehr alte Sterne, zum Beispiel den Roten Riesen Arcturus, der mehr als 10 Milliarden Jahre alt ist, oder zahlreiche gleichaltrige Weiße Zwerge.
Sowohl in der galaktischen Scheibe als auch im Halo wurden Kugelsternhaufen entdeckt, die jünger sind, als das ELS-Modell zulässt. Offensichtlich werden sie von unserer späten Galaxie absorbiert.
Viele Sterne im Halo drehen sich in eine andere Richtung als die Milchstraße. Vielleicht waren auch sie einmal außerhalb der Galaxie, aber dann wurden sie in diesen „Sternwirbel“ hineingezogen – wie ein zufälliger Schwimmer in einem Whirlpool.
1978 – Leonard Searle und Robert Zinn schlagen ihr Modell zur Entstehung der Milchstraße vor. Es wurde als „Modell SZ“ bezeichnet. Nun ist die Geschichte der Galaxie merklich komplizierter geworden. Vor nicht allzu langer Zeit wurde seine Jugend nach Meinung von Astronomen genauso einfach beschrieben wie nach Meinung von Physikern - geradlinige Translationsbewegung. Die Mechanismen des Geschehens waren deutlich zu erkennen: Es gab eine homogene Wolke; es bestand nur aus gleichmäßig verteiltem Gas. Nichts durch seine Anwesenheit erschwerte die Berechnungen der Theoretiker.
Anstelle einer riesigen Wolke in den Visionen der Wissenschaftler erschienen nun mehrere kleine, kompliziert verstreute Wolken gleichzeitig. Unter ihnen waren Sterne zu sehen; Sie befanden sich jedoch nur im Halo. Im Heiligenschein brodelte alles: Wolken prallten aufeinander; Gasmassen wurden vermischt und verdichtet. Aus dieser Mischung entstand im Laufe der Zeit eine galaktische Scheibe. Darin tauchten neue Sterne auf. Doch dieses Modell wurde später kritisiert.
Es war unmöglich zu verstehen, was den Halo und die galaktische Scheibe verband. Diese verdichtete Scheibe und die dünne Sternhülle um sie herum hatten wenig gemeinsam. Nachdem Searle und Zinn ihr Modell zusammengestellt hatten, stellte sich heraus, dass der Halo zu langsam rotiert, um eine galaktische Scheibe zu bilden. Der Verteilung der chemischen Elemente nach zu urteilen, sind letztere aus protogalaktischem Gas entstanden. Schließlich stellte sich heraus, dass der Drehimpuls der Scheibe zehnmal höher war als der des Halos.
Das ganze Geheimnis liegt darin, dass in beiden Modellen ein Körnchen Wahrheit steckt. Das Problem ist, dass sie zu einfach und einseitig sind. Beide scheinen nun Fragmente desselben Rezepts zu sein, das die Milchstraße geschaffen hat. Eggen und seine Kollegen lasen ein paar Zeilen aus diesem Rezept vor, Searle und Zinn lasen ein paar andere. Wenn wir daher versuchen, uns die Geschichte unserer Galaxis neu vorzustellen, fallen uns hin und wieder vertraute Zeilen auf, die wir bereits einmal gelesen haben.
Die Milchstrasse. Computermodell
Alles begann also kurz nach dem Urknall. „Heute ist allgemein anerkannt, dass Schwankungen in der Dichte der Dunklen Materie die ersten Strukturen – die sogenannten Dunklen Halos – entstehen ließen. Dank der Schwerkraft zerfielen diese Strukturen nicht“, bemerkt der deutsche Astronom Andreas Burkert, Autor eines neuen Modells zur Entstehung der Galaxie.
Dunkle Halos wurden zu Embryonen – Kernen – künftiger Galaxien. Unter dem Einfluss der Schwerkraft sammelte sich um sie herum Gas an. Es kam zu einem homogenen Kollaps, wie vom ELS-Modell beschrieben. Bereits 500–1000 Millionen Jahre nach dem Urknall wurden Gasansammlungen rund um dunkle Halos zu „Inkubatoren“ von Sternen. Hier entstanden kleine Protogalaxien. Die ersten Kugelsternhaufen entstanden in dichten Gaswolken, weil hier hunderte Male häufiger Sterne geboren wurden als anderswo. Protogalaxien kollidierten und verschmolzen miteinander – so entstanden große Galaxien, darunter auch unsere Milchstraße. Heute ist es von dunkler Materie und einem Halo aus einzelnen Sternen und ihren Kugelsternhaufen umgeben, Ruinen eines mehr als 12 Milliarden Jahre alten Universums.
In den Protogalaxien gab es viele sehr massereiche Sterne. Es vergingen weniger als ein paar Dutzend Millionen Jahre, bis die meisten von ihnen explodierten. Diese Explosionen reichern die Gaswolken mit schweren chemischen Elementen an. Daher waren die Sterne, die in der galaktischen Scheibe geboren wurden, nicht dieselben wie im Halo – sie enthielten hunderte Male mehr Metalle. Darüber hinaus erzeugten diese Explosionen starke galaktische Wirbel, die das Gas erhitzten und über die Protogalaxien hinwegfegten. Es kam zu einer Trennung von Gasmassen und Dunkler Materie. Dies war der wichtigste Schritt bei der Entstehung von Galaxien, der bisher in keinem Modell berücksichtigt wurde.
Gleichzeitig kollidierten zunehmend dunkle Lichthöfe miteinander. Darüber hinaus dehnten sich die Protogalaxien aus oder zerfielen. Diese Katastrophen erinnern an die Sternenketten, die seit der „Jugend“ im Halo der Milchstraße erhalten geblieben sind. Durch die Untersuchung ihres Standorts ist es möglich, die Ereignisse dieser Zeit einzuschätzen. Nach und nach bildeten diese Sterne eine riesige Kugel – den Halo, den wir sehen. Als es abkühlte, drangen Gaswolken in sein Inneres ein. Ihr Drehimpuls blieb erhalten, sie kollabierten also nicht in einem einzigen Punkt, sondern bildeten eine rotierende Scheibe. All dies geschah vor mehr als 12 Milliarden Jahren. Das Gas wurde nun wie im ELS-Modell beschrieben komprimiert.
Zu diesem Zeitpunkt bildet sich die „Ausbuchtung“ der Milchstraße – ihr mittlerer Teil, der einem Ellipsoid ähnelt. Der Bulge besteht aus sehr alten Sternen. Es entstand wahrscheinlich während der Verschmelzung der größten Protogalaxien, in denen sich die Gaswolken am längsten befanden. In der Mitte befanden sich Neutronensterne und winzige Schwarze Löcher – Relikte explodierender Supernovae. Sie verschmolzen miteinander und absorbierten gleichzeitig Gasströme. Vielleicht ist so das riesige Schwarze Loch entstanden, das sich heute im Zentrum unserer Galaxie befindet.
Die Geschichte der Milchstraße ist viel chaotischer als bisher angenommen. Unsere selbst nach kosmischen Maßstäben beeindruckende Heimatgalaxie entstand nach einer Reihe von Einschlägen und Verschmelzungen – nach einer Reihe kosmischer Katastrophen. Spuren dieser antiken Ereignisse sind noch heute zu finden.
Beispielsweise drehen sich nicht alle Sterne in der Milchstraße um das galaktische Zentrum. Wahrscheinlich hat unsere Galaxie im Laufe der Milliarden Jahre ihres Bestehens viele Mitreisende „absorbiert“. Jeder zehnte Stern im galaktischen Halo ist weniger als 10 Milliarden Jahre alt. Zu diesem Zeitpunkt hatte sich die Milchstraße bereits gebildet. Möglicherweise handelt es sich hierbei um Überreste einst eingefangener Zwerggalaxien. Eine Gruppe englischer Wissenschaftler des Astronomical Institute (Cambridge) unter der Leitung von Gerard Gilmour berechnete, dass die Milchstraße offenbar 40 bis 60 Zwerggalaxien vom Carina-Typ aufnehmen könnte.
Darüber hinaus zieht die Milchstraße riesige Gasmassen an. So bemerkten niederländische Astronomen 1958 viele kleine Flecken im Halo. Tatsächlich handelte es sich um Gaswolken, die hauptsächlich aus Wasserstoffatomen bestanden und auf die galaktische Scheibe zuströmten.
Unsere Galaxie wird ihren Appetit auch in Zukunft nicht zurückhalten. Vielleicht wird es die uns am nächsten gelegenen Zwerggalaxien – Fornax, Carina und wahrscheinlich Sextans – absorbieren und dann mit dem Andromeda-Nebel verschmelzen. Rund um die Milchstraße – diesen unersättlichen „Sternkannibalen“ – wird es noch verlassener werden.
In soziale Gruppen eingeteilt wird unsere Milchstraße einer starken „Mittelschicht“ angehören. Damit gehört sie zum häufigsten Galaxientyp, weist aber gleichzeitig weder eine durchschnittliche Größe noch eine durchschnittliche Masse auf. Galaxien, die kleiner als die Milchstraße sind, sind größer als solche, die größer als sie sind. Unsere „Sterneninsel“ hat außerdem mindestens 14 Satelliten – weitere Zwerggalaxien. Sie sind dazu verdammt, die Milchstraße zu umkreisen, bis sie von ihr absorbiert werden, oder einer intergalaktischen Kollision zu entkommen. Nun, im Moment ist dies der einzige Ort, an dem wahrscheinlich Leben existiert – das heißt, Sie und ich.
Aber die Milchstraße bleibt die geheimnisvollste Galaxie im Universum: Da sie am äußersten Rand der „Sterneninsel“ liegt, sehen wir nur einen Teil ihrer Milliarden Sterne. Und die Galaxie ist völlig unsichtbar – sie ist mit dichten Armen aus Sternen, Gas und Staub bedeckt. Heute werden wir über die Fakten und Geheimnisse der Milchstraße sprechen.
> >> Wie viele Sterne gibt es in der Milchstraße?Wie viele Sterne gibt es in der Milchstraße?: Wie man die Zahl bestimmt, Hubble-Teleskopforschung, Struktur einer Spiralgalaxie, Beobachtungsmethoden.
Wenn Sie die Möglichkeit haben, den dunklen Himmel zu bewundern, dann haben Sie eine unglaubliche Ansammlung von Sternen vor sich. Von jedem Ort aus können Sie 2500 Sterne der Milchstraße ohne den Einsatz von Technologie betrachten, und 5800-8000, wenn Sie ein Fernglas oder ein Teleskop zur Hand haben. Dies ist jedoch nur ein kleiner Teil ihrer Zahl. Also, Wie viele Sterne gibt es in der Milchstraße??
Wissenschaftler gehen davon aus, dass die Gesamtzahl der Sterne in der Milchstraße zwischen 100 und 400 Milliarden liegt, obwohl es auch Sterne gibt, die die Billionengrenze erreichen. Warum solche Unterschiede? Tatsache ist, dass wir von innen einen freien Blick haben und es Orte gibt, die außerhalb der Sichtzone der Erde verborgen sind.
Galaktische Struktur und ihr Einfluss auf die Anzahl der Sterne
Beginnen wir mit der Tatsache, dass sich das Sonnensystem in einer spiralförmigen galaktischen Scheibe mit einer Länge von 100.000 Lichtjahren befindet. Wir sind 30.000 Lichtjahre vom Zentrum entfernt. Das heißt, es gibt eine große Kluft zwischen uns und der Gegenseite.
Dann entsteht eine weitere Beobachtungsschwierigkeit. Manche Sterne sind heller als andere und manchmal überstrahlt ihr Licht die Sterne ihrer Nachbarn. Die am weitesten mit bloßem Auge sichtbaren Sterne befinden sich in einer Entfernung von 1000 Lichtjahren. Die Milchstraße ist voller blendender Lichter, doch viele davon sind hinter einem Dunst aus Gas und Staub verborgen. Es ist diese längliche Spur, die „Milch“ genannt wird.
Die Sterne in unserer galaktischen „Region“ sind offen für Beobachtungen. Stellen Sie sich vor, Sie befinden sich auf einer Party in einem Raum, in dem der gesamte Bereich voller Menschen ist. Sie stehen in einer Ecke und werden gebeten, die genaue Anzahl der anwesenden Personen zu nennen. Aber das ist nicht alles. Einer der Gäste schaltet die Nebelmaschine ein und der gesamte Raum ist mit dichtem Nebel gefüllt, der alle Personen blockiert, die weiter von Ihnen entfernt stehen. Jetzt zählen!
Methoden zur Visualisierung der Anzahl der Sterne
Aber es besteht kein Grund zur Panik, denn es gibt immer Lücken. Mit Infrarotkameras gelangen Sie durch Staub und Rauch. Ähnliche Projekte umfassen das Spitzer-Teleskop, COBE, WISE und das Deutsche Weltraumobservatorium.
Sie alle sind in den letzten zehn Jahren entstanden, um den Weltraum im Infrarotwellenlängenbereich zu untersuchen. Dies hilft, versteckte Sterne zu finden. Aber selbst das ermöglicht es uns nicht, alles zu sehen, sodass Wissenschaftler gezwungen sind, Berechnungen anzustellen und spekulative Zahlen vorzulegen. Die Beobachtungen beginnen von Sternbahnen auf der galaktischen Scheibe. Dadurch werden die Umlaufgeschwindigkeit und die Rotationsperiode (Bewegung) der Milchstraße berechnet.
Schlussfolgerungen darüber, wie viele Sterne es in der Milchstraße gibt
Für eine Umdrehung um das galaktische Zentrum benötigt das Sonnensystem 225 bis 250 Millionen Jahre. Das heißt, die Geschwindigkeit der Galaxie beträgt 600 km/s.
Als nächstes wird die Masse bestimmt (Halo aus dunkler Materie – 90 %) und die durchschnittliche Masse berechnet (die Massen und Arten von Sternen werden untersucht). Als Ergebnis stellt sich heraus, dass die durchschnittliche Schätzung der Anzahl der Sterne in der Milchstraße bei 200 bis 400 Milliarden Himmelskörpern liegt.
Zukünftige Technologien werden es ermöglichen, jeden Stern zu finden. Oder Sonden können unglaubliche Entfernungen erreichen und die Galaxie vom „Norden“ – über dem Zentrum – fotografieren. Im Moment können wir uns nur auf mathematische Berechnungen verlassen.
Der Planet Erde, das Sonnensystem, Milliarden anderer Sterne und Himmelskörper – all das ist unsere Milchstraße – eine riesige intergalaktische Formation, in der alles den Gesetzen der Schwerkraft gehorcht. Angaben zur wahren Größe der Galaxie sind nur ungefähre Angaben. Und das Interessanteste ist, dass es im Universum Hunderte, vielleicht sogar Tausende solcher Formationen gibt, ob größer oder kleiner.
Die Milchstraße und was sie umgibt
Alle Himmelskörper, einschließlich der Planeten, Satelliten, Asteroiden, Kometen und Sterne der Milchstraße, sind ständig in Bewegung. Alle diese Objekte wurden im kosmischen Wirbel des Urknalls geboren und befinden sich auf dem Weg ihrer Entwicklung. Manche sind älter, andere deutlich jünger.
Die Gravitationsformation rotiert um das Zentrum, wobei einzelne Teile der Galaxie unterschiedlich schnell rotieren. Wenn im Zentrum die Rotationsgeschwindigkeit der galaktischen Scheibe recht moderat ist, erreicht dieser Parameter an der Peripherie Werte von 200-250 km/s. Die Sonne befindet sich in einem dieser Bereiche, näher am Zentrum der galaktischen Scheibe. Die Entfernung von ihm zum Zentrum der Galaxie beträgt 25-28.000 Lichtjahre. Die Sonne und das Sonnensystem vollenden in 225–250 Millionen Jahren eine vollständige Umdrehung um die Mittelachse der Gravitationsformation. Dementsprechend hat das Sonnensystem in der gesamten Geschichte seines Bestehens das Zentrum nur 30 Mal umflogen.
Ort der Galaxie im Universum
Ein bemerkenswertes Merkmal sollte beachtet werden. Der Stand der Sonne und damit auch des Planeten Erde ist sehr günstig. Die galaktische Scheibe unterliegt einem ständigen Verdichtungsprozess. Dieser Mechanismus wird durch die Diskrepanz zwischen der Rotationsgeschwindigkeit der Spiraläste und der Bewegung von Sternen verursacht, die sich innerhalb der galaktischen Scheibe nach ihren eigenen Gesetzen bewegen. Bei der Verdichtung kommt es zu heftigen Prozessen, begleitet von starker ultravioletter Strahlung. Sonne und Erde befinden sich bequem im Korotationskreis, wo es keine so starke Aktivität gibt: zwischen zwei Spiralzweigen an der Grenze der Arme der Milchstraße – Schütze und Perseus. Das erklärt die Ruhe, in der wir schon seit so langer Zeit sind. Seit mehr als 4,5 Milliarden Jahren sind wir von kosmischen Katastrophen verschont geblieben.
Struktur der Milchstraße
Die galaktische Scheibe ist in ihrer Zusammensetzung nicht homogen. Wie andere spiralförmige Gravitationssysteme hat die Milchstraße drei unterscheidbare Regionen:
- ein Kern, der aus einem dichten Sternhaufen besteht, der eine Milliarde Sterne unterschiedlichen Alters enthält;
- die galaktische Scheibe selbst, gebildet aus Sternhaufen, Sterngas und Staub;
- Korona, sphärischer Halo – die Region, in der sich Kugelsternhaufen, Zwerggalaxien, einzelne Sterngruppen, kosmischer Staub und Gas befinden.
In der Nähe der Ebene der galaktischen Scheibe gibt es junge Sterne, die in Clustern gesammelt sind. Die Dichte der Sternhaufen im Zentrum der Scheibe ist höher. In der Nähe des Zentrums beträgt die Dichte 10.000 Sterne pro Kubikparsec. In der Region, in der sich das Sonnensystem befindet, beträgt die Sternendichte bereits 1-2 Sterne pro 16 Kubikparsec. Das Alter dieser Himmelskörper beträgt in der Regel nicht mehr als mehrere Milliarden Jahre.
Interstellares Gas konzentriert sich auch um die Ebene der Scheibe und unterliegt Zentrifugalkräften. Trotz der konstanten Rotationsgeschwindigkeit der Spiralzweige verteilt sich das interstellare Gas ungleichmäßig und bildet große und kleine Wolken- und Nebelzonen. Der wichtigste galaktische Baustoff ist jedoch Dunkle Materie. Seine Masse überwiegt die Gesamtmasse aller Himmelskörper, aus denen die Milchstraße besteht.
Wenn im Diagramm die Struktur der Galaxie recht klar und transparent ist, ist es in Wirklichkeit fast unmöglich, die zentralen Regionen der galaktischen Scheibe zu untersuchen. Gas- und Staubwolken sowie Ansammlungen von Sterngas verbergen vor unserer Sicht das Licht aus dem Zentrum der Milchstraße, in dem ein echtes Weltraummonster lebt – ein supermassereiches Schwarzes Loch. Die Masse dieses Überriesen beträgt etwa 4,3 Millionen M☉. Neben dem Überriesen befindet sich ein kleineres Schwarzes Loch. Ergänzt wird dieses düstere Unternehmen durch Hunderte von Zwergschwarzen Löchern. Die Schwarzen Löcher der Milchstraße verschlingen nicht nur Sternmaterie, sondern fungieren auch als Entbindungsheim und schleudern riesige Bündel von Protonen, Neutronen und Elektronen in den Weltraum. Aus ihnen entsteht atomarer Wasserstoff – der Hauptbrennstoff des Sternenstammes.
Der Jumper-Balken befindet sich im Bereich des galaktischen Kerns. Seine Länge beträgt 27.000 Lichtjahre. Hier herrschen alte Sterne, Rote Riesen, deren Sternmaterie Schwarze Löcher speist. In dieser Region ist der Großteil des molekularen Wasserstoffs konzentriert, der als Hauptbaustoff für den Sternentstehungsprozess dient.
Geometrisch sieht die Struktur der Galaxie recht einfach aus. Jeder Spiralarm, und davon gibt es in der Milchstraße vier, hat seinen Ursprung in einem Gasring. Die Ärmel laufen in einem Winkel von 20⁰ auseinander. An den äußeren Grenzen der galaktischen Scheibe ist das Hauptelement atomarer Wasserstoff, der sich vom Zentrum der Galaxie zur Peripherie ausbreitet. Die Dicke der Wasserstoffschicht am Rande der Milchstraße ist viel größer als im Zentrum, während ihre Dichte äußerst gering ist. Die Entladung der Wasserstoffschicht wird durch den Einfluss von Zwerggalaxien erleichtert, die unserer Galaxie seit mehreren zehn Milliarden Jahren eng folgen.
Theoretische Modelle unserer Galaxie
Schon antike Astronomen versuchten zu beweisen, dass der sichtbare Streifen am Himmel Teil einer riesigen Sternscheibe ist, die sich um ihr Zentrum dreht. Diese Aussage wurde durch die durchgeführten mathematischen Berechnungen gestützt. Erst Tausende von Jahren später war es möglich, sich ein Bild von unserer Galaxie zu machen, als der Wissenschaft instrumentelle Methoden der Weltraumforschung zu Hilfe kamen. Ein Durchbruch in der Erforschung der Natur der Milchstraße gelang dem Engländer William Herschel. Im Jahr 1700 konnte er experimentell nachweisen, dass unsere Galaxie scheibenförmig ist.
Schon in unserer Zeit hat die Forschung eine andere Wendung genommen. Wissenschaftler verließen sich auf den Vergleich der Bewegungen von Sternen, zwischen denen unterschiedliche Entfernungen lagen. Mit der Parallaxenmethode konnte Jacob Kaptein den Durchmesser der Galaxie annähernd bestimmen, der nach seinen Berechnungen 60-70.000 Lichtjahre beträgt. Dementsprechend wurde der Ort der Sonne bestimmt. Es stellte sich heraus, dass es relativ weit vom tobenden Zentrum der Galaxie und in beträchtlicher Entfernung von der Peripherie der Milchstraße entfernt liegt.
Die grundlegende Theorie der Existenz von Galaxien stammt vom amerikanischen Astrophysiker Edwin Hubble. Er kam auf die Idee, alle Gravitationsformationen zu klassifizieren und sie in elliptische Galaxien und spiralförmige Formationen zu unterteilen. Letztere, Spiralgalaxien, stellen die größte Gruppe dar, zu der Formationen unterschiedlicher Größe gehören. Die größte kürzlich entdeckte Spiralgalaxie ist NGC 6872 mit einem Durchmesser von mehr als 552.000 Lichtjahren.
Erwartete Zukunft und Prognosen
Die Milchstraße scheint eine kompakte und geordnete Gravitationsformation zu sein. Im Gegensatz zu unseren Nachbarn ist es in unserem intergalaktischen Zuhause recht ruhig. Schwarze Löcher wirken sich systematisch auf die galaktische Scheibe aus und verkleinern sie. Dieser Prozess hat bereits Dutzende Milliarden Jahre gedauert und wie lange er noch andauern wird, ist unbekannt. Die einzige Bedrohung, die über unserer Galaxie droht, geht von ihrem nächsten Nachbarn aus. Die Andromeda-Galaxie nähert sich uns schnell. Wissenschaftler vermuten, dass es in 4,5 Milliarden Jahren zu einer Kollision zweier Gravitationssysteme kommen könnte.
Eine solche Zusammenführung von Treffen wird das Ende der Welt bedeuten, in der wir gewohnt sind zu leben. Die kleinere Milchstraße wird von der größeren Formation absorbiert. Anstelle zweier großer Spiralformationen wird im Universum eine neue elliptische Galaxie erscheinen. Bis zu diesem Zeitpunkt wird unsere Galaxie in der Lage sein, mit ihren Satelliten umzugehen. Zwei Zwerggalaxien – die Große und die Kleine Magellansche Wolke – werden in 4 Milliarden Jahren von der Milchstraße absorbiert.
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Seit der Antike interessieren sich Menschen für das Alter des Universums. Und obwohl man sie nicht um einen Reisepass bitten kann, um ihr Geburtsdatum zu sehen, ist die moderne Wissenschaft in der Lage, diese Frage zu beantworten. Stimmt, erst vor kurzem.
Reisepass zum Universum Astronomen haben die frühe Biographie des Universums eingehend untersucht. Sie hatten jedoch Zweifel an ihrem genauen Alter, die erst in den letzten Jahrzehnten ausgeräumt wurden.
Alexey Levin
Die Weisen Babylons und Griechenlands hielten das Universum für ewig und unveränderlich, und hinduistische Chronisten hielten es im Jahr 150 v. Chr. für ewig. ermittelten, dass er genau 1.972.949.091 Jahre alt war (mit der Größenordnung irrten sie sich übrigens nicht allzu sehr!). Im Jahr 1642 errechnete der englische Theologe John Lightfoot durch eine sorgfältige Analyse biblischer Texte, dass die Erschaffung der Welt im Jahr 3929 v. Chr. stattfand; Einige Jahre später verlegte der irische Bischof James Ussher es auf 4004. Auch die Begründer der modernen Wissenschaft, Johannes Kepler und Isaac Newton, haben dieses Thema nicht außer Acht gelassen. Obwohl sie sich nicht nur auf die Bibel, sondern auch auf die Astronomie beriefen, erwiesen sich ihre Ergebnisse als ähnlich den Berechnungen der Theologen – 3993 und 3988 v. In unserer aufgeklärten Zeit wird das Alter des Universums auf andere Weise bestimmt. Um sie aus historischer Perspektive zu betrachten, werfen wir zunächst einen Blick auf unseren eigenen Planeten und seine kosmische Umgebung.
Astronomen haben die frühe Biographie des Universums eingehend untersucht. Sie hatten jedoch Zweifel an ihrem genauen Alter, die erst in den letzten Jahrzehnten ausgeräumt wurden.
Wahrsagerei durch Steine
Seit der zweiten Hälfte des 18. Jahrhunderts begannen Wissenschaftler, das Alter der Erde und der Sonne anhand physikalischer Modelle abzuschätzen. So kam der französische Naturforscher Georges-Louis Leclerc 1787 zu dem Schluss, dass unser Planet, wenn er bei seiner Geburt eine Kugel aus geschmolzenem Eisen wäre, 75.000 bis 168.000 Jahre brauchen würde, um auf seine aktuelle Temperatur abzukühlen. Nach 108 Jahren berechnete der irische Mathematiker und Ingenieur John Perry die thermische Geschichte der Erde neu und bestimmte ihr Alter auf 2-3 Milliarden Jahre. Zu Beginn des 20. Jahrhunderts kam Lord Kelvin zu dem Schluss, dass, wenn sich die Sonne allein aufgrund der Freisetzung von Gravitationsenergie allmählich zusammenzieht und scheint, ihr Alter (und folglich das maximale Alter der Erde und anderer Planeten) könnte mehrere hundert Millionen Jahre dauern. Allerdings konnten Geologen diese Schätzungen damals weder bestätigen noch widerlegen, da es an zuverlässigen geochronologischen Methoden mangelte.
Mitte des ersten Jahrzehnts des 20. Jahrhunderts entwickelten Ernest Rutherford und der amerikanische Chemiker Bertram Boltwood die Grundlage für die radiometrische Datierung von Erdgesteinen, was zeigte, dass Perry der Wahrheit viel näher war. In den 1920er Jahren wurden Mineralproben gefunden, deren radiometrisches Alter bei nahezu 2 Milliarden Jahren lag. Später haben Geologen diesen Wert mehr als einmal erhöht, mittlerweile hat er sich mehr als verdoppelt – auf 4,4 Milliarden. Weitere Daten liefert die Untersuchung von „Himmelssteinen“ – Meteoriten. Fast alle radiometrischen Schätzungen ihres Alters liegen im Bereich von 4,4 bis 4,6 Milliarden Jahren.
Die moderne Helioseismologie ermöglicht es, das Alter der Sonne direkt zu bestimmen, das nach neuesten Daten 4,56 – 4,58 Milliarden Jahre beträgt. Da die Dauer der gravitativen Kondensation der protosolaren Wolke nur Millionen von Jahren betrug, können wir mit Sicherheit sagen, dass vom Beginn dieses Prozesses bis heute nicht mehr als 4,6 Milliarden Jahre vergangen sind. Gleichzeitig enthält Sonnenmaterie viele Elemente, die schwerer als Helium sind und in den thermonuklearen Öfen massereicher Sterne früherer Generationen entstanden sind, die in Supernovae ausbrannten und explodierten. Das bedeutet, dass die Existenz des Universums das Alter des Sonnensystems bei weitem übersteigt. Um das Ausmaß dieses Übermaßes zu bestimmen, müssen Sie zunächst in unsere Galaxie vordringen und dann über deren Grenzen hinausgehen.
Den Weißen Zwergen folgen
Die Lebensdauer unserer Galaxie kann auf unterschiedliche Weise bestimmt werden, wir beschränken uns jedoch auf die beiden zuverlässigsten. Die erste Methode basiert auf der Überwachung des Leuchtens weißer Zwerge. Diese kompakten (ungefähr erdgroßen) und zunächst sehr heißen Himmelskörper stellen für alle außer den massereichsten Sternen das Endstadium des Lebens dar. Um sich in einen Weißen Zwerg zu verwandeln, muss ein Stern seinen gesamten thermonuklearen Brennstoff vollständig verbrennen und mehrere Katastrophen erleiden – zum Beispiel für einige Zeit zu einem Roten Riesen werden.
Natürliche Uhr
Laut radiometrischer Datierung gelten heute die grauen Gneise der Küste des Großen Sklavensees im Nordwesten Kanadas als die ältesten Gesteine der Erde – ihr Alter wird auf 4,03 Milliarden Jahre geschätzt. Noch früher (vor 4,4 Milliarden Jahren) kristallisierten winzige Körner des Minerals Zirkon, einem natürlichen Zirkoniumsilikat, das in Gneisen in Westaustralien vorkommt. Und da die Erdkruste damals schon existierte, müsste unser Planet schon etwas älter sein.
Was Meteoriten betrifft, liefert die Datierung von Kalzium-Aluminium-Einschlüssen im Material chondritischer Meteoriten aus dem Karbon die genauesten Informationen. Diese blieben nach ihrer Bildung aus der Gasstaubwolke, die die neugeborene Sonne umgab, praktisch unverändert. Das radiometrische Alter ähnlicher Strukturen im Efremovka-Meteoriten, der 1962 in der Region Pawlodar in Kasachstan gefunden wurde, beträgt 4 Milliarden 567 Millionen Jahre.
Ein typischer Weißer Zwerg besteht fast ausschließlich aus Kohlenstoff- und Sauerstoffionen, die in entartetes Elektronengas eingebettet sind, und hat eine dünne Atmosphäre, die von Wasserstoff oder Helium dominiert wird. Seine Oberflächentemperatur liegt zwischen 8.000 und 40.000 K, während die zentrale Zone auf Millionen und sogar mehrere zehn Millionen Grad erhitzt wird. Theoretischen Modellen zufolge könnten auch Zwerge geboren werden, die überwiegend aus Sauerstoff, Neon und Magnesium bestehen (die sich unter bestimmten Bedingungen in Sterne mit einer Masse von 8 bis 10,5 oder sogar bis zu 12 Sonnenmassen verwandeln), ihre Existenz existiert jedoch noch nicht nachgewiesen worden. Die Theorie besagt auch, dass Sterne mit mindestens der halben Sonnenmasse als Helium-Weiße Zwerge enden. Solche Sterne gibt es sehr zahlreich, aber sie verbrennen Wasserstoff extrem langsam und leben daher viele Dutzende und Hunderte Millionen Jahre. Bisher hatten sie einfach nicht genug Zeit, ihren Wasserstoffbrennstoff zu erschöpfen (die wenigen bisher entdeckten Heliumzwerge leben in Doppelsternsystemen und sind auf völlig andere Weise entstanden).
Da ein Weißer Zwerg keine thermonuklearen Fusionsreaktionen unterstützen kann, leuchtet er aufgrund der angesammelten Energie und kühlt daher langsam ab. Die Geschwindigkeit dieser Abkühlung lässt sich berechnen und auf dieser Grundlage die Zeit bestimmen, die erforderlich ist, um die Oberflächentemperatur vom anfänglichen Wert (bei einem typischen Zwerg sind es etwa 150.000 K) auf den beobachteten Wert zu senken. Da uns das Alter der Galaxie interessiert, sollten wir nach den langlebigsten und damit kältesten Weißen Zwergen suchen. Moderne Teleskope ermöglichen den Nachweis intragalaktischer Zwerge mit einer Oberflächentemperatur von weniger als 4000 K, deren Leuchtkraft 30.000-mal geringer ist als die der Sonne. Bisher wurden sie nicht gefunden – entweder sind sie überhaupt nicht vorhanden oder es gibt nur sehr wenige davon. Daraus folgt, dass unsere Galaxie nicht älter als 15 Milliarden Jahre sein darf, sonst wären sie in nennenswerter Menge vorhanden.
Zur Datierung von Gesteinen wird eine Analyse des Gehalts an Zerfallsprodukten verschiedener radioaktiver Isotope in ihnen verwendet. Je nach Gesteinsart und Datierungszeitraum werden unterschiedliche Isotopenpaare verwendet.
Dies ist die obere Altersgrenze. Was können wir über den Boden sagen? Die kühlsten derzeit bekannten Weißen Zwerge wurden 2002 und 2007 vom Hubble-Weltraumteleskop entdeckt. Berechnungen ergaben, dass ihr Alter 11,5 bis 12 Milliarden Jahre beträgt. Dazu kommt noch das Alter der Vorgängersterne (von einer halben Milliarde bis zu einer Milliarde Jahren). Daraus folgt, dass die Milchstraße nicht jünger als 13 Milliarden Jahre ist. Die endgültige Schätzung seines Alters, die aus Beobachtungen von Weißen Zwergen stammt, liegt also bei etwa 13 bis 15 Milliarden Jahren.
Ballzertifikate
Die zweite Methode basiert auf der Untersuchung kugelförmiger Sternhaufen, die sich in der Randzone der Milchstraße befinden und ihren Kern umkreisen. Sie enthalten Hunderttausende bis mehr als eine Million Sterne, die durch gegenseitige Anziehung verbunden sind.
Kugelsternhaufen kommen in fast allen großen Galaxien vor, ihre Zahl erreicht manchmal mehrere Tausend. Dort werden fast keine neuen Sterne geboren, aber ältere Sterne sind in Hülle und Fülle vorhanden. Etwa 160 solcher Kugelsternhaufen wurden in unserer Galaxie registriert, und vielleicht werden noch zwei bis drei Dutzend weitere entdeckt. Die Mechanismen ihrer Entstehung sind nicht ganz klar, viele von ihnen entstanden jedoch höchstwahrscheinlich kurz nach der Geburt der Galaxis. Daher ermöglicht die Datierung der Entstehung der ältesten Kugelsternhaufen die Festlegung einer Untergrenze für das galaktische Alter.
Diese Datierung ist technisch sehr aufwendig, basiert aber auf einer sehr einfachen Idee. Alle Sterne im Sternhaufen (von supermassiv bis zu den leichtesten) entstehen aus derselben Gaswolke und werden daher fast gleichzeitig geboren. Mit der Zeit verbrennen sie die Hauptvorräte an Wasserstoff – manche früher, andere später. In diesem Stadium verlässt der Stern die Hauptreihe und durchläuft eine Reihe von Transformationen, die entweder in einem vollständigen Gravitationskollaps (gefolgt von der Bildung eines Neutronensterns oder eines Schwarzen Lochs) oder in der Entstehung eines Weißen Zwergs gipfeln. Daher ermöglicht die Untersuchung der Zusammensetzung eines Kugelsternhaufens eine ziemlich genaue Bestimmung seines Alters. Für zuverlässige Statistiken sollte die Anzahl der untersuchten Cluster mindestens mehrere Dutzend betragen.
Diese Arbeit wurde vor drei Jahren von einem Team von Astronomen mit der ACS-Kamera (Advanced Camera for Survey) des Hubble-Weltraumteleskops durchgeführt. Die Überwachung von 41 Kugelsternhaufen in unserer Galaxie ergab, dass ihr Durchschnittsalter 12,8 Milliarden Jahre beträgt. Rekordhalter waren die Cluster NGC 6937 und NGC 6752, die 7.200 bzw. 13.000 Lichtjahre von der Sonne entfernt liegen. Sie sind mit ziemlicher Sicherheit nicht jünger als 13 Milliarden Jahre, wobei die wahrscheinlichste Lebensdauer des zweiten Clusters 13,4 Milliarden Jahre beträgt (allerdings mit einem Fehler von plus oder minus einer Milliarde).
Sterne mit einer Masse in der Größenordnung der Sonne schwellen an und werden zu Roten Zwergen, wenn ihre Wasserstoffreserven erschöpft sind. Anschließend erwärmt sich ihr Heliumkern während der Kompression und die Heliumverbrennung beginnt. Nach einiger Zeit wirft der Stern seine Hülle ab und bildet einen planetarischen Nebel, wird dann zu einem Weißen Zwerg und kühlt dann ab.
Allerdings muss unsere Galaxie älter sein als ihre Sternhaufen. Seine ersten supermassereichen Sterne explodierten als Supernovae und schleuderten die Kerne vieler Elemente in den Weltraum, insbesondere die Kerne des stabilen Isotops Beryllium-Beryllium-9. Als sich Kugelsternhaufen zu bilden begannen, enthielten ihre neugeborenen Sterne bereits Beryllium, und je später sie entstanden, desto mehr. Anhand des Berylliumgehalts in ihrer Atmosphäre kann man bestimmen, wie viel jünger die Sternhaufen als die Galaxie sind. Wie aus Daten zum Cluster NGC 6937 hervorgeht, beträgt dieser Unterschied 200 bis 300 Millionen Jahre. Wir können also ohne große Umschweife sagen, dass das Alter der Milchstraße 13 Milliarden Jahre übersteigt und vielleicht 13,3 bis 13,4 Milliarden Jahre erreicht. Das ist fast die gleiche Schätzung wie die, die auf der Grundlage von Beobachtungen von Weißen Zwergen gemacht wurde, aber es ist wurde auf ganz andere Art und Weise gewonnen.
Hubbles Gesetz
Die wissenschaftliche Formulierung der Frage nach dem Alter des Universums wurde erst zu Beginn des zweiten Viertels des letzten Jahrhunderts möglich. Ende der 1920er Jahre begannen Edwin Hubble und sein Assistent Milton Humason, die Entfernungen zu Dutzenden Nebeln außerhalb der Milchstraße zu klären, die erst wenige Jahre zuvor zu unabhängigen Galaxien geworden waren.
Diese Galaxien entfernen sich mit Radialgeschwindigkeiten von der Sonne, die anhand der Rotverschiebung ihrer Spektren gemessen wurden. Obwohl die Entfernungen zu den meisten dieser Galaxien mit einem großen Fehler bestimmt werden konnten, stellte Hubble dennoch fest, dass sie ungefähr proportional zu den Radialgeschwindigkeiten waren, wie er in einem Anfang 1929 veröffentlichten Artikel schrieb. Zwei Jahre später bestätigten Hubble und Humason diese Schlussfolgerung anhand von Beobachtungen anderer Galaxien – einige davon mehr als 100 Millionen Lichtjahre entfernt.
Diese Daten bildeten die Grundlage der berühmten Formel v=H0d, bekannt als Hubble-Gesetz. Здесь v — радиальная скорость галактики по отношению к Земле, d — расстояние, H0 — коэффициент пропорциональности, чья размерность, как легко видеть, обратна размерности времени (раньше его называли постоянной Хаббла, что неверно, поскольку в предшествующие эпохи величина H0 была иной, чем heute). Hubble selbst und viele andere Astronomen lehnten lange Zeit Annahmen über die physikalische Bedeutung dieses Parameters ab. Georges Lemaitre zeigte jedoch bereits 1927, dass die allgemeine Relativitätstheorie es uns erlaubt, die Expansion von Galaxien als Beweis für die Expansion des Universums zu interpretieren. Vier Jahre später hatte er den Mut, diese Schlussfolgerung zu ihrem logischen Schluss zu führen, indem er die Hypothese aufstellte, dass das Universum aus einem fast punktförmigen Embryo entstand, den er mangels eines besseren Begriffs Atom nannte. Dieses Uratom konnte jederzeit bis in die Unendlichkeit in einem statischen Zustand bleiben, aber seine „Explosion“ ließ einen expandierenden Raum voller Materie und Strahlung entstehen, der in endlicher Zeit das heutige Universum entstehen ließ. Bereits in seinem ersten Artikel leitete Lemaitre ein vollständiges Analogon der Hubble-Formel ab und erhielt mit den damals bekannten Daten über die Geschwindigkeiten und Entfernungen einer Reihe von Galaxien ungefähr den gleichen Wert des Proportionalitätskoeffizienten zwischen Entfernungen und Geschwindigkeiten als Hubble. Sein Artikel wurde jedoch in einer wenig bekannten belgischen Zeitschrift auf Französisch veröffentlicht und blieb zunächst unbeachtet. Den meisten Astronomen wurde es erst 1931 nach der Veröffentlichung seiner englischen Übersetzung bekannt.
Die Entwicklung des Universums wird durch die anfängliche Expansionsrate sowie die Auswirkungen der Schwerkraft (einschließlich dunkler Materie) und der Antigravitation (dunkle Energie) bestimmt. Abhängig von der Beziehung zwischen diesen Faktoren hat der Graph der Größe des Universums sowohl in der Zukunft als auch in der Vergangenheit eine unterschiedliche Form, was sich auf die Schätzung seines Alters auswirkt. Aktuelle Beobachtungen zeigen, dass sich das Universum exponentiell ausdehnt (rote Grafik).
Hubble-Zeit
Aus dieser Arbeit von Lemaître und den späteren Arbeiten von Hubble selbst und anderen Kosmologen folgte direkt, dass das Alter des Universums (natürlich gemessen vom ersten Moment seiner Expansion an) vom Wert 1/H0 abhängt, der heute Hubble genannt wird Zeit. Die Art dieser Abhängigkeit wird durch das spezifische Modell des Universums bestimmt. Wenn wir davon ausgehen, dass wir in einem flachen Universum leben, das mit gravitierender Materie und Strahlung gefüllt ist, muss zur Berechnung seines Alters 1/H0 mit 2/3 multipliziert werden.
Hier entstand der Haken. Aus den Messungen von Hubble und Humason folgt, dass der Zahlenwert von 1/H0 ungefähr 1,8 Milliarden Jahren entspricht. Daraus folgte, dass das Universum vor 1,2 Milliarden Jahren entstand, was selbst den damals stark unterschätzten Schätzungen über das Alter der Erde eindeutig widersprach. Man könnte dieser Schwierigkeit entkommen, indem man annimmt, dass sich Galaxien langsamer entfernen, als Hubble dachte. Im Laufe der Zeit bestätigte sich diese Annahme, löste das Problem jedoch nicht. Nach Daten, die bis zum Ende des letzten Jahrhunderts mithilfe der optischen Astronomie gewonnen wurden, liegt die Lebensdauer von 1/H0 zwischen 13 und 15 Milliarden Jahren. Die Diskrepanz blieb also bestehen, da der Raum des Universums als flach galt und gilt und zwei Drittel der Hubble-Zeit viel weniger sind als selbst die bescheidensten Schätzungen zum Alter der Galaxie.
Leere Welt
Nach den neuesten Messungen des Hubble-Parameters liegt die untere Grenze der Hubble-Zeit bei 13,5 Milliarden Jahren und die obere Grenze bei 14 Milliarden Jahren. Es stellt sich heraus, dass das aktuelle Alter des Universums ungefähr der aktuellen Hubble-Zeit entspricht. Diese Gleichheit muss für ein absolut leeres Universum, in dem es weder gravitierende Materie noch antigravitative Felder gibt, strikt und ausnahmslos eingehalten werden. Aber in unserer Welt gibt es von beidem genug. Tatsache ist, dass sich der Weltraum zunächst langsam ausdehnte, dann begann die Geschwindigkeit seiner Expansion zuzunehmen, und in der aktuellen Zeit diese gegensätzlichen Trends haben sich nahezu ausgeglichen.
Im Allgemeinen wurde dieser Widerspruch in den Jahren 1998 bis 1999 beseitigt, als zwei Astronomenteams bewiesen, dass sich der Weltraum in den letzten 5 bis 6 Milliarden Jahren nicht mit abnehmender, sondern mit zunehmender Geschwindigkeit ausgedehnt hat. Diese Beschleunigung wird üblicherweise dadurch erklärt, dass in unserem Universum der Einfluss des Antigravitationsfaktors, der sogenannten Dunklen Energie, zunimmt, deren Dichte sich im Laufe der Zeit nicht ändert. Da die Dichte der gravitierenden Materie mit der Ausdehnung des Kosmos abnimmt, konkurriert die Dunkle Energie immer erfolgreicher mit der Schwerkraft. Die Existenzdauer eines Universums mit einer Antigravitationskomponente muss nicht zwei Drittel der Hubble-Zeit betragen. Daher ermöglichte die Entdeckung der beschleunigten Expansion des Universums (die 2011 mit dem Nobelpreis ausgezeichnet wurde) die Beseitigung der Diskrepanz zwischen kosmologischen und astronomischen Schätzungen seiner Lebensdauer. Es war auch der Auftakt zur Entwicklung einer neuen Methode zur Datierung ihrer Geburt.
Kosmische Rhythmen
Am 30. Juni 2001 schickte die NASA den Explorer 80 ins All, der zwei Jahre später in WMAP, Wilkinson Microwave Anisotropy Probe, umbenannt wurde. Seine Ausrüstung ermöglichte es, Temperaturschwankungen der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung mit einer Winkelauflösung von weniger als drei Zehntel Grad aufzuzeichnen. Damals war bereits bekannt, dass das Spektrum dieser Strahlung fast vollständig mit dem Spektrum eines auf 2,725 K erhitzten idealen schwarzen Körpers übereinstimmt und seine Temperaturschwankungen bei „grobkörnigen“ Messungen mit einer Winkelauflösung von 10 Grad nicht mehr als 0,000036 K betragen Bei „feinkörnigen“ Messungen auf der Skala der WMAP-Sonde waren die Amplituden solcher Schwankungen jedoch sechsmal größer (ca. 0,0002 K). Die kosmische Mikrowellen-Hintergrundstrahlung erwies sich als fleckig, dicht gepunktet mit etwas mehr und etwas weniger erhitzten Bereichen.
Schwankungen in der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung werden durch Schwankungen in der Dichte des Elektronen-Photonen-Gases erzeugt, das einst den Weltraum erfüllte. Sie sank etwa 380.000 Jahre nach dem Urknall auf nahezu Null, als sich nahezu alle freien Elektronen mit den Kernen von Wasserstoff, Helium und Lithium verbanden und so neutrale Atome entstanden. Bis dahin breiteten sich Schallwellen im Elektron-Photonen-Gas aus, beeinflusst durch die Gravitationsfelder der Dunkle-Materie-Teilchen. Diese Wellen, oder wie Astrophysiker sagen, akustische Schwingungen, haben das Spektrum der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung geprägt. Dieses Spektrum kann mit dem theoretischen Apparat der Kosmologie und der magnetischen Hydrodynamik entschlüsselt werden, was eine Neubewertung des Alters des Universums ermöglicht. Wie neueste Berechnungen zeigen, liegt seine wahrscheinlichste Ausdehnung bei 13,72 Milliarden Jahren. Sie gilt heute als Standardschätzung für die Lebensdauer des Universums. Wenn wir alle möglichen Ungenauigkeiten, Toleranzen und Näherungen berücksichtigen, können wir nach den Ergebnissen der WMAP-Sonde zu dem Schluss kommen, dass das Universum bereits seit 13,5 bis 14 Milliarden Jahren existiert.
So kamen Astronomen, die das Alter des Universums auf drei verschiedene Arten schätzten, zu durchaus übereinstimmenden Ergebnissen. Daher wissen wir heute (oder vorsichtiger ausgedrückt: wir glauben zu wissen), wann unser Universum entstanden ist – zumindest mit einer Genauigkeit von mehreren hundert Millionen Jahren. Wahrscheinlich werden Nachkommen die Lösung dieses uralten Rätsels in die Liste der bemerkenswertesten Errungenschaften der Astronomie und Astrophysik aufnehmen.
