Willkommen zurück zum dritten und letzten Teil von Cosmology 101. Bisher haben wir die Geschichte des Universums bis zum gegenwärtigen Moment behandelt. Aber was passiert als nächstes? Wie wird unser Universum enden? Und wie können wir so sicher sein, dass sich die Geschichte so entwickelt hat?
Robert Frost schrieb einmal: „Einige sagen, dass die Welt im Feuer enden wird; manche sagen in Eis. " Ebenso haben einige Wissenschaftler postuliert, dass das Universum entweder einen dramatischen, katastrophalen Tod sterben könnte - entweder einen „Big Rip“ oder einen „Big Crunch“ - oder einen langsameren, allmählicheren „Big Freeze“. Das ultimative Schicksal unseres Kosmos hat viel mit seiner Form zu tun. Wenn das Universum offen wäre, wie ein Sattel, und Die Energiedichte der dunklen Energie nahm ungebunden zu, die Expansionsrate des Kosmos würde schließlich so groß werden, dass sogar Atome auseinandergerissen würden - ein großer Riss. Umgekehrt, wenn das Universum wie eine Kugel geschlossen wäre, und Die Stärke der Schwerkraft übertraf den Einfluss der dunklen Energie. Die Ausdehnung des Kosmos nach außen würde schließlich zum Stillstand kommen und sich umkehren und in einer großen Krise auf sich selbst zusammenbrechen.
Trotz der poetischen Schönheit des Feuers sprechen aktuelle Beobachtungen für ein eisiges Ende unseres Universums - einen Big Freeze. Wissenschaftler glauben, dass wir in einem räumlich flachen Universum leben, dessen Expansion sich aufgrund der Anwesenheit dunkler Energie beschleunigt. Die Gesamtenergiedichte des Kosmos ist jedoch höchstwahrscheinlich kleiner oder gleich der sogenannten „kritischen Dichte“, sodass es keinen großen Riss gibt. Stattdessen wird der Inhalt des Universums irgendwann unerschwinglich weit voneinander entfernt sein und der Wärme- und Energieaustausch wird aufhören. Der Kosmos wird einen Zustand maximaler Entropie erreicht haben und kein Leben wird überleben können. Deprimierend und ein bisschen antiklimaktisch? Vielleicht. Aber es wird wahrscheinlich erst wahrnehmbar sein, wenn das Universum mindestens doppelt so alt ist wie heute.
An diesem Punkt könnten Sie schreien: „Woher wissen wir das alles? Ist das nicht alles nur grassierende Spekulation? " Zunächst einmal wissen wir ohne Zweifel, dass sich das Universum ausdehnt. Astronomische Beobachtungen zeigen immer wieder, dass das Licht entfernter Sterne immer relativ zu uns rot verschoben ist. Das heißt, seine Wellenlänge wurde aufgrund der Ausdehnung des Kosmos gedehnt. Dies führt zu zwei Möglichkeiten, wenn Sie die Uhr zurückdrehen: Entweder hat das expandierende Universum immer existiert und ist unendlich alt, oder es hat sich zu einem bestimmten Zeitpunkt in der Vergangenheit von einer kleineren Version seiner selbst ausdehnt und hat daher ein festes Alter. Befürworter der Steady-State-Theorie befürworteten lange Zeit die frühere Erklärung. Erst als Arno Penzias und Robert Wilson 1965 den kosmischen Mikrowellenhintergrund entdeckten, wurde die Urknalltheorie zur am meisten akzeptierten Erklärung für den Ursprung des Universums.
Warum? Etwas so Großes wie unser Kosmos braucht eine ganze Weile, um sich vollständig abzukühlen. Wenn das Universum tatsächlich mit der Art von blasigen Energien begann, die die Urknalltheorie vorhersagt, sollten Astronomen heute noch etwas übrig gebliebene Hitze sehen. Und sie tun es: ein gleichmäßiges 3K-Leuchten, das an jedem Punkt des Himmels gleichmäßig verteilt ist. Darüber hinaus haben WMAP und andere Satelliten winzige Inhomogenitäten im CMB beobachtet, die genau dem anfänglichen Spektrum der von der Urknalltheorie vorhergesagten Quantenfluktuationen entsprechen.
Was sonst? Schauen Sie sich die relative Häufigkeit von Lichtelementen im Universum an. Denken Sie daran, dass in den ersten Minuten des jungen Lebens des Kosmos die Umgebungstemperatur hoch genug war, um eine Kernfusion zu ermöglichen. Die Gesetze der Thermodynamik und die relative Dichte von Baryonen (d. H. Protonen und Neutronen) bestimmen zusammen genau, wie viel Deuterium (schwerer Wasserstoff), Helium und Lithium zu diesem Zeitpunkt gebildet werden könnten. Wie sich herausstellt, gibt es in unserem gegenwärtigen Universum weit mehr Helium (25%!), Als durch Nukleosynthese im Zentrum von Sternen erzeugt werden könnte. In der Zwischenzeit entsteht aus einem heißen frühen Universum - wie dem, das von der Urknalltheorie postuliert wird - das genau Proportionen von Lichtelementen, die Wissenschaftler im Space Magazine beobachten.
Aber warte, da ist noch mehr. Die Verteilung der großräumigen Struktur im Universum kann nur anhand der im CMB beobachteten Anisotropien sehr gut abgebildet werden. Darüber hinaus unterscheidet sich die heutige großräumige Struktur stark von der bei hoher Rotverschiebung, was ein dynamisches und sich entwickelndes Universum impliziert. Zusätzlich scheint das Alter der ältesten Sterne mit dem Alter des Kosmos übereinzustimmen, das durch die Urknalltheorie gegeben ist. Wie jede Theorie hat sie ihre Schwächen - zum Beispiel das Horizontproblem oder das Ebenheitsproblem oder die Probleme der dunklen Energie und der dunklen Materie; Insgesamt stimmen astronomische Beobachtungen jedoch weitaus besser mit den Vorhersagen der Urknalltheorie überein als jede konkurrierende Idee. Bis sich dies ändert, scheint die Urknalltheorie hier zu bleiben.
