Wie wird das Alter des Universums gemessen?

Das Alter des Universums: 13,8 Milliarden Jahre

Eine Schätzung aus der Kosmologie

Die Behauptung des Alters des Universums stützt sich auf mehrere Beobachtungen und physikalische Theorien, die es ermöglichen, das sogenannte "kosmologische Alter" abzuschätzen. Diese Schätzung stammt hauptsächlich aus dem Verständnis der physikalischen Gesetze, der Eigenschaften der Expansion des Universums und der kosmischen Hintergrundstrahlung. Wie wird dieses Alter bestimmt?

Die Urknalltheorie

Das Urknallmodell

Die grundlegende Idee hinter dem Alter des Universums beruht auf dem kosmologischen Urknallmodell, das besagt, dass das Universum vor etwa 13,8 Milliarden Jahren in einem extrem dichten und heißen Zustand begann. Die Entwicklung des Universums seit diesem Moment, insbesondere seine Expansion, wird durch die Gleichungen von Einsteins allgemeiner 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 bezieht sich auf die Geometrie der Raumzeit, die durch die Verteilung der Materie und der Energie im Universum beeinflusst wird, die durch die rechte Seite der Gleichung dargestellt wird. Alle Lösungen dieser Gleichung sind mögliche Raumzeit-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 bestimmten 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?

Ein mit der Beobachtung kompatibles Modell wählen

Es muss eine Näherungslösung gewählt werden, die mit der Beobachtung übereinstimmt, das heißt ein gutes mathematisches Modell, das der Beschreibung des Kosmos entspricht, abhängig von der Genauigkeit unserer Messungen.

Die Expansion des Universums

Das Hubble-Lemaître-Gesetz

Einer der ersten soliden Beweise für die Expansion des Universums stammt aus der Beobachtung der Rotverschiebung entfernter Galaxien. Das 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, auf die Zeit zurückzugehen, als diese Galaxien an einem einzigen Punkt konzentriert waren, was den Beginn des Universums markiert. Durch die Messung dieser Expansion (70 Kilometer pro Sekunde pro Megaparsec, der in den Berechnungen verwendete Durchschnitt) können Kosmologen die seit dem Urknall vergangene Zeit berechnen.

Die kosmische Hintergrundstrahlung (CMB)

Die fossile Strahlung

Die CMB, oder fossile Strahlung, ist eine Form elektromagnetischer Strahlung, die etwa 380.000 Jahre nach dem Urknall emittiert wurde, als das Universum genügend abgekühlt war, um Elektronen und Protonen die Kombination zu ermöglichen und Wasserstoffatome zu bilden. Diese überall im Universum beobachtete Strahlung enthält Informationen über den Zustand des Universums in diesen frühen Epochen. Präzise Messungen der CMB, insbesondere die von Satelliten wie WMAP oder Planck gewonnenen, liefern Hinweise auf die Struktur des frühen Universums und ermöglichen es, die kosmologischen Parameter wie die Dichte der Materie und der Energie und damit das Alter des Universums einzuschränken.

Standardkosmologisches Modell (ΛCDM)

Das ΛCDM-Modell

Das aktuelle kosmologische Modell, genannt ΛCDM-Modell (Lambda Cold Dark Matter), beschreibt die Entwicklung des Universums in Abhängigkeit von Materie, dunkler Energie und allgemeiner Relativitätstheorie. Unter Verwendung von Beobachtungen wie der Rotverschiebung der Galaxien, der Verteilung der Materie im Universum und der CMB können Kosmologen ein Alter des Universums mit "großer 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 auf großen Skalen beschreiben.

Indirekte Methoden und Modelle der Sternentwicklung

Alte Sterne als Einschränkung

Ein anderer Ansatz besteht darin, die Entwicklung stellarer Objekte und Sternhaufen zu untersuchen. Die ältesten Sterne, wie die in Kugelsternhaufen, bieten eine zusätzliche Einschränkung für das Alter des Universums. Wissenschaftler können das Alter dieser Sterne schätzen, indem sie ihre chemische Zusammensetzung untersuchen und ihre Sternentwicklung modellieren. Diese Altersschätzungen liefern, obwohl weniger präzise als die auf der CMB und der Expansion des Universums basierenden, untere Grenzen für das Alter des Universums.

Fazit

Eine dynamische Raumzeit

Die Raumzeit unseres Universums ist eine dynamische Lösung der Gleichung der allgemeinen Relativitätstheorie. Sie ist keine statische Lösung, sondern eine expandierende Lösung, bei der die Eigenschaften der Raumzeit mit der Zeit in Abhängigkeit von der Entwicklung der Dichte der Materie und der Energie variieren. Mit anderen Worten, unsere Raumzeit (die, die wir beobachten) ist eine evolutionäre Lösung, die sich aus der Verteilung der Materie und der Energie im Universum gemäß der allgemeinen Relativitätstheorie ergibt.