Kosmologie

Die Kosmologie (altgriechisch κοσμολογία, kosmología, „die Lehre von der Welt“) beschäftigt sich mit dem Ursprung, der Entwicklung und der grundlegenden Struktur des Kosmos sowie mit dem Universum als Ganzes. Sie ist ein Teilgebiet der Astronomie, das in enger Beziehung zur Astrophysik steht. Ihre Wurzeln liegen in Kosmogonien, die die Herkunft der Welt zunächst anhand mythischer Vorstellungen anschaulich machten, bei den Vorsokratikern jedoch in Versuche mündeten, dafür abstrakte Prinzipien zu formulieren. So nahm Parmenides einen Grunddualismus an, der das kosmische Geschehen gemäß der „Wahrscheinlichkeit“ bestimme. Die heutige Kosmologie beschreibt das Universum durch Anwendung physikalischer Theorien, wobei für die großen Skalen insbesondere die Allgemeine Relativitätstheorie wichtig ist, für die kleinsten die Quantenphysik. Ausgangspunkt der Modellbildung sind astronomische Beobachtungen der Verteilung und der Eigenschaften von Galaxien im Universum. Die Rotverschiebung der Spektrallinien im Licht von Galaxien und deren systematische Zunahme mit der Entfernung werden als Größenwachstum des Universums interpretiert und führen zu der Vorstellung, dass das Universum aus einem extrem dichten und heißen Anfangszustand hervorging und sich daraus zu seinem derzeit beobachteten Zustand entwickelte. Formal führt die Theorie auf eine Singularität, den Urknall, der vor 13,75 Milliarden Jahren den Beginn des Universums markiert. Ab einer bestimmten Größe und Dichte der Energien im sehr frühen Universum wird allerdings die Gültigkeit der bekannten physikalischen Theorien überschritten. Insbesondere fehlt eine gültige Theorie der Quantengravitation. Während der Anfang des Universums somit derzeitigen Theorien nicht zugänglich ist, besteht mit dem Lambda-CDM-Modell ein sehr erfolgreiches Standardmodell für die Entwicklung des Universums, das mit einer Vielzahl von Beobachtungen in guter Übereinstimmung ist. Zu den kosmologisch relevanten messbaren Gegenständen der Astronomie gehören die Häufigkeiten der durch die primordiale Nukleosynthese entstandenen leichtesten Elemente (Wasserstoff, Helium und Lithium) sowie die kosmische Hintergrundstrahlung, die etwa 380.000 Jahre nach dem Urknall freigesetzt wurde, als die Temperatur des sich ausdehnenden Universums soweit abgesunken war, dass neutrale Atome existieren konnten. In der weiteren Folge entwickelte sich aus kleinen Dichtefluktuationen durch die Wirkung der Gravitation die großräumige Verteilung der Galaxien und Galaxienhaufen, die durch Klumpung, Filamente und dazwischenliegende Leerräume (Voids) charakterisiert ist und auf größten Skalen zunehmend homogen wird. Die Kosmologie erfasst außerdem die großskalig gemessen geringe Krümmung des Raumes, dazu die raumzeitliche Isotropie und Homogenität des Kosmos im Ganzen, die numerischen Werte der Naturkonstanten und die Häufigkeitsverteilung der chemischen Elemente. Insgesamt zeigt sich damit eine zeitlich vorwärts gerichtete Entwicklung des Kosmos, die in bestimmten Schritten abläuft, von denen die markantesten als Phasenübergänge bezeichnet werden wie die Baryogenese, die primordiale Nukleosynthese oder die Rekombination.