Die Kosmologie beschäftigt sich mit dem Kosmos bzw. Universum als Ganzem und ist damit ein Teilgebiet der Philosophie und der Physik.

Die physikalische Kosmologie versucht, das Universum mittels physikalischer Gesetzmäßigkeiten zu beschreiben. Dabei ist besonders die heute beobachtete, ungleichmäßige Verteilung der Galaxien im Universum zu verstehen. Haufenbildung mit großen Leerräumen (voids) dazwischen führt dazu, dass man von einem "klumpigen" Universum spricht. Der größte bisher entdeckte langgestreckte Galaxienhaufen, die Große Mauer, ist ca. 500 Mio. Lichtjahre lang.

Weiterhin muss eine umfassende Kosmologie die Kosmische Hintergrundstrahlung, die Expansion des Universums und die Häufigkeit der Elemente im Universum zusammenfassend beschreiben.

Das Standardmodell der Kosmologie ist die heute anerkannte kosmologische Theorie, die viele beobachtete Phänomene zufriedenstellend beschreibt. Darin wird von einem sehr heißen und dichten Frühzustand des Universums (Urknall, englisch Big Bang) ausgegangen. Das Modell bestätigt die folgenden drei Beobachtungen:

1. Häufigkeit der Elemente: In der primordialen Nukleosynthese (englisch Big Bang Nucleosynthesis), kurz nach dem Urknall (10-2 s), war das Universum so heiß, dass Materie in Quarks und Gluonen aufgelöst war. Durch die Expansion und Abkühlung des Universums entstanden Protonen und Neutronen. Nach ca. 1 Sekunde verschmolzen aus Protonen und Neutronen die Kerne leichter Elemente (Deuterium, 3He, 4He, 7Li). Der Prozess endet nach etwa 3 min. Es wurden also die relativen Häufigkeiten der Elemente vor der Bildung der ersten Sterne festgelegt.
2. Kosmische Hintergrundstrahlung (engl. cosmic microwave background radiation CMBR): 1946 von George Gamow postuliert, wurde 1964 durch Arno Penzias und Robert Wilson entdeckt - mit einer mittleren Temperatur von 2,73 Kelvin. Die Hintergrundstrahlung stammt aus der Zeit ca. 300.000 Jahre nach dem Urknall, als das Universum etwa ein tausenstel seiner heutigen Größe hatte. Das ist auch der Zeitpunkt an dem das Weltall transparent wurde, vorher bestand es aus undurchsichtigem ionisiertem Gas. Messungen durch COBE, BALOON, MAP.
3. Expansion des Universums: Edwin Hubble konnte 1929 die Expansion des Weltalls nachweisen, da Galaxien mit wachsender Entfernung eine zunehmende Rotverschiebung in den Spektrallinien zeigen (Dopplereffekt). Proportionalitätsfaktor ist die Hubble-Konstante H, deren Wert zwischen 50 und 80 angenommen wird. Dabei stehen wir nicht im Mittelpunkt der Expansion - der Raum selbst dehnt sich überall gleichmäßig aus (isotropes Universum). Durch Zurückrechnen der Expansion kann man das Alter des Universums (Hubble-Zeit) bestimmen: Für unveränderliches H liegt es zwischen 12,5 und 20 Mrd. Jahren. Die Frage, ob das Universum verzögert, gleichmäßig oder beschleunigt expandiert, ist noch nicht geklärt.

Die einzelnen Phasen der Expansion sind unter Urknall beschrieben. Nach dem Standardmodell der Kosmologie ergibt sich grob folgender Ablauf:

• Planck-Ära; bis 10-43s; alle vier Kräfte noch vereint;
• Inflationäre Phase; endet nach 10-33s bis 10-30s; extreme Expansion um einen Faktor zwischen 1030 und 1050;
• Quark-Ära; bis 10-7s; es bilden sich Quarks, Leptonen und Photonen;
• Hadronen-Ära; bis 10-4s; Protonen, Neutronen und deren Antiteilchen entstehen; außerdem Myonen, Elektronen, Positronen, Neutrinos und Photonen;
• Lepton-Ära; bis 10 s; Myonen zerfallen, Elektronen und Positronen zerstrahlen;
• Strahlungs-Ära; ca. 300.000 Jahre; Wasserstoff, Helium, Lithium entstehen;
• Materie-Ära; bis heute; Universum wird durchsichtig, Galaxien entstehen;

Wichtige Instrumente zur Erforschung des Universums werden heute von Satelliten und Raumsonden getragen: Das Hubble-Weltraumteleskop, ROSAT, Hipparcos und MAP.

Die Steady-State-Theorie (Gleichgewichtstheorie) wurde 1949 durch Fred Hoyle, Thomas Gold und anderen als Alternative zur Urknall-Theorie entwickelt. Während den 1950er und 1960er Jahren wurde diese Theorie von den meisten Kosmologen als führende Theorie akzeptiert. Die Zahl der Anhänger ging später zurück und heutzutage wird sie als "Nicht-Standard-Theorie" betrachtet. Eine davon abgeleitete Variante davon ist die "Quasi-steady-state-Theorie", die von mehreren kleineren "Urknallen" ausgeht, die während einer bestimmten Zeit eingetreten seien.Die "Steady-State-Theorie" wurde aufgrund von Berechnungen postuliert, die zeigten, dass ein statisches Universum unmöglich unter der Annahme der allgemeinen Relativitätstheorie ist. Zudem zeigten Beobachtungen von Edwin Hubble, dass das Universum wohl expansiv ist. Die Theorie postuliert nun, dass das Universum, obwohl es größer wird, sein Aussehen nicht ändern. Damit dies klappt, muss Materie neu gebildet werden, so daß die durchschnittliche Dichte gleich bleibt. Da die Menge der neu zu bildenden Materie klein ist, stellt es kein Problem da, dass die Neubildung von Materie nicht direkt beobachtet werden kann. Obwohl die Theorie das Postulat verletzt, dass die Menge der Materie konstant bleibt, hatte die Theorie attraktive Eigenschaften. Die wohl herausstechenste ist, dass es unter dieser Theorie nicht nötig ist, dass das Universum einen Anfang hat.

Schwierigkeiten diese Theorie weiter aufrechtzuerhalten begannen in den späteren 60er Jahren. Beobachtungen zeigten, dass sich das Universum in der Tat ändert: Quasare und Radiogalaxien (radio galaxies) wurden nur in weit entfernten Galaxien gefunden. Halton Arp interpretierte die vorliegenden Daten seit den 1960er Jahren anders und gab an, dass es Quasare auch im nahe liegenden Virgo cluster gäbe.

Der Niedergang der Steady-State-Theorie wurde beschleunigt durch die Entdeckung der kosmischen Hintergrundstrahlung, welche von der Urknall-Theorie vorausgesagt worden war. Im Jahr 2004 wird die Urknalltheorie von der Mehrheit der Astronomen akzeptiert als beste Annäherung an eine Beschreibung des Ursprungs des Universums. In den meisten Publikationen über Astrophysik wird sie implizit vorausgesetzt. Gleichzeitig jedoch nach der unerwarteten Beobachtung eines sich beschleunigenden Universums (?) in den späten 1990er Jahre sind Anstrengungen im Gange eine "Quasi-steady-state-Theorie" zu entwickeln in der nicht mit einem großen Urknall sondern mit einer Folge von mehreren kleineren die Materie erschaffen wurde.

Erste Aufzeichnungen von mythischen Kosmologien sind aus China (I Ging, Buch der Wandlungen) aus dem 3. Jahrtausend vor Chr. und später aus Babylon (Enuma Elish) und der vorionischen Zeit (Theogonie des Hesiod) bekannt. Die babylonischen Mythen - welche vermutlich auf ältere sumerische Mythen zurückgehen und ihrerseits wieder Vorlage für die christliche Genesis sein dürften - und Himmelsbeobachtungen haben wahrscheinlich auch die spätere griechischen kosmologischen Weltentwürfe beeinflusst und sind damit Ausgangspunkt der abendländischen bzw. der heutigen wissenschaftlichen Kosmologie.

Während die frühen Kosmologien noch weitgehend mythischen Charakter hatten, beginnt bei den griechschen Denkern Thales von Milet, vor allem aber bei Anaximander (6. Jhd. vor Christus), der Prozess der Rationalisierung. Waren frühere mythologische Kosmologien rein beschreibend, ohne nach kausalen Zusammenhängen zu suchen, so entwirft Anaximander erstmals ein rationales Weltbild welches auf gesetzmößigen kausalen Zusammenhängen basiert und in dem die Himmelobjekte keine Götter mehr sind, sondern physikalischer Natur. In die gleiche Richtung gehen die kosmologischen Entwürfe der Atomisten Demokrit, Anaxagaras.

Eine weitere wichtige Entwicklung ist das erste historisch überlieferte System, in dem die Erde nicht im Zentrum steht und von kugelförmiger Gestalt ist, das von Philolaos, einem Schüler von Pythagoras, im 5./4. Jhd. entworfen wurde.

Im Gegensatz dazu bedeutet die Kosmologie, die Platon (5/4.Jhd.v.Chr.) im Timaios entwirft, wieder einen Schritt zurück zu mythologischen Vorstellungen, indem er die Himmelsobjekte wieder als von personalen, mit Verstand ausgerüsteten göttliche Wesen annimmt. Die Erde war in Platons Vorstellung eine Kugel, die seiner Vorstellung nach im Zentrum des Kosmos ruhte. Zwar drängt Platons Schüler Aristoteles in seiner Kosmologie die Auffassung Platons von der göttlichen Natur der Himmelsobjekte wieder zurück, ohne jedoch ganz zu einer rationalen Kosmologie zurückzukehren. Die Planeten und die Sonne selbst sind bei ihm keine göttlichen Wesen, deren Bewegungen werden jedoch von einem "ersten unbewegten Beweger" hervorgerufen.

Eudoxos von Knidos entwirft Anfang des 4. Jahrhunderts ein Sphärenmodell, das von Kallippos weiterentwickelt wurde und erstmals die retrograden Schleifenbewegungen der Planeten beschreiben konnte und das sowohl Aristoteles als auch das Ptolemaische Weltbild beeinflussten. Messungen von Eratosthenes, der im 3. Jahrhundert vor Christus den Umfang der Erde mit guter Genauigkeit bestimmte, und auch von Aristyllus und Timocharis zeigten jedoch Abweichungen der Planetenbewegungen von den nach Eudoxos" Methode berechneten Positionen. Apollonios von Perge entwickelt im 3. Jahrhundert vor Christus eine Methode der Berechnung von Planetenbahnen mithilfe von Epizykeln, d.h er lässt Kreisbewegungen der Planeten zu, deren Mittelpunkt selbst wieder auf einer Kreisbahn liegt.

Neben den Pythagoreern, welche ihre Kosmologie mit bewegter Erde weiterentwickelten, vertrat Heraklides (4.Jhd.v.Chr.) ein zwar geozenrisches Weltbild, gemäß dem sich die Erde aber erstmals in 24 Stunden einmal um die Achse drehte. Aristarch von Samos (3/2 Jhd.v.Chr) vertrat ein heliozentrisches Weltmodell, welches sich allerdings nicht durchsetzen konnte, und weswegen er der Gottlosigkeit beschuldigt wurde.

Hipparch von Nikaia entwickelte im 2ten vorchristlichen Jahrhundert Beobachtunginstrumente deren Bedeutung für die astronomische Beobachtung erst später, durch die Entwicklung des Fernrohrs, übertroffen wurde.

Ptolemaios (2.Jhd.n.Chr.) beschrieb im Almagest, einem sehr umfangreichen Werk, eine geozentrische Kosmologie, welche mit den meisten Beobachtungen seiner Zeit in Einklang zu bringen war und bis zur Durchsetzung des Kopernikanischen Weltbildes allgemein anerkannt wurde.

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