3.1 Bedeutung der Rotverschiebung in der Kosmologie: Expansion des Universums



In diesem Kapitel geht es um die kosmologische Rotverschiebung, deren Ursache die Expansion des Universums ist. Die Welle, die von einem Objekt ausgesandt wird, muss quer durch das auch ausdehnende Universum, um zu uns zu gelangen.
Um sich die Expansion des Universums zu veranschaulichen, kann man einen kleinen (Denk)Versuch machen.
Man stelle sich einen Luftballon, der nur zu Hälfte mit Luft gefüllt ist und auf dessen Oberfläche Münzen aufgeklebt sind, vor. Um zu zeigen, was passiert wenn das Universum expandiert, bläst man den Ballon auf, bis er voll ist.
Die Abstände zwischen den Münzen haben sich vergrößert, da sich die Oberfläche des Ballons ausgedehnt hat.
Entsprechendes passiert auch im Universum, nur, das es da nicht die Oberfläche des Ballons ist, die expandiert, sondern die Raumzeit. Sie ist das Medium, das die Galaxien und Sterne auseinandertreibt.
Zu Zeiten Einsteins war die Theorie eines expandierenden Universums verpönt, denn es liess sich mit dem Weltbild der meisten Wissenschaftler nicht vereinbaren. Als George Lemaître, anhand von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie und den Friedmann-Gleichungen, den Urknall (Big Bang) und das nicht-statische Universum theoretisch belegen konnte, geriet Einstein in den Konflikt mit seinem Weltbild von einem statischen Universum. Dieses stellte er, mit einem Zusatzterm in der allgemeinen Relativitätstheorie, wieder her.
In späteren Jahren bezeichnete er diesen Zusatzterm, "als seinen größten Fehler".
Lemaître veröffentlichte seine Theorien 1929, also in dem gleichen Jahr wie Edwin Hubble. Einige Quellen behaupten, Hubble hätte vor Lemaître die Expansion beschrieben, andere wiederum behaupten das Gegenteil. Es ist schwierig, einen "eindeutigen" Entdecker der Expansion des Universums fest zu machen.
Hubble hatte, mit Hilfe seines Kollegen Milton Humason, am Mount Wilson-Observatorium so genannte Cepheiden in Spiralnebeln untersucht.
Vesto Slipher, der um 1915 die "spektrale Rotverschiebung" bei Spiralnebeln, einem bestimmten Typ von Galaxien, entdeckt hatte, lieferte den Grundstock für die spätere Arbeit von Hubble und Humason.
Slipher fand bei 11 von 15 Galaxien Spektrallinien, die zum roten Bereich des Spektrums hin verschoben waren. Diese Rotveschiebung deutete auf eine Fluchtbewegung hin, also auf eine Expansion.
Ungefähr 10 Jahre nach Sliphers Entdeckung stellte Hubble fest, dass diese Spiralnebel Galaxien waren, die außerhalb der Milchstraße liegen. Nachdem Hubble diese Entdeckung gemacht hatte, begann er mit der systematischen Klassifizierung der Galaxien.
Diese Klassifizierung machte er 1926 publik, unter dem Titel "Extra-Galactic Nebulae".
Dabei untersuchte er, wieder mit Unterstützung seines Kollegen Milton Humason, die Spektren der Galaxien und entdeckte dabei, dass die Rotverschiebung proportional zu der Entfernung ist (Hubble-Gesetz). Um die Entfernungen der Galaxien zu bestimmen, nutzte Hubble Cepheiden als Standardkerzen.
1929 veröffentlichte er eine Arbeit, unter dem Titel "A RELATION BETWEEN DISTANCE AND RADIAL VELOCITY AMONG EXTRA-GALACTIC NEBULAE", in dieser Veröffentlichung kommt das Hubble-Gesetz vor, welches besagt, dass bei einer Galaxie eine Proportionalität zwischen Rotverschiebung und Entfernung auftritt.
Mathematisch formuliert, lautet das Hubble-Gesetz:

cz = H0d


cz ist hier die Fluchtgeschwindigkeit, die sich aus der Lichtgeschwindigkeit c und der Rotverschiebung z zusammensetzt.
H0 ist die Hubble-Konstante
d ist die Entfernung der Galaxie

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