Das Alter des Universums

Hubble und die Expansion des Universums

Der nächste große Sprung für das Verständnis des Alters des Universums war die Entdeckung von dessen Expansion durch den Amerikaner Edwin Hubble.

Hubbles erster astronomischer Erfolg war der Nachweis, dass es andere Galaxien außerhalb der Milchstraße gibt. Mit Hilfe des Teleskops am Mount Wilson Observatory, außerhalb von Pasadena, konnte Hubble beweisen, dass die sogenannten "Nebelwolken" eigentlich ferne Galaxien waren, wie bereits Immanuel Kant vermutet hatte.

Im Jahr 1929 veröffentlichte Hubble die Daten, die das heute nach ihm benannte Gesetz begründen sollten.2 Durch die Messung der Rotverschiebung des Lichtes konnte Hubble zeigen, dass eine Galaxie desto schneller von uns wegfliegt, je entfernter sie ist. Die Deutung des Phänomens war nicht klar, bis die Relativisten diese Messungen als Nachweis der Expansion des Universums deuten konnten. Einstein selbst besuchte das Mount Wilson Observatory. Hubble konnte jedoch jahrelang nicht von der Expansion des Universums überzeugt werden.

Erste Bestimmung durch Hubble des linearen Gesetztes zwischen Geschwindigkeit mit der sich Galaxien von uns entfernen (in Km/s) relativ zu ihrem Abstand von uns (in Megaparsec). Grafik: TP

Durch das Hubble-Gesetz konnten die Physiker zum ersten Mal ernsthaft versuchen, das Alter des Universums zu bestimmen. Wenn die Expansion des Universums durch den Hubble-Parameter gemessen wird, dann wissen wir, wie schnell sich das Universum "aufbläht". Rechnet man zurück bis zu der Stelle, wo das Universum an einem Punkt konzentriert war, erhält man das Alter des Universums. Diese einfache Berechnung berücksichtigt keine zeitlichen Änderungen des Expansionstempos, ist aber eine gute erste Annäherung. Heute erhalten wir mit dem gemessenen Wert für den Hubble-Parameter ein Alter von etwa 14,4 Milliarden Jahren. Das wäre die seit dem Big Bang vergangene Zeit. Diese Zahl überschätzt das Alter des Universums, da der Hubble-Parameter nicht konstant über die Zeit bleibt und einige Korrekturen unvermeidlich sind.

Die erste Schätzung von Hubble für den Wert seines Parameters war fehlerhaft, fast um dem Faktor sieben! Mit dem von Hubble angegebenen Wert hätte man das Alter des Universums auf etwa 2 Milliarden Jahre geschätzt. Erst im Jahr 1958 kam die Bestimmung des Parameters in der Nähe des heute mit Satelliten gemessenen Wertes und seitdem reden wir von einem Universum, das um die 14 Milliarden Jahre alt ist.

Moderne Messungen des Alters des Universums

Für eine exaktere Bestimmung des Alters des Universums muss berücksichtigt werden, dass in Einsteins Theorie die Ausdehnung des Raumes in Abhängigkeit von der mittleren Dichte der Strahlung und Materie im Universum geschieht. Ein Universum, das nur Strahlung enthält, expandiert anders als ein Universum, das nur mit Materie ausgefüllt ist, oder sogar anders als ein Universum ohne Strahlung und ohne Materie (ein sogenanntes de-Sitter-Modell, wo nur eine kosmologische Konstante eine Rolle spielt).

Das alles bedeutet nur, dass der Hubble-Parameter sich mit der Zeit und in Abhängigkeit der Materie- und Strahlungsdichte des Universums ändert. Wenn man dann die notwendigen Korrekturen durchführt, landen wir bei den heute akzeptierten 13,7 Milliarden Jahre für das Alter des Universums. Es gibt zwei andere Verfahren um das Alter des Universums zu bestimmen: einerseits durch Berechnungen der Entwicklung der beobachtbaren Sterne, andererseits durch Berechnungen der Hintergrundstrahlung, eine Hinterlassenschaft des Big Bang. Da die Physiker sehr streng sein wollen, ist durch die Kombination der verschiedenen Methoden ein Alter des Universums von 13,7 (plus-minus 0,5) Milliarden Jahren ermittelt worden.

Im Falle der Sterne, insbesondere der Sonne, war Arthur Eddington wahrscheinlich der erste, der 1920 die Kernfusion als Energiequelle der Sterne vorschlug. Durch die Äquivalenz von Energie und Masse, enthalten in der berühmten Gleichung E=mc^2, war es dann denkbar, dass große Energiemengen durch die Fusion von Kernen entstehen könnten.

Die Physiker George Gamow und Carl Friedrich von Weizsäcker schlugen 1937 einen Mechanismus für die Fusion von Protonen in Sternen vor, und Hans Bethe konnte 1938 die ganze Kette der Fusionsreaktionen und das Recycling von Elementen in der Sonne erklären. Dafür erhielt er 30 Jahre später den Nobelpreis. Aber wichtiger im Sinne unserer Schilderung war, dass damit zum ersten Mal eine wissenschaftliche Grundlage für die Bestimmung des Alters der Sonne vorhanden war.

Unser hauseigenes Stern. Ein Bild der Sonne aus dem NASA Solar Dynamics Observatory. Bild: NASA / SDO / Duberstein

Durch die radiometrischen Verfahren legen wir heute die Entstehung der Erde 4,54 Milliarden Jahre zurück, was in etwa das geschätzte Alter der Sonne ist. Durch eine immer feinere Bestimmung des Hubble-Parameters3 und entsprechende Korrekturen denken wir heute, dass das sichtbare Universum die bereits erwähnten 13,7 Milliarden Jahre alt ist. Die Erde ist also etwa 30% so alt wie das Universum.

Es ist in gewissen Sinne erstaunlich, wie unsere Vorstellung der Welt in wenigen Jahrhunderten so alt und so weiträumig geworden ist. Von den von Newton geschätzten 50.000 Jahren für das Alter der Erde sind wir heute bei 4,54 Milliarden Jahren angelangt. Und die wesentlichen theoretischen Werkzeuge für die Bestimmung des Alters des Universums und des Sonnensystems, d.h. die radiometrischen Methoden, sind die Relativitätstheorie und die Kernphysik, also erst Produkte des 20. Jahrhunderts.

Das 21. Jahrhundert kann deswegen nur neue Überraschungen bereiten. Von den metaphysischen Kosmogonien vergangener Jahrhunderte mit ihren Götterschlachten sind wir bei der modernen wissenschaftlichen Kosmologie angelangt, die uns zum ersten Mal verraten kann, seit wann "wir" da sind. (Raúl Rojas)

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