Indizien für den Beginn des Kosmos im Urknall

Vor allem drei Beobachtungsergebnisse haben zu der weitverbreiteten Annahme geführt, dass das gesamte Universum, so wie wir es kennen, seinen Ursprung im sog. Urknall vor rund 13.7 Milliarden Jahren fand: die Entdeckung der Expansion des Weltalls durch Edwin Hubble, die relative Häufigkeitsverteilung der leichtesten chemischen Elemente im Universum und die Entdeckung der kosmischen Mikrowellenhintergrundstrahlung, die oft auch als “Echo” des Urknalls bezeichnet wird.


1. Rotverschiebung und Expansion des Weltalls

Edwin Powell Hubble revolutionierte unser Bild vom Universum grundlegend. So wie zuvor schon sein Kollege Vesto Slipher beobachtete Hubble in den 1920er Jahren eine Rotverschiebung in den Spektren des Lichts ferner Galaxien. Aus dieser Rotverschiebung schloss er, dass sich die Galaxien mit einer Fluchtgeschwindigkeit von uns weg bewegen.

1929 verkündete er das nach ihm benannte Hubble-Gesetz v = H*d, welches besagt, dass die Fluchtgeschwindigkeit v einer Galaxie proportional zu ihrem Abstand d von uns ist, d. h. je größer der Abstand, desto schneller bewegen sich die Galaxien von uns weg. Dabei wird die Proportionalitätskonstante in dieser Gleichung H als sog. Hubble-Konstante bezeichnet. Mit der Entdeckung dieser linearen Beziehung hatte Hubble gleichzeitig die bahnbrechende Entdeckung gemacht, dass sich das Universum ausdehnt.

Wenn es um die Erklärung der Rotverschiebung des Galaxienlichts geht, wird oft der sog. Dopplereffekt herangezogen. Hubble ging damals davon aus, dass die Rotverschiebung durch die sich von der Erde mit einer Fluchtgeschwindigkeit entfernenden Galaxien verursacht wird. Dies ist jedoch irreführend. Denn tatsächlich ist es nicht der Dopplereffekt, der die wirkliche Erklärung für diese Rotverschiebung liefert.

Gemäß dem Dopplereffekt verschiebt sich die Wellenlänge der Strahlung, die von einem Objekt ausgesandt wird, das sich auf den Beobachter zubewegt, zu einer höheren Frequenz, d. h. kleineren Wellenlänge, während die Wellenlänge der emittierten Strahlung eines Objekts, das sich vom Beobachter wegbewegt, zu einer niedrigeren Frequenz und höheren Wellenlänge und damit in den roten Bereich des Spektrums verschoben ist. Das Phänomen gilt auch für Schallwellen und lässt sich so anschaulich verdeutlichen: Der Sirenenton eines Krankenwagens etwa, der auf uns zufährt, ist höher – d. h. zu einer höheren Frequenz und kleineren Wellenlänge verschoben -, während der Ton tiefer ist, wenn der Wagen sich von uns entfernt. Die Wellenlänge der Schallwellen ist in letzterem Fall zu einer niedrigeren Frequenz, aber größeren Wellenlänge verschoben.

Die tatsächliche Erklärung für die Rotverschiebung des Lichts weit entfernter Galaxien liegt jedoch ganz woanders: Diese Rotverschiebung ist ein Effekt der Allgemeinen Relativitätstheorie.
Denn die Galaxien selber bewegen sich nicht wirklich durch den Raum von uns weg. Zwar bewegen sich die einzelnen Galaxien innerhalb ihres Galaxienhaufens, dem sie angehören. Doch die Galaxienhaufen selbst befinden sich insgesamt in Ruhe. Die beobachtete Fluchtgeschwindigkeit bzw. Rotverschiebung wird vielmehr durch die Expansion des Raums bewirkt. Es ist der Raum zwischen uns und den Galaxien, der expandiert, und zwar um jeden Ort an einer beliebigen Stelle im Universum herum.
Durch die Expansion des Raums werden auch die Wellenzüge des ausgesandten Lichts, die sich im Raum ausbreiten, gedehnt und sind somit rotverschoben.

Wenn sich der Raum und damit das Universum also immer weiter ausdehnte, so musste es irgendwann mal unendlich klein gewesen sein komprimiert in einem unendlich kleinen, dichten und heißen Punkt. Dementsprechend schloss man aus der Expansion, dass das Universum auch einen Anfang gehabt haben musste, einen Anfang im Urknall.