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ames Cornell
Herausgeber
Die neue Kostnologie
Von Dunkelmaterie, GUTs und Superhaufen
Aus dem Amerikanischen
von Margit Röser
Springer Basel AG
Die Originalausgabe erschien 1989 unter dem Titel <<Bubbles, voids and bumps in
time>> bei Cambridge University Press, Cambridge
© Srnithsonian Astrophysical Observatory, 1989
CIP-Titelaufnahme der Deutschen Bibliothek
Die neue Kosmologie : von Dunkelmaterie, GUTs und Superhaufen I James
Comell, Hrsg. Aus d. Amerikan. von Margit Röser. - Basel ; Boston ; Berlin :
Birkhäuser 1991
Einheitssacht.: Bubbles, voids and bumps in time <dt.>
ISBN 978-3-0348-6130-4
NE: Comell, James [Hrsg.]; EST
Das Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, des
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<< Verwertungsgesellschaft Wort», München, wahrgenommen.
© 1991 Springer Basel AG
Ursprünglich erschienen bei Birkhäuser Verlag Basell991
Softcoverreprint ofthe bardeover 1st edition 1991
Umschlaggestaltung: Albert Gomm, Basel
ISBN 978-3-0348-6130-4 ISBN 978-3-0348-6129-8 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-0348-6129-8
Inhalt
Vorwort 7
Entfernungen zu Objekten mit hohen
Rotverschiebungen . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
I Die Entdeckung des Weltalls: Eine Einleitung 15
Alan P. Lightman
II Die Vermessung des Weltalls: Rotverschiebungen
und Standardkerzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
Alan P. Lightman
III Die Kartierung des Weltalls: Scheiben und Blasen 75
Margret J. GelZer
IV Die Bestimmung der Masse im Weltall:
Dunkelmaterie und fehlende Masse . . . . . . . . 103
Vera C. Rubin
V Der Beginn des Weltalls: Urknall und kosmische
Inflation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
AlanH. Guth
VI Die Ausweitung des Weltalls: Das Weltraumteleskop
und Perspektiven für die nächsten 20 Jahre . . . . . . 189
James E. Gunn
Autorenverzeichnis 233
Index . . . . . . . . 235
Vorwort
Zuerst lag in der Dunkelheit, gehüllt in Dunkelheit,
im unerkennbaren Chaos das All verborgen.
Bis sogleich von der formlosen Leere offenkundig gemacht,
durch die große Kraft der Hitze der Keim geboren ward.
Rig Weda X.129, Sonnengesänge
Jede Kultur, von den Dichtem der alten Mythen aus dem Indu
stal bis zu den heutigen Technokraten aus dem Silicon Valley,
hat ihre eigene Vorstellung vom Kosmos. Das Rätsel um die
Entstehung des Weltalls, die Schönheit seiner scheinbaren Voll
kommenheit und der Schrecken seines ungewissen Endes haben
seit jeher Staunen, Ehrfurcht und Angst erweckt. Kunst, Reli
gion und zuletzt die Naturwissenschaft haben das Staunen in
neue Bahnen gelenkt und dazu beigetragen, die Angst zu zer
streuen.
Die Astronomie, die älteste Naturwissenschaft und Abkömm
ling der Astrologie, ist nicht vollständig von den philosophi
schen Betrachtungen über das Weltall zu trennen. Sie beruht
zwar auf wissenschaftlichen Beobachtungen, ist mathematisch
untermauert und vertraut auf physikalische Gesetze, die als
unveränderlich gelten, doch haftet ihrer modernen Vorstellung
vom Kosmos noch immer ein wenig vom Mystizismus der
ersten Sterngucker an.
Zum Teilliegt das daran, daß die Astronomen bei ihrer Suche
nach Erkenntnissen noch immer stark beeinträchtigt sind. Fast
alle astronomische Information ist indirekt und aus zweiter Hand,
da sie auf der Analyse von Strahlung beruht, die die Erde erst nach
einer unglaublich langen Reise durch ein kaum bekanntes Medi
um erreicht. Dieses kann die Botschaften von den Sternen verzer
ren, unterbrechen und verändern. Schlimmer noch, die empfan
gene Information ist auf beklagenswerte Weise unvollständig, da
uns der Großteil der himmlischen Strahlung wegen der Erdat-
8 Die neue Kosmologie
mosphäre oder wegen unserer unzulänglichen Detektoren ver
schlossen bleibt. Außerdem sind -wie wir bei der Lektüre dieses
Buches noch erfahren werden - möglicherweise bis zu 90% der
Materie des Weltalls, aus was sie auch immer bestehen mag,
schlicht unsichtbar.
Notwendigerweise ist also vieles, was die Astronomen über
die Geschichte des Weltalls zu wissen behaupten, Spekulation
und kommt - wie einige Kritiker behaupten - der Realität auch
nicht näher als die Epen der alten Hindupriester. Doch jüngste
Fortschritte bei bodengebundenen Teleskopen und bei Welt
raumteleskopen ermöglichen zusammen mit verbesserten De
tektoren und größeren Rechenkapazitäten den Astronomen, tie
fer in den Weltraum und damit weiter zurück in die Zeit zu
blicken und sich so dem entscheidenden Augenblick der Schöp
fung immer mehr zu nähern. Gleichzeitig haben neue Ergebnis
se aus der Teilchenphysik zu Erkenntnissen über die außer
gewöhnlichen Prozesse geführt, die das Weltall in seiner Früh
phase geformt haben könnten. Trotz großer Wissenslücken
glauben die Astronomen daher, daß sie zumindest wissen, wie
- wenn auch nicht genau wann - das Weltall begann und wie
- wenn auch nicht genau wann oder ob überhaupt - es enden
könnte.
Diese Art von Information liefert den Rahmen für ein eigenes
Forschungsgebiet, die Kosmologie. Das Studium der Entstehung,
der Entwicklung und des möglichen Endes des Universums
einst Thema für Dichter und Philosophen - ist seit einem halben
Jahrhundert ein legitimes Thema für Astrophysiker.
Dieses Buch bietet anhand der Arbeiten 6 führender Kosmolo
gen einen umfassenden Überblick über unser Weltall. Seien Sie
jedoch auf einige Herausforderungen gefaßt - und auf einige
Enttäuschungen. Das Thema ist offensichtlich das großartigste in
der Naturwissenschaft, und seine Theorien, Argumente und Be
weise gehören mit zu den kompliziertesten. Gleichzeitig ist ein
Großteil der Arbeit auf diesem Gebiet noch nicht abgeschlossen.
Nur wenige der gestellten Fragen sind zu jedermanns Zufrieden
heit geklärt - und manche werden es wohl zu unseren Lebzeiten
auch nicht sein. Dieses Buch sollte am besten als ein «Bericht zur
Lage des Weltalls» angesehen werden, als eine momentane Zu-
Vorwort 9
sammenfassung, die mit größter Wahrscheinlichkeit Revisionen
unterzogen werden muß.
Das Konzept zu diesem Buch entstand Ende 1985, als drei
Astronomen vom Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics
die Ergebnisse einer 10jährigen Durchmusterung der Rotver
schiebungen (oder Fluchtgeschwindigkeiten) von etwa 2000 Ga
laxien veröffentlichten. Ihre dreidimensionale Karte von einem 6 •
breiten, tortenförmigen Ausschnitt des Himmels über der nördli
chen Halbkugel zeigte, daß die Galaxien auf den Oberflächen von
riesigen, blasenähnlichen Leerräumen zu liegen scheinen, die
zum Teil Durchmesser von mehr als 100 Millionen Lichtjahren
besitzen. Diese dramatische Entdeckung fand großes Interesse in
der Öffentlichkeit, wahrscheinlich weil sie die Vorstellung von
einem Seifenblasen-Universum heraufbeschwor. Was jedoch
wichtiger war, diese Entdeckung warf ernsthafte Fragen zur herr
schenden wissenschaftlichen Meinung über die großräumige
Struktur des Weltalls auf.
Seit über 10 Jahren veranstalten das Harvard-Smithsonian
Center und das Boston Museum of Science gemeinsam eine
öffentliche Vorlesungsreihe über Astronomie, die zum Teil vom
Lowell Institute unterstützt wird. Nach dem gerade veröffent
lichten «Ausschnitt des Weltalls» war es naheliegend, dieses
Thema der modernen Kosmologie zum Gegenstand der Vorle
sungsreihe im Frühjahr 1987 zu machen.
Den Rahmen für die Vorträge bildeten die Vorträge von Alan
Lightman, der die modernen kosmologischen Sichtweisen in
einen historischen und philosphischen Zusammenhang stellte,
und von James Gunn, der einen Ausblick bot auf die verbes
serten Möglichkeiten, die sich durch das Weltraumteleskop und
weitere für Weltraum und Boden geplante Instrumente ergeben
werden.
Jede Vorlesung wurde zunächst in Boston gehalten und dann
in der folgenden Woche unter der Schirmherrschaft des Smith
sonian Institution's Resident Associates Program in Washing
ton OC, wiederholt. (Die Planung der Vorträge brachte wohl
einige einzigartige logistische Probleme mit sich, da die Vortra
genden an zwei aufeinanderfolgenden Wochen erscheinen soll
ten: Vier der sechs Redner-Autoren sind «beobachtende Kosmo-
10 Die neue Kosmologie
logen», d.h. ihre theoretischen Argumente beruhen häufig auf
Beobachtungen, die sie selbst durchgeführt haben. Da die Tele
skope an den größeren Observatorien in Arizona, Hawaü und
Chile sehr umkämpft sind, sind nur wenig Astronomen bereit,
kostbare Beobachtungszeit während Perioden mit dunklem
Nachthimmel aufzugeben. Somit war dies wahrscheinlich eine
der wenigen Vorlesungsreihen, die nach Mondphasen geplant
wurde!)
Die Lowell-Vorlesungen am Boston Museum of Science wur
den von John Carr koordiniert, damals Chef des Charles-Hay
den-Planetariums und Mitbegründer dieser seit 1975 bestehen
den, überaus erfolgreichen Vorlesungsreihe. Wie immer waren
die Mitarbeiter des Planetariums bei allem eine große Hilfe, von
den Reservierungen bis zur Platzanweisung an den Vortrags
abenden. Anna Caraveli, Programmkoordinatorin des Resident
Associates Program, leitete den Washingtoner Teil der Reihe.
Ursprünglich stammte die Idee, diese Vorlesungen auch einem
Washingtoner Auditorium zugänglich zu machen, von Ross
Simons vom Smithsonian. Am Center for Astrophysics gilt mein
besonderer Dank John Hamwey und Steve Seron von der Ab
teilung für Öffentlichkeitsarbeit, die das Unternehmen mit Ab
bildungen bzw. Photographien unterstützten. Die Abteilungsse
kretärin Mary Juliano tippte einen Großteil des Manuskripts
und gab verwaltungstechnische Hilfe bei der Vorbereitung der
Vorlesungen und des Buches. Mehrere Mitglieder des Planeta
rium Advisory Committee, besonders Bart Cardon, waren in
der Frühphase der Planung der Vorlesungen sehr hilfreich.
Schließlich geht mein besonderer Dank an die Redner-Autoren,
die alle hervorragende Vorträge hielten und mir anschließend
eine nahezu perfekte Version für die Veröffentlichung lieferten.
Dies ist in jeder Beziehung ihr Buch.
Cambridge, Massachusetts
]ames Cornwell
Januar 1988
Entfernungen zu Objekten
mit hohen Rotverschiebungen
Die direkte Messung der Entfernungen von Himmelsobjekten
gehört zu den größten Herausforderungen in der Astronomie. Bei
nahen Objekten kann man geometrische Techniken anwenden,
genau wie ein Landvermesser. Doch für Sterne - außer den aller
nächsten-und ganz gewiß für alle Objekte, die außerhalb unserer
Milchstraße liegen, sind solche Methoden nicht geeignet. Zum
Glück gibt es für entfernte Objekte wie Quasare und Galaxien eine
recht praktische indirekte Methode zur Bestimmung der Entfer
nungen. Da sich das Weltall gleichförmig ausdehnt, scheinen
weiter entfernte Objekte mit größeren Geschwindigkeiten von
uns zurückzuweichen als entsprechend näher liegende. Wir kön
nen also die Entfernung einer Galaxie berechnen, indem wir
messen, wie schnell sie sich von uns wegbewegt
Die Geschwindigkeit, mit der sich ein Objekt von uns entfernt,
wird aus der Verschiebung seines Spektrums bestimmt. Durch die
Ausdehnung des Weltalls werden die Entfernungen zwischen
den Objekten gestreckt. Die Wellenlängen der von ihnen ausge
sandten Lichtstrahlen werden ebenfalls gestreckt, das Licht wird
also röter. Der Grad, um den das Licht gestreckt ist, wird in Form
einer Rotverschiebung ausgedrückt; sie ist der relative Betrag, um
den die Wellenlänge des Lichtes vergrößert ist. Die Wellenlängen
des Lichtes einer Galaxie oder eines Quasars mit der Rotverschie
bung 1 sind z.B. um 100% vergrößert; die Wellenlängenänderung
bei einem Quasar mit der Rotverschiebung 4 beträgt 400%. Die
Rotverschiebung wird mit dem Buchstaben z bezeichnet.
Um eine Rotverschiebung in eine Entfernung (ausgedrückt z.B.
in km) umwandeln zu können, muß man die Expansionsrate des
Weltalls kennen. Unglücklicherweise ist die Rate, mit dem sich
das Universum zur Zeit ausdehnt, unsicher. Die Expansionsrate,
Rubble-Konstante (H0) genannt, wird gewöhnlich in den Einheiten
Kilometer pro Sekunde (eine Geschwindigkeit) pro Megaparsec
