Wie wird das Alter des Universums gemessen?

Bildbeschreibung: Visualisierung der Expansion des Universums seit dem Urknall. Bildquelle:astronoo.com

Alter des Universums: 13,8 Milliarden Jahre

Die Behauptung des Alters des Universums basiert auf mehreren Beobachtungen und physikalischen Theorien, die es ermöglichen, abzuschätzen, was man „das kosmologische Zeitalter". Diese Schätzung beruht hauptsächlich auf dem Verständnis der Gesetze der Physik, der Eigenschaften der Expansion des Universums und der kosmischen Hintergrundstrahlung. Wie wird dieses Alter bestimmt?

Die Urknalltheorie

Die Grundidee hinter dem Alter des Universums basiert auf demkosmologisches Modell des Urknalls, was darauf hindeutet, dass das Universum vor etwa 13,8 Milliarden Jahren in einem extrem dichten und heißen Zustand begann. Die Entwicklung des Universums seit dieser Zeit, insbesondere seine Expansion, wird durch Einsteins Gleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie beschrieben.

$$ R_{\mu\nu} - \frac{1}{2}g_{\mu\nu}R + g_{\mu\nu}\Lambda = \frac{8 \pi G}{c^4} T_{\mu\nu} $$

Die linke Seite der Gleichung hängt mit der zusammenRaum-Zeit-Geometrie, die von der beeinflusst wirdVerteilung von Materie und Energieim Universum, das durch die rechte Seite der Gleichung dargestellt wird. Alle Lösungen dieser Gleichung sind mögliche Raum-Zeit-Geometrien (Universen). Gibt es eine Raumzeit, die unserem Universum entspricht?

Die Gleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie sind komplexe nichtlineare partielle Differentialgleichungen, und obwohl es möglich ist, sie in einigen sehr spezifischen Fällen zu lösen, gibt es keine exakte allgemeine Lösung für alle möglichen Konfigurationen von Materie und Energie.

Was ist die richtige Geometrie des beobachtbaren Universums?

Abhängig von der Genauigkeit unserer Messungen müssen wir eine Näherungslösung entsprechend der Beobachtung wählen, also ein gutes mathematisches Modell, das der Beschreibung des Kosmos entspricht.

Die Expansion des Universums

Einer der ersten soliden Beweise für die Expansion des Universums war die Beobachtung der Rotverschiebung entfernter Galaxien. Dies bedeutet, dass sich diese Galaxien mit einer Geschwindigkeit von uns entfernen, die proportional zu ihrer Entfernung ist, ein Phänomen, das durch das 1929 veröffentlichte Hubble-Lemaître-Gesetz beschrieben wird. Die Beziehung zwischen der Entfernung der Galaxien und ihrer Fluchtgeschwindigkeit ermöglicht es uns, in die Zeit zurückzukehren, als diese Galaxien an einem einzigen Punkt konzentriert waren und den Beginn des Universums markierten. Durch die Messung dieser Ausdehnung (70 Kilometer pro Sekunde pro Megaparsec, was dem in den Berechnungen verwendeten Durchschnitt entspricht) können Kosmologen die seit dem Urknall vergangene Zeit berechnen.

Kosmische Hintergrundstrahlung (CMB)

CMB oder fossile Strahlung ist eine Form elektromagnetischer Strahlung, die etwa 380.000 Jahre nach dem Urknall emittiert wurde, als das Universum kühl genug wurde, um Elektronen und Protonen zu ermöglichen, sich zu verbinden und Wasserstoffatome zu bilden. Diese überall im Universum beobachtete Strahlung enthält Informationen über den Zustand des Universums zu diesen frühen Zeiten. Präzise Messungen des CMB, insbesondere durch Satelliten wie WMAP oder Planck, liefern Hinweise auf die Struktur des frühen Universums und ermöglichen die Eingrenzung kosmologischer Parameter wie der Dichte von Materie und Energie und damit des Alters des Universums.

Kosmologisches Standardmodell (ΛCDM)

Das aktuelle kosmologische Modell namens ΛCDM-Modell (Lambda Cold Dark Matter) beschreibt die Entwicklung des Universums auf der Grundlage von Materie, dunkler Energie und allgemeiner Relativitätstheorie. Anhand von Beobachtungen wie der Rotverschiebung von Galaxien, der Verteilung der Materie im Universum und dem CMB können Kosmologen das Alter des Universums mit „hoher Präzision“ berechnen. Diese Berechnungen basieren auf der Lösung der Friedmann-Gleichungen, die aus den Gleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie abgeleitet sind und die Entwicklung des Universums im großen Maßstab beschreiben.

Indirekte Methoden und Modelle der Sternentwicklung

Ein anderer Ansatz besteht darin, die Entwicklung stellarer Objekte und Sternhaufen zu untersuchen. Die ältesten Sterne, beispielsweise die im Kugelsternhaufen, stellen eine zusätzliche Einschränkung für das Alter des Universums dar. Wissenschaftler können das Alter dieser Sterne abschätzen, indem sie ihre chemische Zusammensetzung untersuchen und ihre Entwicklung modellieren. Diese Altersschätzungen sind zwar weniger präzise als die auf dem CMB und der Expansion des Universums basierenden Schätzungen, liefern jedoch niedrigere Grenzen für das Alter des Universums.

Abschluss

Die Raumzeit unseres Universums ist eine dynamische Lösung der Gleichung der Allgemeinen Relativitätstheorie. Es handelt sich nicht um eine statische Lösung, sondern um eine expandierende Lösung, bei der sich die Eigenschaften der Raumzeit je nach Entwicklung der Materiedichte und -energie mit der Zeit ändern. Mit anderen Worten: Unsere Raumzeit (die, die wir beobachten) ist eine evolutionäre Lösung, die sich aus der Verteilung von Materie und Energie im Universum gemäß der allgemeinen Relativitätstheorie ergibt.