Kosmologische Strukturbildung Helmut Hetznecker Kosmologische Strukturbildung Von der Quantenfluktuation zur Galaxie Reihe Astrophysik aktuell: Herausgegeben von Andreas Burkert, Harald Lesch, Thomas Gehren, NikolausHeckmannmitUnterstützungdesHarvardClubMünchene.V. Autor Dr.HelmutHetznecker FraunhoferStraße2 83346Bergen WichtigerHinweisfürdenBenutzer DerVerlag,derHerausgeberunddie AutorenhabenalleSorgfalt waltenlassen,umvollständige undakkurateInformationenindiesemBuchzupublizieren.DerVerlagübernimmtwederGarantie nochdiejuristischeVerantwortungoderirgendeineHaftungfürdieNutzungdieserInformationen,für derenWirtschaftlichkeitoderfehlerfreie FunktionfüreinenbestimmtenZweck.DerVerlagüber- nimmtkeineGewährdafür,dassdiebeschriebenenVerfahren,Programmeusw.freivonSchutzrechten Drittersind.Die WiedergabevonGebrauchsnamen,Handelsnamen,Warenbezeichnungenusw. in diesemBuchberechtigtauchohnebesondereKennzeichnungnichtzuderAnnahme,dasssolche NamenimSinnederWarenzeichen-undMarkenschutz-Gesetzgebungalsfreizubetrachtenwärenund dahervonjedermannbenutztwerdendürften.DerVerlaghatsichbemüht,sämtlicheRechteinhaber vonAbbildungenzuermitteln.SolltedemVerlaggegenüberdennochderNachweisderRechtsinha- berschaftgeführtwerden,wirddasbranchenüblicheHonorargezahlt. BibliografischeInformationderDeutschenNationalbibliothek DieDeutscheNationalbibliothekverzeichnetdiesePublikationinderDeutschenNationalbibliografie; detailliertebibliografischeDatensindimInternetüberhttp://dnb.d-nb.deabrufbar. SpringeristeinUnternehmenvonSpringerScience+BusinessMediaspringer.de ©SpektrumAkademischerVerlagHeidelberg2009 SpektrumAkademischerVerlagisteinImprintvonSpringer 09 10 11 12 13 5 4 3 2 1 FürCopyrightinBezugaufdasverwendeteBildmaterialsieheAbbildungsnachweis. DasWerkeinschließlichallerseinerTeileisturheberrechtlichgeschützt.JedeVerwertungaußerhalb derengenGrenzendes Urheberrechtsgesetzesistohne Zustimmungdes Verlagesunzulässigund strafbar.DasgiltinsbesonderefürVervielfältigungen,Übersetzungen,Mikroverfilmungenunddie EinspeicherungundVerarbeitunginelektronischenSystemen. PlanungundLektorat:KatharinaNeuser-vonOettingen,StefanieAdam Herstellung:UteKreutzer Umschlaggestaltung:SpieszDesign,Neu-Ulm Titelfotografie:NASA Satz:le-texpublishingservicesoHG,Leipzig DruckundBindung:StürtzGmbH,Würzburg PrintedinGermany ISBN 978-3-8274-1935-4 „EshatkeinenZweckmehr“,seufzteertraurig, „wir haben nicht mehr das Können der Alten, dieZeitderRiesenvoneinstistvorbei!“ „Ja, wir sind Zwerge“, nickte William, „aber Zwerge, die auf den Schultern der Riesen von einst sitzen, und so können wir trotz unserer Kleinheitmanchmalweitersehenalssie.“ UmbertoEco inDerNamederRose Vorwort WanninteressiertunsdergestirnteHimmelüberuns?Abendsundnachts, dann, wenn sich die Sterne über den dunklen Nachthimmel ausbreiten. Tagsüber sindwirhöchstens besorgt, obwirden nächstenStern, dieSon- ne,leuchtensehen.Meistenssindwirzugeschäftig, umunsereSinneund GedankenaufdasAllzurichten. WirMenschenlebenaufeinemPlaneten,dernursostrotztvorAktivität. DieunsumgebendeNatur,nichtandersalsunsereeigenenZieleundTätig- keiten,verändertsichineinemfort:Allesbewegtsich,allesfließt.Pflanzen verdunstenWasser,dassieausdemBodenziehen.Wolkenformensicham Himmel.Esregnet,Flüssefließen,dasMeerbrandetandieKüsten.Vulkane brechenausunddieErdebebt.WirLebewesenatmenaufdemGrundeines Luftmeeres.Immerdünnerwerdend,ragtesweithinausindenWeltraum. Undallesdrehtundrührtundbewegtsich. Unser Planet ist eine Kugel inmitten eines sehr leeren Universums. In 150 Millionen Kilometer Entfernung, nach astronomischen Begriffen vor unsererHaustür,leuchtetdieSonne–einSternunterMilliardenanderenin unsererMilchstraße.UnsereGalaxieisteineSterneninselvonrund100000 LichtjahrenAusdehnung,eineGas-undSternscheibe,diesichumihrZen- trum dreht. Mehr als zwei Millionen Lichtjahre von uns rotiert schon die nächstegalaktischeScheibe,dieAndromeda-Galaxie,umihreigenesZen- trum.DiebeidengroßenSpiralgalaxien,unsereMilchstraßeundAndrome- da,sindumgebenvonkleinenZwerggalaxien.Allezusammengehörensie zueinerGruppevonGalaxien,diesichüberrund30MillionenLichtjahre erstreckt.DieLokaleGrupperastaufdenVirgo-Haufenzu,einemriesigen Galaxien-Cluster,dessenEntfernungbereitsinhundertMillionenLichtjah- rengemessenwird.VirgoschließlichgleitetmitanderenGalaxienhaufenin RichtungeinergewaltigenMaterieansammlung–demGroßenAttraktor. SchautmanimmertieferinsUniversum,breitetsicheinNetzausMate- rievorunsaus:GalaxienhaufenreihensichwiePerlenaufeinerSchnuran den Wänden gewaltiger Leerräume. Das Universum besteht zu drei Vier- telausLeere,dieinleuchtendeMateriegehülltist.Geradedieseungeheu- re Leere ist eine der wichtigsten Eigenschaften des heutigen Universums. VIII Vorwort WäredasAllnichtsoleer,könntedasLichtfernerWeltenkaumbiszuuns vordringen, könnten wirdieSterneamNachthimmel garnichtsehen. Der BlickindengestirntenHimmelüberunsverrätalsobereitsetwasWesent- lichesüberdasganzeUniversum:Esistsogutwieleer. Wiekanndassein?Ganzeinfach,dasUniversumistalt!SeitseinerGe- burt dehnt es sichaus. Der Raum expandiert; das Universum wird immer größer und leerer. Und in einem sich stets vergrößerndem Universum, so erwarten wir eigentlich, verdünnt sich die Materie mehr und mehr. Aber stimmt das denn? Nein, denn offenbar gibt es ja Galaxien, also Mate- rieverdichtungen!UndindenGalaxiengibtesimmerdichtereMateriefor- men:dieSterneund,nochmehr,diePlaneten.OffenbarentstandenimUni- versumObjekte,diesichderallgemeinenAusdünnungdurchdieExpansion desKosmosentgegenstemmten. Also was ist wirklich passiert während der Entwicklung des Univer- sums?WiesindsolcheObjektewiedieGalaxienentstanden? Davon han- deltdiesesBuch.EserzähltvomWerdenderDinge,dersehrgroßenDinge. Dieses kleine Buch präsentiert die Geschichte der größten Objekte über- haupt.DasUniversumalsdasgrößteEtwas,vondemwirüberhauptwissen, istbevölkert von Galaxien, diesichzumeist inGruppen oder Haufen ver- sammeln,diesichaberihrerseitszunochgrößerenSuperhaufenzusammen- tun. Zwar gibt es auch „Einzelgänger“ – Galaxien, die ganz verloren und alleinedurchsUniversumstreifen.EinesschönenTageswerdenaberauch diesevonderSchwerkraftderanderenGalaxieneingefangenundgenötigt, sichdenGruppenundHaufenanschließen.EsgehtumdieEntstehungder verschiedenenGalaxientypen,dieVerschmelzungvonkleinenGalaxienzu immerGrößeren. DasBuchhandelt von derEntstehung und demWerden dergroßenHierarchie. Leider sind die Vorgänge nicht so einfach, wie sie zunächst scheinen. DaistnichtnurleuchtendeMaterie,diesichunterderWirkungdereigenen Schwerkraftzusammenfindet.DieleuchtendeMaterieistnurdieSpitzedes materiellen Eisberges. Verborgen in der Unsichtbarkeit gibt es eine Form von Materie, dievollkommen dunkel ist.Sieschluckt kein Licht und gibt keinesab.Sieisteinfachnurschwer,undsieistderwirklicheGrundfürdie EntstehungderleuchtendenGalaxien.DieDunkleMateriestelltüber75% dergesamtenMaterieimUniversum. IhreSchwerkrafttöpfe sinddieAus- gangspunktederEntwicklunghinzuleuchtendenGalaxien.Dortnämlich, wosichdieDunkleMateriebereitsverdichtethatte,fieldieleuchtendeMa- terieeinundbildetedieSterneninseln.ÜberdieNaturderDunklenMaterie können wir bis heute nur in Steckbriefen reden: Sie ist schwer und kalt. SiemussausTeilchen bestehen, dieganzanders sindalsdieTeilchen der Vorwort IX Galaxien, Sterne, Planeten und der Lebewesen. Dunkle Materie ist völlig anders,abersiemachtsichbemerkbardurchihreSchwerkraft. DieAstronomen kennen also wenigstens schon einmal die Teilnehmer amkosmischenTanzderMaterie.Siemöchtenabervorallemwissen,wann genau in der Geschichte des Universums sich die Verdichtung der Mate- riezumerstenMalinFormvonSternenundGalaxienabgespielt hat.Die Astronomensprechenvom„DunklenZeitalter“,dasesmittelsneuerTele- skopezuentdeckengilt.IndieserPhasedesUniversums,einigeZigmillio- nen Jahre nach dem Beginn müssen sich dieersten Sterne gebildet haben und das ersteLicht ins ansonstenschon sehrdunkle Universum geschickt haben.DieseEntdeckungenstehenkurzbevor.Vielleichtwird,schonwäh- rend Sie dieses Buch lesen, der erste Stern im Universum entdeckt. Viel VergnügenundspannendeUnterhaltung! HaraldLesch X VorwortdesVerfassers Vorwort des Verfassers Mitder„KosmologischenStrukturbildung“ liegtnachder„Expansionsge- schichte des Universums“ ein weiterer Band der Reihe Astrophysik aktu- ellvor,dersichausschließlicheinemkosmologischenThemawidmet.Das vorliegende Buch kann als Fortsetzung der „Expansionsgeschichte“ gele- senwerden,stelltabergleichwohleininsichgeschlossenesBuchdar.Die kosmologischenGrundlagenderStrukturbildungsindimerstenKapitelzu- sammenfassendundinallerKürzedargestellt. UngezählteNeuerscheinungenvonhoherQualitätberichtenJahrfürJahr aktuellvonderKosmologie,jenergrundlegendenundfacettenreichenDis- ziplin.InkeinemBuchscheintmirjedochderFokuskonkretaufdieFrage gerichtet,wieesimUniversumeigentlichzuEntstehungderGalaxienund der großen Strukturen kam, die dem Universum seine materielle Gestalt verleihen. Ich sehe den vorliegenden Band daher auch als Versuch, eine Lückezuschließen. IchdankeHerrnDr.NikolausHeckmannunddemHarvard-ClubMün- chenfürdieIdeezurvorliegendenReiheundderenengagierteUmsetzung. Mein besonderer Dank gilt meinem langjährigen „Mentor“ Prof. Andre- as Burkert, Direktor an der Universitätssternwarte München, der mir zu meinerFreudedieAutorenschaftfürdiekosmologischenBändedervorlie- genden Reiheangetragen hat. Vielen Dank ebenso anStefanie Adamund KatharinaNeuser-von OettingenvomSpektrum-Verlag fürdiereibungslo- seundjederzeitangenehmeZusammenarbeit,sowieandieHerrenThomas AumerundHansHetzneckerfürzahlreicheKorrekturenamManuskript. HelmutHetznecker,Mai2008 Inhaltsverzeichnis 1. BühneundMitwirkende . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 DasinflationäreUniversum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 Einstein,FriedmanunddasModelldesUniversums . . . . . . . 4 DiekosmologischenParameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 StrahlungausderKindheitdesUniversums . . . . . . . . . . . 12 DiekosmologischeRotverschiebung . . . . . . . . . . . . . . . 14 2. DieVielgestaltderGalaxien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 HubblesKlassifikation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 ElliptischeGalaxien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 Spiralgalaxien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 IrreguläreGalaxien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 DashierarchischorganisierteUniversum . . . . . . . . . . . . . 30 3. DieSaatderkosmischenStrukturen . . . . . . . . . . . . . . . 35 UnscharfeQuanten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 DasWerkderInflation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 DieStatistikderFluktuationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 4. DieErschaffungderMaterie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 DerDissidentunddasunsymmetrischeUniversum . . . . . . . 58 „WeareStardust“ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 Heißoderkalt:DunkleMaterie . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 DasFlaggschiffderKosmologen . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 5. GetrennteWege . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 DieEpocheimÜberblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 DasAntlitzderSchöpfung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 RettungausdemDunklenUniversum? . . . . . . . . . . . . . . 79 WMAPsscharferBlick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 EincharakteristischesSpektrum . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 DasfrüheWachstumderDichteschwankungen. . . . . . . . . . 92