Allgemein, Astronomie, Nobelpreis

Theoretische Entdeckungen in der physikalischen Kosmologie {Physik Nobelpreis 2019}

Weiter geht es mit der Reihe zum Nobelpreis und heute dreht sich hier alles um meinen persönlichen Favoriten: Physik!

The Nobel Prize in Physics 2019 was awarded „for contributions to our understanding of the evolution of the universe and Earth’s place in the cosmos“ with one half to James Peebles „for theoretical discoveries in physical cosmology“, the other half jointly to Michel Mayor and Didier Queloz „for the discovery of an exoplanet orbiting a solar-type star.“

Die erste Hälfte des diesjährigen Physik Nobelpreises geht an James Peebles für theoretische Entdeckungen in der physikalischen Kosmologie. Aber was heißt das und was genau hat er entdeckt? Genau darum geht es heute! Kurz gesagt gilt James Peebles als einer der führenden Köpfe, die uns das „kosmologische Standardmodell“ gebracht haben. Kern dieses Modells ist die Entwicklung des Universums und seine Bestandteile.

Peebles ist Theoretiker durch und durch und auch seine jetzt ausgezeichnete Arbeit ist in erster Linie theoretischer Natur, obwohl sie ganz konkrete Schlüsse und Erkenntnisse bereit hielt und hält. Als Kosmologe beschäftigt er sich bereits seit den 1960er Jahren mit dem Ursprung und der Entwicklung des Universums. Heutzutage erscheint uns (oder zumindest mir) das als eine ganz natürliche Wissenschaft, aber tatsächlich haben wir auch genau diese wissenschaftliche, berechenbare Seite der Kosmologie nicht zuletzt Peebles zu verdanken. Er motivierte durch seine Arbeit viele andere Wissenschaftler, auch in der Kosmologie Beobachtungen und Messungen in ihre Arbeit einfließen zu lassen – ebenfalls etwas, das aus heutiger Sicht selbstverständlich erscheint.

Bis in die 1920er Jahre waren die meisten davon überzeugt, dass das Universums stationär und unveränderlich sei. Schon Einstein hatte 1916 in seiner Allgemeinen Rlativitätstheorie vorhergesagt, dass dem nicht so sei und Astronomen entdeckten dann in den 20ern, dass die Galaxien tatsächlich auseinander driften. Das Universum expandiert und bleibt nicht immer gleich. Einstein hatte in seine Gleichung die kosmologische Konstante eingebaut, die als eine Art Gegengewicht zur Gravitation wirken sollte, sodass das Universum still stünde. Nach der Beobachtung der Expansion bezeichnete er dies als die „größte Eselei seines Lebens“. Später sollte die kosmologische Konstante dann aber doch noch einmal gebraucht werden, insbesondere für die Arbeiten von James Peebles.

Direkt nach dem Urknall war das Universum sehr dicht und sehr heiß! Etwa nach 400.000 Jahren war das Universum dann so weit abgekühlt und expandiert, dass die Temperatur auf ein paar tausend Grad abgekühlt war. Dadurch wurde es möglich, dass Photonen sich frei bewegen konnten und Lichtstrahlen sich durch das All bewegen konnten. Durch die weitere Expansion wurde das Licht immer weiter gestreckt, bis es zu unsichtbarer Mikrowellenstrahlung wurde. Peebles hatte bereits theoretische Berechnungen über diese Strahlung angestellt, wodurch es Arno Penzias und Robert Wilson gelang, ihre Beobachtungen genau dieser Strahlung im Jahre 1964 richtig zu interpretieren – dafür bekamen sie bereits 1978 den Nobelpreis. Noch spannender als die Entdeckung an sich war aber die Erkenntnis von Peebles, dass die Temperatur der kosmologischen Hintergrundstrahlung Informationen darüber enthalten könnte, wieviel Materie beim Urknall entstanden war.

Schon seit den 1930er Jahren war bekannt, dass es im Universum mehr geben müsste, als wir sehen können. Durch Messungen von Rotationen von Galaxien war klar, dass sie durch Gravitation von einer unsichtbaren Materie zusammengehalten werden mussten. 1982 führte Peebles schließlich sogenannte „kalte dunkle Materie“ ein, die genau die geforderten Eigenschaften hatte und laut Berechnungen 26 % des ganzen Kosmos‘ ausmachen müsste.

Eine weitere, für Astrophysiker wichtige, Frage ist: Ist das Universum flach? Das heißt: Kreuzen sich zwei parallele Geraden jemals oder nicht? Die Antwort, die sowohl theoretische Untersuchungen, als auch Mesungen der kosmischen Hintergrundstrahlung ganz klar geben, lautet: Ja, das Universum ist flach! Diese Erkenntnis führte allerdings zu einem neuen Problem: Nach Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie hängt die Geometrie des Universums untrennbar mit der Gravitation zusammen. Je mehr Masse und Energie das Universum enthält, umso gekrümmter ist es. Um nun genau die passenden Werte für das flache Universum zu bekommen, fehlten unfassbare 69 % an Masse oder Energie. Wieder war es Peebles, der die Lösung fand und quasi Einsteins kosmologische Konstante reanimierte, die die Energie des leeren Raumes bezeichnet hatte. Umbenannt in Dunkle Energie war sie zwar weiterhin unbeobachtet, müsste aber 69 % des Universums füllen. Bis 1998 war die Dunkle Energie reine Theorie, dann wurde entdeckt, dass das Universum sich nicht nur ausdehnt, sondern dass die Expansion immer weiter beschleunigt wird. (Dafür gab es den Nobelpreis 2011 für Saul Perlmutter, Brian Schmidt und Adam Riess.) Um diese Beschleunigung zu realisieren musste etwas, was keine Materie war, den Kosmos auseinanderdrücken: Die Dunkle Energie!

Ich persönlich finde es extrem spannend, an wie vielen zentralen, spannenden und aktuellen Fragen und Entdeckungen James Peebles beteiligt war! Viele der Themen sind absolut natürlich für uns geworden. Gleichzeitig sind die Erforschung der Dunklen Energie und Materie gefühlt noch in den Kinderschuhen! Hierzu werden künftige Astrophysiker noch vieles entdecken können! Ich bin gespannt, wie die Entwicklung weitergehen wird!

 

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Quellen & noch mehr Infos:
Press Release
Popular Science Background
Scientific Background
Die Architekten unseres Weltbildes

2 Gedanken zu „Theoretische Entdeckungen in der physikalischen Kosmologie {Physik Nobelpreis 2019}“

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