Quelltext der Seite Expansion des Universums

[[Datei:Expansion des Universums.png|mini|Entwicklungsstadien des Universums (nur zur Illustration, nicht maßstäblich)]]
Als '''Expansion des Universums''' wird die von Beobachtungen abgeleitete Zunahme der räumlichen Ausdehnung des [[Universum]]s bezeichnet. Diese wird über die stetige Zunahme der Entfernung weit voneinander entfernter Objekte im Raum definiert. Dabei ist die absolute Expansionsgeschwindigkeit ''v&nbsp;=&nbsp;D·H'' gemäß dem [[Hubble-Konstante|Hubble-Parameter]] ''H'' in einem bestimmten Abstand ''D'' nach dem Hubble-Gesetz von der relativen Expansion in [[Entfernungsmaß#Mitbewegte Entfernung|mitbewegten Entfernungen]] zu unterscheiden, das ist die Geschwindigkeit der Änderung des [[Skalenfaktor|Skalenfaktors]] ''ȧ&nbsp;=&nbsp;H·a''. Meist wird nur von dieser skalierten Expansion gesprochen.

In Übereinstimmung mit der [[Urknall]]-Theorie hat sich die Expansion des Universums nach der anfänglichen [[Inflation (Kosmologie)|Inflation]] in den ersten Milliarden Jahren seiner Existenz verlangsamt. Seitdem nimmt die relative Ausdehnungsgeschwindigkeit zu. Die Erklärung dieser beobachteten beschleunigten Expansion ist Gegenstand aktueller Forschung und hat zum Konzept der [[Dunkle Energie|Dunklen Energie]] geführt. Die absolute Expansionsgeschwindigkeit wird hingegen weiterhin durch die Gravitation abgebremst und sich nach dem Konzept der Dunklen Energie asymptotisch einem konstanten Endwert nähern.

:<math>H \rightarrow c\sqrt{\Lambda/3} </math>

== Entdeckungsgeschichte ==
[[Albert Einstein]] und [[Willem de Sitter]] beschrieben 1917 zum ersten Mal das Universum mit dem Formalismus der allgemeinen [[Relativitätstheorie]]. Allerdings beschrieben sie ein statisches, immer gleichbleibendes Universum. Die Beschreibung von de Sitter erwies sich später als falsch. [[Alexander Alexandrowitsch Friedmann|Alexander Friedmann]] gab 1922 die erste relativistische Beschreibung eines expandierenden oder auch kontrahierenden Universums ([[Friedmann-Gleichungen]]) an. Diese Publikation wurde allerdings kaum zur Kenntnis genommen.

Der amerikanische Astronom [[Vesto Slipher]] fand 1912 als Erster die [[Rotverschiebung]] der Spektrallinien des [[Licht]]s weit entfernter [[Galaxie]]n. [[Edwin Hubble]] publizierte 1925 die Distanz zu [[M 31]], dem Nebel in [[Andromeda (Sternbild)|Andromeda]], die ganz eindeutig zeigte, dass M 31 weit außerhalb der Milchstraße liegt, 1926 publizierte er Distanzen zu weiteren Galaxien.

Die Expansion des Universums wurde 1927 vom Belgier [[Georges Lemaître]] entdeckt. Er entdeckte, was vor ihm schon Friedmann gefunden hatte, dass die Grundgleichungen der [[Relativitätstheorie]] ein dynamisches Universum ergeben. Aus der beobachteten '''Galaxienflucht''' schloss er, dass das Universum expandiert. Er verband Sliphers Rotverschiebungen von [[Galaxie]]n mit Hubbles Distanzen. In seiner Publikation in den ''Annales de la Société Scientifique de Bruxelles'' im Jahr 1927 gab Lemaître auch bereits die später als '''Hubble-Gesetz''' bekannt gewordene Beziehung <math>v= H\sdot r</math> an, mit einem Wert für die sogenannte [[Hubble-Konstante]] <math>H_0</math>, der im Jahr 1929 durch die Arbeiten von Hubble weitgehend bestätigt wurde. [[Internationale Astronomische Union|IAU]]-Mitglieder haben sich im Oktober 2018 mehrheitlich dafür ausgesprochen, das Gesetz zukünftig '''Hubble-Lemaître-Gesetz''' zu nennen.<ref>Elizabeth Gibney: ''Belgian priest recognized in Hubble law name change.'' In: ''Nature News.'' 30. Oktober 2018, [[doi:10.1038/d41586-018-07234-y]].</ref>

Lemaître betonte, dass die „Flucht“ der Galaxien (im Kontext der [[Shapley-Curtis-Debatte]] auch mit dem heute nicht mehr verwendeten Begriff „Nebelflucht“ bezeichnet) nicht als Bewegung in einem fixen Raum zu verstehen sei, sondern, im Sinn der [[Allgemeine Relativitätstheorie|allgemeinen Relativitätstheorie]], als Expansion des Raumes selbst.

Hubble selbst fand die Beziehung <math>v=H\sdot r</math>, also die Beziehung zwischen den Distanzen der Galaxien und den als Geschwindigkeiten gedeuteten Rotverschiebungen <math>v</math> ([[Dopplereffekt]]), im Jahr 1929. Das deutete er allerdings nicht als Expansion des Universums, sondern im Sinn von de Sitters 1917 vorgeschlagenem Modell eines statischen Universums. Hubble hat das Modell des expandierenden Universums nie vertreten und&nbsp;– nach seinen Publikationen zu schließen&nbsp;– vermutlich auch nie daran geglaubt.

Hatte Einstein noch in seinen Theorien ein statisches Universum postuliert, revidierte er angesichts dieser damals neuen Theorie des expandierenden Raumes seine Auffassung. So hatte Einstein eine [[kosmologische Konstante]] in die [[Einsteinsche Feldgleichungen|Feldgleichungen]] eingeführt, um statische Lösungen des Universums zu erhalten. Diese Lösungen der Struktur des Universums waren jedoch [[Stabilitätstheorie|instabil]]. Einstein bezeichnete die Idee einer kosmologischen Konstanten später laut [[George Gamow]] als die „größte Eselei meines Lebens“.<ref>J.-P. Luminet: ''The Rise of Big Bang Models, from Myth to Theory and Observations.'' {{arXiv|0704.3579}}.</ref>

== Forschungsstand ==
[[Datei:Mplwp universe scale evolution.svg|mini|Mögliche Entwicklungen der Größe des Universums in Vergangenheit und Zukunft für eine gegebene aktuelle Expansionsrate H<sub>0</sub> werden durch die Friedmann-Gleichung beschrieben. Der zutreffende Fall ist das ΛCDM-Modell (magenta).]]
{{Hauptartikel|Kosmologie}}
Laut der heute gängigsten Theorie ist die kosmologische Rotverschiebung kein Dopplereffekt im eigentlichen Sinne, sondern beruht auf der allgemeinen zeitlichen Zunahme von Abständen im Universum. Dies führt zu der Annahme des [[Urknall]]s, da die Abstände zwischen den Galaxien in diesem Modell zu einem endlichen Zeitpunkt in der Vergangenheit verschwinden und daher ein Zustand unendlich hoher Dichte vorliegt.

Lange Zeit war unklar, ob die Expansion
* unendlich fortdauern wird (offenes Universum);
* immer langsamer wird, aber dennoch einen [[Asymptote|asymptotischen]] Grenzzustand erreichen wird (ebenes Universum);
* irgendwann zum Stillstand kommt und wieder in eine Kontraktion übergeht (geschlossenes Universum).

1998 veröffentlichte Beobachtungen weit entfernter [[Supernova vom Typ Ia|Supernovae vom Typ Ia]] im Rahmen des [[Supernova Cosmology Project]] und [[High-Z Supernova Search Team]], für deren Auswertung die Astronomen [[Saul Perlmutter]], [[Brian P. Schmidt]] und [[Adam Riess]] den Nobelpreis für Physik des Jahres 2011 zugesprochen bekamen,<ref name="Perlmutter">[https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2011/ ''The Nobel Prize in Physics 2011.''] Auf: ''nobelprize.org.'' Abgerufen am 5.&nbsp;Oktober 2011.</ref> zeigen, dass die relative Expansion des Universums heute ''beschleunigt'' abläuft. Diese Ergebnisse stimmen überein mit Untersuchungen der [[Kosmischer Mikrowellenhintergrund|kosmischen Hintergrundstrahlung]], beispielsweise mittels [[Wilkinson Microwave Anisotropy Probe|des WMAP-Satelliten]]. Als Ursache wird [[Dunkle Energie]] angenommen, eine Verallgemeinerung der kosmologischen Konstante. Dunkle Energie konnte bislang nicht direkt nachgewiesen werden; ihre einzigen derzeit beobachtbaren Auswirkungen beziehen sich auf die Expansion des Universums sowie die geringe Krümmung des Universums.

Die Beschleunigung der Expansion wird mit dem [[Lambda-CDM-Modell]] beschrieben. 

Eine andere Hypothese zur Entstehung der Rotverschiebung ist die der abstandsabhängigen ''[[Lichtermüdung|Photonen-Alterung]]''. Sie kam mit der Quantentheorie auf und lehnte sich an das Teilchenbild des Lichts an, gilt heute jedoch als widerlegt.

Aus einigen Beobachtungen, die im Rahmen der normalen [[Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker-Metrik]] nicht verstanden werden können, schließt man auf eine Phase exponentieller Expansion in der Frühzeit des Universums. Diese Expansionstheorien werden [[Inflation (Kosmologie)|Inflationstheorien]] genannt.

Es werden auch Erklärungsversuche im Rahmen der [[Allgemeine Relativitätstheorie|allgemeinen Relativitätstheorie]] untersucht.<ref>{{Literatur |Autor=David L. Wiltshire |Titel=Gravitational energy as dark energy: cosmic structure and apparent acceleration |Datum= |Sprache=en |arXiv=1102.2045v1}}</ref><ref>{{Literatur |Autor=David L. Wiltshire |Titel=Cosmic clocks, cosmic variance and cosmic averages |Datum= |Sprache=en |arXiv=gr-qc/0702082}}</ref> In Theorien mit [[Gravitation#Massive_Gravitation|massiver Gravitation]] ist die Stärke der Gravitation auf großen Skalen reduziert, sodass eine Erklärung der beschleunigten Expansion ohne Dunkle Energie denkbar ist.<ref>{{Literatur |Autor=Hannah Devlin, Hannah Devlin Science correspondent |Titel=Has physicist's gravity theory solved 'impossible' dark energy riddle? |Sammelwerk=The Guardian |Datum=2020-01-25 |ISSN=0261-3077 |Online=https://www.theguardian.com/science/2020/jan/25/has-physicists-gravity-theory-solved-impossible-dark-energy-riddle |Abruf=2025-04-15}}</ref><ref>{{Internetquelle |url=https://www.spektrum.de/news/claudia-de-rham-entschluesselt-die-raetsel-der-schwerkraft/2259673 |titel=Massive Gravitation: Geisterjägerin knackt das größte Rätsel der Kosmologie |sprache=de |abruf=2025-04-15}}</ref>

== Siehe auch ==
* [[Beobachtbares Universum]]

== Literatur ==
* Charles H. Lineweaver, Tamara M. Davis: ''Der Urknall – Mythos und Wahrheit.'' In: ''Spektrum der Wissenschaft.'' Mai 2005, S.&nbsp;38–47, {{ISSN|0170-2971}}.
* Harry Nussbaumer: ''Achtzig Jahre expandierendes Universum.'' In: ''Sterne und Weltraum.'' Band&nbsp;46, Heft&nbsp;6, 2007, S.&nbsp;36–44, {{ISSN|0039-1263}}.
* Harry Nussbaumer: ''Das Weltbild der Astronomie.'' 2. erw. und akt. Auflage, vdf Hochschulverlag, 2007, ISBN 978-3-7281-3106-5.
* Harry Nussbaumer, Lydia Bieri: ''Discovering the Expanding Universe.'' Cambridge University Press, 2009, ISBN 978-0-521-51484-2.

== Weblinks ==
* Otto Wöhrbach: [https://www.spektrum.de/news/wer-entdeckte-die-expansion-des-alls-wirklich/1612382 ''Wer entdeckte die Expansion des Alls wirklich?''] ''Spektrum.de'' 12. Dezember 2018
* Jolene Creighton: [https://www.sciencealert.com/the-inevitable-abyss-each-year-we-lose-yet-another-section-of-the-universe ''The Inevitable Abyss: Each Year, We Lose Yet Another Section of The Universe''], auf science<sup>alert</sup> vom 29. Mai 2020 (englisch)

== Einzelnachweise ==
<references />

[[Kategorie:Kosmologie (Physik)]]
[[Kategorie:Allgemeine Relativitätstheorie]]