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Lexikon der Astronomie: Kosmologisches Prinzip

Das kosmologische Prinzip (engl. cosmological principle, kurz CP) besagt, dass auf einer großen Längenskala, die vergleichbar ist mit der Größe des Universums, kein Ort im Kosmos gegenüber einem anderen ausgezeichnet ist. Es verallgemeinert im Kern das Kopernikanische Prinzip, das das geozentrische durch das heliozentrische Weltbild ablöste. Universen, die das kosmologische Prinzip erfüllen, nennt man CP-Universen.

Isotropie

Mit anderen Worten formuliert, sagt das kosmologische Prinzip aus, dass der Kosmos auf großen Skalen in allen Richtungen gleich ausschaut. In der Wissenschaft nennt man diese Eigenschaft Isotropie.

Homogenität

Daraus folgt unmittelbar eine zweite Eigenschaft des Universums, nämlich die Gleichartigkeit oder Einheitlichkeit, d.h. dass die Materie im Kosmos relativ gleichmäßig verteilt ist. Auch dafür gibt es einen Fachbegriff, nämlich Homogenität.

Auf welcher Längenskala?

Das kosmologische Prinzip sagt uns also, dass das Universum isotrop und homogen ist. Wenn wir uns allerdings im nahen Kosmos umschauen, so ist das mitnichten der Fall: Hier treten Unregelmäßigkeiten auf, denn es gibt einen Wechsel von 'Massenverdichtungen' – die Sonne, um die die Planeten kreisen – und von 'Leere', denn der interplanetare Raum dazwischen ist mehr oder weniger ein Vakuum. Offensichtlich ist die hier betrachtete Längenskala von einigen Astronomischen Einheiten) zu klein.
Erhöhen wir die Skala weiter, zu einigen Parsec, so begegnen wir den Sternen in der Milchstraße – noch immer ist die Skala zu klein, weil sich Orte mit Sternen mit sternlosen Gebieten abwechseln. Das ändert sich auch nicht, wenn wir auf eine Skala bis einige zehntausend Parsec gehen – das ist gerade in etwa der Durchmesser der Milchstraße (~ 100000 Lichtjahre).
Bei einer Skala von einigen hunderttausend bis Millionen Parsec nähern wir uns der Skala unseres lokalen Galaxienhaufens (der Lokalen Gruppe) und nahen Galaxienhaufen wie dem Virgo-Haufen. Auch dann ist noch keine Isotropie zu beobachten.
Erst bei entfernten Galaxien ist näherungsweise Isotropie gegeben, etwa bei einigen hundert Millionen bis Milliarden Parsec.

Isotrope Hintergrundstrahlung

Eine (fast) perfekte Isotropie weist die kosmische Hintergrundstrahlung auf. Um das veranschaulichen, stelle man sich einen perfekten, blauen Himmel bei schönstem, irdischen Wetter vor. Die Hintergrundstrahlung weist einen noch höheren Grad an Isotropie auf, als der perfekt blaue Himmel!
Die Isotropie schlägt sich darin nieder, dass man dem Spektrum der Hintergrundstrahlung dasjenige von Wärmestrahlung zuweisen kann. Die Beobachtungsdaten passen in idealer Weise zu einer solchen Planck-Kurve mit 2.72 Kelvin.
Dennoch wurden winzige Unregelmäßigkeiten (Anisotropien) in der Hintergrundstrahlung entdeckt, die ausgedrückt in der Temperatur im Bereich von Mikrokelvin liegen. Für diese 1989/90 gemachte Entdeckung gab es den Nobelpreis für Physik 2006.
Die Hintergrundstrahlung kommt aus den frühen Phasen des Universums (der Rekombinationsära), als es noch keine Sterne gab. Der Kosmos war erst knapp 400000 Jahre alt und auch deutlich kleiner.

Die perfekte Version

Das perfekte kosmologische Prinzip besagt, dass das Universum in Raum und Zeit unveränderlich (statisch) sei. Dieser Ansatz führt auf Modell-Universen wie das statische Universum oder das Steady-State-Modell. Beide Modelle weichen deutlich von den dynamischen, d.h. sich zeitlich entwickelnden Friedmann-Modellen ab. Die experimentelle Kosmologie lässt zurzeit nur den Schluss zu, dass wir in einem expandierenden Friedmann-Universum leben, das durch die Wirkung der Dunklen Energie ewig expandieren wird.

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  • Die Autoren
- Dr. Andreas Müller, München

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