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KOSMOLOGIE
Bessere Daten in der Vergangenheit
von Stefan Deiters
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23. Mai 2012

Zu welchem Zeitpunkt müsste man als Kosmologe das Universum beobachten, um möglichst viel über seine frühe Entwicklung zu erfahren? Dieser Fragestellung hat sich nun ein amerikanischer Astronom angenommen und ist zu einem verblüffenden Resultat gelangt: Die besten Daten hätte man vor über 13 Milliarden Jahren gewinnen können - in einer Epoche, die auch heute noch zugänglich ist.

Erste Sterne

Die besten kosmologischen Beobachtungen wären zu einer Zeit möglich gewesen, in der gerade die ersten Sterne entstanden. Bild: Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics

Unser Universum ist ein äußerst komplexes Gebilde, in dem sich in den vergangenen 13,7 Milliarden Jahren aus den anfänglichen geringen Dichtevariationen gewaltige Strukturen wie Galaxien, Galaxienhaufen und Galaxien-Superhaufen gebildet haben. Durch Beobachtung dieser großräumigen kosmischen Strukturen und durch Analyse der Strahlung, die uns aus der Frühphase des Universums erreicht, versuchen sich  Kosmologen ein Bild davon zu machen, wie unser Weltall ursprünglich einmal ausgesehen hat und wie es zu dem wurde, was es heute ist.

Doch zu welchem Zeitpunkt in der Geschichte des Universums hätte man als Kosmologe leben müssen, um möglichst viel über unser Weltall zu erfahren? Ist heute der beste Zeitpunkt, liegt er einige Milliarden Jahre in der Zukunft oder ist er bereits verstrichen? Der Kosmologe Avi Loeb vom Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics hat sich mit dieser Frage beschäftigt und ist zu einem überraschenden Resultat gekommen: Der beste Zeitpunkt wäre rund 500 Millionen Jahre nach dem Urknall gewesen, also vor über 13 Milliarden Jahren.

Je weiter die Entwicklung des Universums fortschreitet, so die Analyse Loebs, desto mehr Informationen über das frühe Universum gehen verloren. Aussichtslos ist die kosmologische Forschung deshalb aber heute noch nicht: "Ich bin froh, ein Kosmologe in einer kosmischen Epoche zu sein, in der sich noch immer einige Hinweise über die Anfangszeit des Universums entdecken lassen", so Loeb.

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Bei der Bestimmung des optimalen Zeitpunkts gilt es, zwei konkurrierende Entwicklungen gegeneinander abzuwägen: Im jungen Universum kann man nicht so weit in seine Umgebung schauen, da das Licht - aufgrund seiner begrenzten Geschwindigkeit - ja noch nicht so viel Zeit hatte, den Beobachter auf seiner Welt zu erreichen. Der kosmologische Horizont ist als kleiner. Das ändert sich dann mit zunehmendem Alter, wenn auch das Licht aus entfernteren Regionen langsam sichtbar wird.

Gleichzeitig entwickelt sich das Universum aber auch weiter. Es entstehen gravitativ aneinander gebundene Objekte und diese zerstören auf kleinen Skalen die Erinnerung an die ursprünglichen Bedingungen. Während sich also die "Sicht" mit fortschreitendem Alter verbessert, verschlechtern sich die Informationen, die man aus den Beobachtungen tatsächlich auch ableiten kann. Wann also ist der optimale Zeitpunkt, um möglichst viel über den ursprünglichen Zustand des Kosmos zu erfahren? Loebs Analyse ergab, dass dies schon 500 Millionen Jahre nach dem Urknall der Fall war. 

Das ist genau die Zeit, in der die ersten Sterne entstanden sind und dies ist kein Zufall: Da mit der Entstehung der ersten Galaxien auch Informationen über das frühe Universum verlorengegangen sind, sollte man sich die Bedingungen im Universum am besten dann anschauen, wenn die Geburt von Sternen gerade beginnt.

Doch noch ist nicht alles verloren: Astronomen können über diese frühe Epoche beispielsweise etwas mit Hilfe von Radioteleskopen lernen, die die charakteristische Strahlung von Wasserstoffgas mit einer Wellenlänge von 21 Zentimetern messen. "21-Zentimeter-Kartierungen sind unsere beste Hoffnung", so Loeb. "Durch die Beobachtung von Wasserstoff in dieser Entfernung kann man die Verteilung der Materie in dieser frühen Epoche kartieren."

Für Kosmologen in der fernen Zukunft hingegen, dürfte es deutlich schwieriger werden: Die beschleunigte Expansion des Universums wird nämlich dafür sorgen, dass immer mehr Galaxien hinter unseren kosmischen Horizont verschwinden, ihr Licht uns also irgendwann nicht mehr erreichen kann. Auch die Ausdehnung der gravitativ nicht gebundenen Strukturen, von denen man viel über die Anfangsphase lernen kann, wird durch die Expansion schließlich so groß, dass sie nicht mehr zu beobachten sind. Dies dürfte der Fall sein, wenn das Universum zehn- bis 100-mal älter ist als heute.

"Wenn man also etwas über das frühe Universum lernen will, sollte man besser jetzt beobachten und nicht warten, bis es zu spät ist", so Loeb. Der Kosmologe hat seine Analyse im Journal of Cosmology and Astroparticle Physics veröffentlicht.

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