Kosmos-Forschungskartenvon der Inflation zu den ersten Sternen

Reale Grundlage

• Das Universum dehnt sich aus: Hubble fand heraus: Je weiter eine Galaxie entfernt ist, desto schneller entfernt sie sich. Das Universum ist nicht statisch, es dehnt sich aus.

  Quelle: Hubble, PNAS 1929, "A relation between distance and radial velocity among extra-galactic nebulae"

• Friedmanns Universum: Friedmann leitete aus der Allgemeinen Relativitätstheorie ab, dass das Universum sich ausdehnen oder zusammenziehen kann, sieben Jahre vor dem Beobachtungsbeleg.

  Quelle: Friedmann, Zeitschrift für Physik 1922, "Über die Krümmung des Raumes"

• Das Uratom: Lemaître schlug unabhängig vor, dass das Universum sich ausdehnt, und stellte sich später vor, es habe als „Uratom“ begonnen, der Vorläufer der Urknalltheorie.

  Quelle: Lemaître, Annales de la Société Scientifique de Bruxelles 1927, "Un Univers homogène de masse constante et de rayon croissant"

• Inflationäres Universum: Guth schlug vor, dass das frühe Universum eine exponentielle Ausdehnung durchlief, was auf einen Schlag erklärt, warum es so flach ist und die Temperatur fast überall gleich.

  Quelle: Guth, Physical Review D 1981, "Inflationary universe: A possible solution to the horizon and flatness problems"

• Neue Inflation: Linde löste das Problem, wie die Inflation sanft enden konnte, und machte die Inflationstheorie erst wirklich brauchbar.

  Quelle: Linde, Physics Letters B 1982, "A new inflationary universe scenario"

• Beschleunigte Expansion: Mit fernen Supernovae als „Standardkerzen“ fanden sie heraus, dass sich die Ausdehnung des Universums beschleunigt. Die Dunkle Energie betrat die Bühne, und die Arbeit gewann 2011 den Nobelpreis.

  Quelle: Riess et al., The Astronomical Journal 1998, "Observational evidence from supernovae for an accelerating universe and a cosmological constant"

• 42 Supernovae: Ein anderes Team kam unabhängig zum selben Schluss: Eine Energie im Universum treibt die beschleunigte Expansion an.

  Quelle: Perlmutter et al., The Astrophysical Journal 1999, "Measurements of Omega and Lambda from 42 high-redshift supernovae"

• Das Rezept des Universums: Der Planck-Satellit lieferte die bisher genauesten kosmologischen Parameter: ein Alter von etwa 13,8 Milliarden Jahren, wobei gewöhnliche Materie nur etwa 5 % ausmacht.

  Quelle: Planck Collaboration, Astronomy & Astrophysics 2020, "Planck 2018 results. VI. Cosmological parameters"

• Woher die Masse kommt: Higgs schlug ein Feld vor, das den Raum erfüllt und den Teilchen Masse verleiht, und sagte ein neues Teilchen voraus.

  Quelle: Higgs, Physical Review Letters 1964, "Broken symmetries and the masses of gauge bosons"

• Das Higgs-Teilchen finden: Der Large Hadron Collider fand bei etwa 125 GeV ein neues Teilchen und bestätigte damit eine Vorhersage von vor 48 Jahren.

  Quelle: ATLAS Collaboration, Physics Letters B 2012, "Observation of a new particle in the search for the Standard Model Higgs boson with the ATLAS detector at the LHC"

• Das Quarkmodell: Gell-Mann schlug vor, dass Protonen und Neutronen aus kleineren „Quarks“ bestehen, und brachte Ordnung in den Teilchenzoo.

  Quelle: Gell-Mann, Physics Letters 1964, "A schematic model of baryons and mesons"

• Asymptotische Freiheit: Je näher sich Quarks kommen, desto schwächer wechselwirken sie; je weiter auseinander, desto fester ziehen sie. Das erklärt, warum Quarks immer zusammengesperrt sind.

  Quelle: Gross & Wilczek, Physical Review Letters 1973, "Ultraviolet behavior of non-abelian gauge theories"

• Sacharow-Bedingungen: Sacharow nannte drei Bedingungen, damit das Universum „mehr Materie als Antimaterie“ erzeugt. Sie sind bis heute der Ausgangspunkt der Forschung.

  Quelle: Sakharov, JETP Letters 1967, "Violation of CP invariance, C asymmetry, and baryon asymmetry of the universe"

• CP-Verletzung: Der Zerfall des K-Mesons zeigte, dass die physikalischen Gesetze für Materie und Antimaterie nicht vollkommen symmetrisch sind.

  Quelle: Christenson, Cronin, Fitch & Turlay, Physical Review Letters 1964, "Evidence for the 2π decay of the K2 0 meson"

• Das Positron: Anderson fotografierte in der kosmischen Strahlung ein positiv geladenes Elektron, das erste Mal, dass Menschen Antimaterie sahen.

  Quelle: Anderson, Physical Review 1933, "The positive electron"

• Die Dirac-Gleichung: Dirac verband Quantenmechanik und Relativitätstheorie, um das Elektron zu beschreiben, und eine Lösung seiner Gleichung sagte unerwartet Antimaterie voraus.

  Quelle: Dirac, Proceedings of the Royal Society A 1928, "The quantum theory of the electron"

• Das Neutrino einfangen: Nach jahrelangem Warten an einem Kernreaktor fingen sie endlich dieses „Geisterteilchen“ ein, das kaum mit etwas wechselwirkt.

  Quelle: Cowan, Reines et al., Science 1956, "Detection of the free neutrino: a confirmation"

• Neutrino-Oszillation: Der Super-Kamiokande-Detektor fand, dass Neutrinos zwischen drei Sorten wechseln, was bedeutet, dass sie Masse haben.

  Quelle: Fukuda et al. (Super-Kamiokande), Physical Review Letters 1998, "Evidence for oscillation of atmospheric neutrinos"

• Die perfekte Flüssigkeit: Schwerionenkollisionen erzeugten das Quark-Gluon-Plasma der ersten Mikrosekunden des Universums nach, das sich wie eine Flüssigkeit mit fast keiner Viskosität verhält.

  Quelle: STAR Collaboration, Nuclear Physics A 2005, "Experimental and theoretical challenges in the search for the quark–gluon plasma"

• Die αβγ-Arbeit: Alpher und Gamow berechneten, wie im Urknall die leichten Elemente entstanden, und Bethes Name wurde hinzugefügt, damit „αβγ“ entstand.

  Quelle: Alpher, Bethe & Gamow, Physical Review 1948, "The origin of chemical elements"

• Kosmische Hintergrundstrahlung: Zwei Forscher der Bell Labs wurden das Rauschen in ihrer Antenne nicht los und erkannten schließlich, dass es das Nachleuchten des Urknalls war. Sie erhielten 1978 den Nobelpreis.

  Quelle: Penzias & Wilson, The Astrophysical Journal 1965, "A measurement of excess antenna temperature at 4080 Mc/s"

• Das Nachleuchten erklären: Ein Team in Princeton bereitete die Suche nach dieser Strahlung vor, wurde vom Labor nebenan überholt und schrieb die theoretische Erklärung auf.

  Quelle: Dicke, Peebles, Roll & Wilkinson, The Astrophysical Journal 1965, "Cosmic black-body radiation"

• Ein perfekter schwarzer Körper: Das von COBE gemessene Spektrum stimmte fast perfekt mit der theoretischen Schwarzkörperkurve überein und stützte die Urknalltheorie entscheidend.

  Quelle: Mather et al., The Astrophysical Journal Letters 1990, "A preliminary measurement of the cosmic microwave background spectrum by the Cosmic Background Explorer (COBE) satellite"

• Wellen im Nachleuchten: Die Hintergrundstrahlung hat Temperaturschwankungen von einem Teil in 100.000. Diese winzigen Unterschiede wurden zu den Keimen der Galaxien.

  Quelle: Smoot et al., The Astrophysical Journal Letters 1992, "Structure in the COBE differential microwave radiometer first-year maps"

• Baryonische akustische Oszillationen: Schallwellen im frühen Universum hinterließen in der Verteilung der Galaxien eine charakteristische Länge von etwa 500 Millionen Lichtjahren, die zum Maßstab für die Vermessung des Universums wurde.

  Quelle: Eisenstein et al., The Astrophysical Journal 2005, "Detection of the baryon acoustic peak in the large-scale correlation function of SDSS luminous red galaxies"

• Die 21-cm-Linie: Der erste Nachweis der 21-cm-Radiostrahlung von neutralem Wasserstoff ließ Menschen Gas in der Milchstraße „sehen“, das sonst unsichtbar ist.

  Quelle: Ewen & Purcell, Nature 1951, "Observation of a line in the galactic radio spectrum"

• Signal der kosmischen Morgendämmerung: Das EDGES-Experiment meldete ein 21-cm-Absorptionssignal der ersten Sterne, doch das Ergebnis ist umstritten und wartet auf unabhängige Überprüfung.

  Quelle: Bowman et al., Nature 2018, "An absorption profile centred at 78 megahertz in the sky-averaged spectrum"

• Der Atomkern: Alphateilchen prallten gelegentlich von Goldfolie zurück, und Rutherford folgerte, dass die Masse eines Atoms in einem winzigen Kern konzentriert ist.

  Quelle: Rutherford, Philosophical Magazine 1911, "The scattering of α and β particles by matter and the structure of the atom"

• Was die Sterne antreibt: Bethe berechnete, dass Sterne durch Kernfusion leuchten, und löste das Rätsel, wie die Sonne Milliarden Jahre lang brennen kann.

  Quelle: Bethe, Physical Review 1939, "Energy production in stars"

• Unsichtbare Masse: Die Außenbereiche der Andromedagalaxie rotieren zu schnell, also muss eine große Menge unsichtbarer Materie die Schwerkraft liefern. Dunkle Materie war nicht mehr nur eine Vermutung.

  Quelle: Rubin & Ford, The Astrophysical Journal 1970, "Rotation of the Andromeda Nebula from a spectroscopic survey of emission regions"

• Der erste Vorschlag zur Dunklen Materie: Zwicky fand, dass die Galaxien im Coma-Haufen sich zu schnell bewegten, und schlug vor, dass „Dunkle Materie“ existiert. Die Idee wurde jahrzehntelang ignoriert.

  Quelle: Zwicky, Helvetica Physica Acta 1933, "Die Rotverschiebung von extragalaktischen Nebeln"

• Bullet-Haufen: Nach dem Zusammenstoß zweier Galaxienhaufen blieb das Gas in der Mitte, während die Schwerpunkte zu beiden Seiten landeten. Die Dunkle Materie war „hinausgeschleudert“ worden.

  Quelle: Clowe et al., The Astrophysical Journal Letters 2006, "A direct empirical proof of the existence of dark matter"

• Schatten eines Schwarzen Lochs: Radioteleskope rund um die Welt bildeten ein erdgroßes „virtuelles Teleskop“ und fotografierten den Schatten des Schwarzen Lochs im Zentrum von M87.

  Quelle: Event Horizon Telescope Collaboration, The Astrophysical Journal Letters 2019, "First M87 Event Horizon Telescope Results. I. The shadow of the supermassive black hole"

• Gravitationswellen: Zwei Schwarze Löcher verschmolzen vor 1,3 Milliarden Jahren, und die Wellen der Raumzeit wurden endlich von Menschen gehört. Einsteins Vorhersage von vor einem Jahrhundert war bestätigt.

  Quelle: Abbott et al. (LIGO & Virgo), Physical Review Letters 2016, "Observation of gravitational waves from a binary black hole merger"

• Die Chandrasekhar-Grenze: Ein Weißer Zwerg hat eine Maximalmasse von etwa 1,4 Sonnenmassen. Darüber ist der Stern dazu verdammt, weiter zu kollabieren.

  Quelle: Chandrasekhar, The Astrophysical Journal 1931, "The maximum mass of ideal white dwarfs"

• Riesiges Schwarzes Loch im frühen Universum: Als das Universum jünger als 700 Millionen Jahre war, gab es schon ein Schwarzes Loch von 800 Millionen Sonnenmassen. Wie wuchs es so schnell? Noch immer ein Rätsel.

  Quelle: Bañados et al., Nature 2018, "An 800-million-solar-mass black hole in a significantly neutral Universe at a redshift of 7.5"

• Das Galaktische Zentrum: Über mehr als ein Jahrzehnt verfolgte man Sterne nahe dem Galaktischen Zentrum und bewies, dass dort ein Schwarzes Loch von etwa 4 Millionen Sonnenmassen steckt. Nobelpreis 2020.

  Quelle: Ghez et al., The Astrophysical Journal 2008, "Measuring distance and properties of the Milky Way's central supermassive black hole with stellar orbits"

• B²FH: Diese hundertseitige Arbeit erklärte Schritt für Schritt, wie Sterne die Elemente des Periodensystems schmieden. Wir alle sind Sternenstaub, und hier beginnt dieser Gedanke.

  Quelle: Burbidge, Burbidge, Fowler & Hoyle, Reviews of Modern Physics 1957, "Synthesis of the elements in stars"

• Hoyles Vorhersage: Damit Sterne genug Kohlenstoff erzeugen, sagte Hoyle voraus, dass Kohlenstoff-12 ein besonderes Energieniveau haben muss, was Experimente dann bestätigten.

  Quelle: Hoyle, The Astrophysical Journal Supplement 1954, "On nuclear reactions occurring in very hot stars. I. The synthesis of elements from carbon to nickel"

• Kilonova: Zum ersten Mal wurde dasselbe kosmische Ereignis „gehört“ und „gesehen“: die Verschmelzung zweier Neutronensterne.

  Quelle: Abbott et al., Physical Review Letters 2017, "GW170817: Observation of gravitational waves from a binary neutron star inspiral"

• Woher das Gold kommt: Das bei Neutronensternverschmelzungen ausgeworfene Material enthält große Mengen schwerer Elemente. Das Gold an deinem Ring stammt wahrscheinlich aus einer solchen Kollision.

  Quelle: Kasen et al., Nature 2017, "Origin of the heavy elements in binary neutron-star mergers from a gravitational-wave event"

• Pulsare: Die Doktorandin Jocelyn Bell bemerkte ein sekundengenaues Radiosignal. Zuerst scherzhaft „kleine grüne Männchen“ genannt, stellte es sich als Neutronenstern heraus.

  Quelle: Hewish, Bell et al., Nature 1968, "Observation of a rapidly pulsating radio source"

• Eine Galaxie bei Rotverschiebung 14: Das Webb-Teleskop bestätigte helle Galaxien, die schon etwa 300 Millionen Jahre nach Beginn des Universums existierten, viel früher als erwartet.

  Quelle: Carniani et al., Nature 2024, "Spectroscopic confirmation of two luminous galaxies at a redshift of 14"

• Hubble Deep Field: Hubble starrte zehn Tage lang auf ein kleines Stück „leeren“ Himmel und fing etwa dreitausend Galaxien ein.

  Quelle: Williams et al., The Astronomical Journal 1996, "The Hubble Deep Field: Observations, data reduction, and galaxy photometry"

• Gaia-Sternkarte: Der Satellit Gaia vermaß Positionen und Bewegungen von über einer Milliarde Sternen und schuf die detaillierteste 3D-Karte der Milchstraße.

  Quelle: Gaia Collaboration, Astronomy & Astrophysics 2018, "Gaia Data Release 2. Summary of the contents and survey properties"

• Kalte Dunkle Materie: Wenn Dunkle Materie „kalt“ und langsam ist, sammeln sich Galaxien von unten nach oben Schritt für Schritt, was zu den Beobachtungen passt.

  Quelle: Blumenthal, Faber, Primack & Rees, Nature 1984, "Formation of galaxies and large-scale structure with cold dark matter"

• Die Form der Halos Dunkler Materie: Computersimulationen zeigen, dass kalte Halos Dunkler Materie, von Zwerggalaxien bis zu Galaxienhaufen, alle demselben Dichteprofil folgen. Das Profil wurde später nach seinen drei Autoren benannt.

  Quelle: Navarro, Frenk & White, The Astrophysical Journal 1996, "The structure of cold dark matter halos"

• Das Rezept des Universums: Der Planck-Satellit vermaß die winzigen Schwankungen in der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung: Gewöhnliche Materie macht etwa 5 % der gesamten Energie des Universums aus, Dunkle Materie etwa 27 %, der Rest ist Dunkle Energie.

  Quelle: Planck Collaboration, Astronomy & Astrophysics 2020, "Planck 2018 results. VI. Cosmological parameters"