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Physik-Nobelpreis 2019 : Antworten auf die ganz großen Fragen unserer Existenz

Zusammenspiel von Theorie und Beobachtung: die Vorhersagen von James Peebles wurden durch Beobachtungen des Planck Teleskops glänzend bestätigt. Bild: dpa

Wie ist unser Kosmos beschaffen und was ist darin unser Platz? Der diesjährige Physik-Nobelpreis geht an James Peebles, Michel Mayor und Didier Queloz für Beiträge zur Suche nach Exoplaneten und zum Verständnis des Universums.

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          Was ist der Ursprung des Kosmos, wie können wir seine Entwicklung verstehen und was ist unser Platz als Menschen, als Lebewesen auf einem kleinen lebensfreundlichen Gesteinsplaneten, in all dem? Es sind diese großen und alten, im Kern philosophischen Fragen, die in diesem Jahr mit dem Nobelpreis der Physik gewürdigt wurden. Lange Zeit bewegte sich die Suche nach Antworten ausschließlich im Raum der Metaphysik, der Theologie, nicht aber im Rahmen der empirischen Wissenschaften. Die Fragen waren zu groß als dass irdische Beobachtungen und Experimente ihnen gewachsen gewesen wären. Geändert hat sich dies erst seit rund fünfzig Jahren. Spätestens mit der Entdeckung der kosmischen Hintergrundstrahlung 1965, der ältesten „Abbildung“ des Universums zu einer Zeit, als erst 380.000 Jahre seit dem Urknall vergangen waren, ist der Kosmos zum Gegenstand der Empirie geworden. Was man heute aus kosmologischen Beobachtungen über das Universum und seine Vergangenheit ableiten kann, und mit welcher Präzision dies funktioniert, ist atemberaubend. Der amerikanische Astrophysiker James Peebles von der Princeton University, dessen Ehrung eine Hälfte des diesjährigen Preises einnimmt, hat daran großen Anteil.

          Das 2009 gestartete Planck Weltraumteleskop der Esa lieferte den bislang schärfsten Blick auf die winzigen Temperaturschwankungen der kosmischen Hintergrundstrahlung.
          Sibylle Anderl

          Redakteurin im Feuilleton.

          Als Theoretiker wirkte er an der Vorhersage der kosmischen Hintergrundstrahlung mit, deren Entdeckung durch zwei Physiker der Bell Laboratories, Arno Penzias und Robert Wilson, völlig unabhängig von kosmologischer Theorie als störendes Hintergrundgeräusch in irdischer Kommunikation geschehen war. Die Existenz dieser Strahlung, die den Kosmos durchdringt seit seine Temperatur so weit gesunken war, dass sich Atome bilden konnten, lehrt viel über die Frühphase des Universums. Sie zeigt winzige Temperaturschwankungen, in denen die Dichteschwankungen, die Verteilung also der damals existierenden Materie konserviert sind. Peebles und andere fanden heraus, dass wir auf dieser Grundlage sehr genau rekonstruieren können, wie sich die Temperatur im Kosmos kurz nach dem Urknall entwickelt hat. Zusammen mit unserem Wissen über die Chemie können wir daraus ableiten, wie die chemischen Elemente entstanden sind, von denen wir heute umgeben sind. Mehr noch: Wir können diese heute beobachtbaren Häufigkeiten, insbesondere von Helium, nutzen, um die Eigenschaften des Universums sehr genau einzugrenzen.

          Die großräumige Verteilung der Materie im Universum, hier von der Illustris TNG Simulation berechnet, entwickelte sich aus winzigen Dichtefluktuationen kurz nach dem Urknall.

          Die Temperaturschwankungen, sogenannte Anisotropien, die seit 2009 mit höchster Genauigkeit vom Planck Weltraumteleskop der Esa gemessen wurden und die die Keimzellen der uns heute umgebenden Materiestrukturen darstellen, beinhalten aber noch sehr viel mehr Informationen. Eine genaue Analyse der räumlichen Verteilung der Schwankungen zeigt beispielsweise, dass die Materie Schwingungen ausführte, als die Strahlung von ihr entkoppelte. Diese Schwingungen entstehen durch das Wechselspiel von Gravitation, die Materie verklumpen lässt, und Strahlungsdruck, der verdichtete Materieansammlungen wieder auseinandertreibt. Für die genau Gestalt dieser Schwingungen spielt der damalige Wert der Schallgeschwindigkeit genauso eine Rolle wie die Menge der damals existierenden Materie und deren Verteilung. Die physikalische Beschreibung dieser Prozesse kann im Vergleich mit dem beobachteten Temperaturmuster der kosmischen Hintergrundstrahlung die globale Geometrie des Universums, seine Dynamik und die Eigenschaften seiner Bestandteile liefern.

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