Expansion des Universums

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Die Expansion des Universums beschreibt eine zeitliche Veränderung, nämlich eine Ausdehnung, des Universums.

Grundlegende Überlegungen über die Struktur des Universums auf großen Skalen wurden bereits im 18. und 19. Jahrhundert angestellt. Wäre das Universum statisch und unendlich in seiner Ausdehnung, müsste jede Sichtlinie im Universum immer an einem Stern enden und das Universum folglich hell erleuchtet sein. Da solches nicht beobachtet werden kann, muss das Universum nicht-statisch und (potentiell) endlich sein - das ist das Olberssche Paradoxon.

Willem de Sitter beschrieb 1917 erstmalig ein sich ausdehnendes Universum. Die allgemeine relativistische Beschreibung der Expansion wurde von Alexander Friedmann in den Friedmann-Gleichungen dargestellt.

Der erste direkte Beweis für eine allmähliche Ausdehnung des Universums gelang dem amerikanischen Astronomen Edwin Hubble 1923 durch den Nachweis des Dopplereffekts beim Licht weit entfernter Galaxien. 1929 konnte Hubble nachweisen, dass sich das Weltall ausdehnt. Er stellte fest, dass Galaxien sich umso schneller entfernen, je weiter sie bereits voneinander entfernt sind. Dies konnte er mit Hilfe der Spektralverschiebung des Lichts feststellen: Sehr weit entfernte Galaxien weisen eine Rotverschiebung in Ihrem Spektrum auf (vergleiche dazu: Hubble-Konstante). Tatsächlich ist die kosmologische Rotverschiebung kein Dopplereffekt im eigentlichen Sinne, sondern beruht vielmehr auf der allgemeinen zeitlichen Zunahme von Abständen im Universum. Diese Erkenntnis führte zu der Annahme des Urknalls, da die Abstände zwischen den Galaxien zu einem endlichen Zeitpunkt in der Vergangenheit verschwinden und daher ein Zustand unendlich hoher Dichte vorliegt.

Hatte Einstein noch in seinen Theorien ein statisches Universum postuliert, musste er angesichts dieser damals neuen Erkenntnisse diese Auffassung revidieren. So hatte Einstein eine Kosmologische Konstante in die Feldgleichungen eingeführt, um statische Lösungen zu erhalten, denn ohne diese Konstante existieren diese nicht. Doch selbst mit der kosmologischen Konstanten sind alle statischen Lösungen instabil. Einstein bezeichnete die Idee einer kosmologischen Konstanten später angeblich als die "größte Eselei meines Lebens". In Wahrheit wurde ihm dieser Spruch jedoch nur von Gamow nachgesagt.

Lange Zeit war unklar, ob die Expansion

• unendlich fortdauern wird (offenes Universum)
• die Expansion immer langsamer, aber dennoch einen asymptotischen Grenzzustand erreichen wird (ebenes Universum)
• irgendwann zum Stillstand kommt und wieder in eine Kontraktion übergeht (geschlossenes Universum)

Neuere Erkenntnisse aus Beobachtungen von weit entfernten Supernovae und der kosmischen Hintergrundstrahlung zeigen jedoch ein erstaunliches Verhalten: Nicht nur, dass das Universum ständig expandiert, die Expansion beschleunigt sich sogar. Als Ursache wird die sogenannte Dunkle Energie (eine zeitlich variable Verallgemeinerung der kosmologischen Konstante) angenommen.

Aus einigen Beobachtungen, die im Rahmen des normalen Friedmann-Robertson-Walker-Modells nicht verstanden werden können, schließt man auf eine Phase exponentieller Expansion in der Frühzeit des Universums. Diese Expansionstheorien werden Inflationstheorien genannt.