Kosmologie / Einsteiger-Tour Teil 1: Kosmos auf Expansionskurs

Sterne wie unsere Sonne sind keine Einzelgänger, sondern bilden zu Milliarden und Abermilliarden gigantische Sternsysteme, die Galaxien. Die Außenansicht unserer Heimatgalaxie, der Milchstraße, dürfte der folgenden Aufnahme der Galaxie NGC 4414 nicht unähnlich sein:

Hubble-Aufnahme der Spiralgalaxie NGC 4414
© Hubble Heritage Team (AURA/STScI/NASA)

In den kosmologischen Modellen der Allgemeinen Relativitätstheorie kann man sich das Weltall als Sammlung von Galaxien vorstellen, die frei im All dahinschweben. Die Galaxien sind gleichmäßig im Raum verteilt, und sie fliegen mitnichten durcheinander, sondern führen eine spezielle Form der Expansionsbewegung aus. Einige Eigenschaften solcher Expansion zeigt die folgende Animation:

Die Expansionsbewegung des Universums

Die Größenverhältnisse darin sind komplett unrealistisch, aber anschaulich. Zu sehen ist ein zweidimensionaler Ausschnitt des Universums, mit Galaxien, die einigermaßen gleichmäßig in der Fläche verteilt sind. Bevor es losgeht, werden kurz die Abstände der grünen und der blauen Galaxie zur zentralen roten Galaxie (unserer eigenen) eingeblendet (gemessen in Lichtjahren, dort abgekürzt zu Lj). Dann beginnt die Animation zu laufen und zeigt einen Ausschnitt aus der Expansionsbewegung des Universums: Hundert Millionen Jahre (abgekürzt in der Anzeige links oben zu MJ) vergehen, und die Galaxien fliegen auseinander. Nach Ende des Ausschnitts werden wieder die Abstände der grünen und blauen zu unserer roten Galaxie eingeblendet: Beide Abstände haben sich im Verlauf des Expansionsausschnitts verdoppelt, ebenso übrigens wie die Abstände aller anderen gezeigten Galaxien zueinander!

Die durchschnittliche Geschwindigkeit, mit der sich eine Galaxie entfernt, ist gleich der Strecke, die sie zurücklegt, geteilt durch die Zeit, die sie dazu benötigt. Wenn wir in unserem expandierenden Modelluniversum die durchschnittliche Geschwindigkeit ausrechnen, mit der sich die grüne und blaue Galaxie von unserer roten Galaxie entfernen, können wir wie folgt vorgehen: Die grüne Galaxie ist zu Anfang des Filmausschnitts eine Million Lichtjahre von uns entfernt, am Ende zwei Millionen Lichtjahre. Ihr Abstand hat sich während der 100 Millionen Jahre, die die Animation zeigt, um eine Million Lichtjahre vergrößert, entsprechend einer Durchschnittsgeschwindigkeit von

Für die blaue Galaxie, die am Anfang zwei und am Ende des Filmausschnitts vier Millionen Lichtjahre entfernt ist und deren Abstand zu uns sich entsprechend um 4 – 2 = 2 Millionen Lichtjahre vergrößert hat, ergibt sich dagegen

Mit der kosmischen Expansion geht demnach ein charakteristischer Zusammenhang zwischen der Entfernung einer Galaxie und ihrer Fluchtgeschwindigkeit einher, der Hubble-Beziehung genannt wird: Je weiter eine Galaxie von uns entfernt ist, umso schneller bewegt sie sich von uns fort.

Nachzutragen bleibt ein Aspekt der Expansion, der in der Animation nicht deutlich werden kann: Auch bei der Ausdehnungsbewegung sind alle Galaxien gleichberechtigt. Würden wir für unseren Filmausschnitt eine andere Galaxie in die Mitte gerückt haben, so ergäbe sich haargenau dasselbe Bild einer Expansion, bei der sich alle Galaxien umso schneller von unserer Mittelpunktsgalaxie entfernen, je weiter sie von dieser Galaxie entfernt sind. Es gibt keinen ausgezeichneten Mittelpunkt der Expansionsbewegung – nur ein systematisches Anwachsen aller Abstände. Allen Beobachtern, auf welcher der Galaxien auch immer sie beheimatet sein mögen, bietet sich das gleiche Bild eines expandierenden Weltalls.