Galaxien und das expandierende Universum
Einstein wandte seine Gravitationstheorie fast sofort auf das Universum als Ganzes an und veröffentlichte 1917 seine erste kosmologische Arbeit. Da er mit den jüngsten Arbeiten in der Astronomie nicht gut vertraut war, nahm er an, dass das Universum statisch und unveränderlich war. Einstein nahm an, dass die Materie gleichmäßig im Universum verteilt war, konnte jedoch keine statische Lösung für seine Feldgleichungen finden. Das Problem war, dass die gegenseitige Gravitation der gesamten Materie im Universum dazu neigen würde, das Universum zusammenzuziehen. Daher führte Einstein einen zusätzlichen Begriff ein, der einen Faktor Λ enthält, die „kosmologische Konstante“. Der neue Begriff lieferte eine universelle kosmische Abstoßungskraft, die in großen Entfernungen wirken konnte, um den Auswirkungen der Schwerkraft entgegenzuwirken. Als er später von der Expansion des Universums erfuhr, beschrieb Einstein die kosmologische Konstante als den größten Fehler seiner Karriere. (Aber die kosmologische Konstante hat sich in die Kosmologie des späten 20. und 21. Jahrhunderts zurückgeschlichen. Selbst wenn Einstein sich geirrt hat, war er oft auf etwas Tiefgründiges fixiert.)
Einsteins statische Lösung stellte ein Universum mit endlichem Volumen dar, aber ohne Kanten, da der Raum auf sich selbst zurückgebogen war. So könnte ein imaginärer Reisender für immer in einer geraden Linie reisen und niemals an einen Rand des Universums gelangen. Der Raum hat eine positive Krümmung, so dass sich die Winkel in einem Dreieck zu mehr als 180 ° addieren, obwohl der Überschuss nur in Dreiecken mit ausreichender Größe erkennbar wäre. (Eine gute zweidimensionale Analogie ist die Erdoberfläche. Sie hat eine begrenzte Fläche, aber keine Kante.)
Zu Beginn des 20. Jahrhunderts glaubten die meisten professionellen Astronomen immer noch, dass die Milchstraße im Wesentlichen dasselbe ist wie das sichtbare Universum. Eine Minderheit glaubte an eine Theorie der Inseluniversen - dass die Spiralnebel riesige Sternensysteme sind, vergleichbar mit der Milchstraße, und mit riesigen leeren Abständen zwischen ihnen durch den Weltraum verstreut sind. Ein Einwand gegen die Inseluniversumstheorie war, dass nur sehr wenige Spiralen in der Nähe der Ebene der Milchstraße, der sogenannten Zone der Vermeidung, zu sehen sind. Daher müssen die Spiralen irgendwie Teil des Milchstraßensystems sein. Der amerikanische Astronom Heber Curtis wies jedoch darauf hin, dass einige Spiralen, die direkt betrachtet werden können, offensichtlich große Mengen Staub in ihren „äquatorialen“ Ebenen enthalten. Man könnte auch erwarten, dass die Milchstraße in ihrer Ebene große Staubmengen aufweist, was erklären würde, warum dort viele dunkle Spiralen nicht zu sehen sind; Die Sicht ist in niedrigen galaktischen Breiten einfach verdeckt. 1917 fand Curtis auch drei Novae auf seinen Spiralfotografien; Die Ohnmacht dieser Novae implizierte, dass sich die Spiralen in großer Entfernung von der Milchstraße befanden.
Der statische Charakter des Universums wurde bald in Frage gestellt. 1912 hatte der amerikanische Astronom Vesto M. Slipher am Lowell Observatory in Arizona begonnen, die Radialgeschwindigkeiten von Spiralnebeln zu messen. Die erste Spirale, die Slipher untersuchte, war der Andromeda-Nebel, der sich mit einer Annäherungsgeschwindigkeit von 300 km / s in Richtung der Milchstraße als bläulich verschoben herausstellte, dh der größten Geschwindigkeit, die jemals für einen Himmelskörper gemessen wurde Objekt bis zu diesem Zeitpunkt. Bis 1917 hatte Slipher Radialgeschwindigkeiten für 25 Spiralen, einige bis zu 1.000 km (600 Meilen) pro Sekunde. Objekte, die sich mit solchen Geschwindigkeiten bewegen, könnten kaum zur Milchstraße gehören. Obwohl einige blau verschoben waren, war die überwiegende Mehrheit rot verschoben, was einer Bewegung von der Milchstraße entsprach. Die Astronomen kamen jedoch nicht sofort zu dem Schluss, dass sich das Universum ausdehnt. Da die Spiralen von Slipher nicht gleichmäßig über den Himmel verteilt waren, verwendeten die Astronomen die Daten, um die Geschwindigkeit der Sonne in Bezug auf das Spiralsystem abzuleiten. Die meisten Spiralen von Slipher befanden sich auf der einen Seite der Milchstraße und gingen zurück, während sich einige auf der anderen Seite befanden und sich näherten. Für Slipher war die Milchstraße selbst eine Spirale, die sich in Bezug auf ein größeres Spiralfeld bewegte.
1917 fand der niederländische Mathematiker Willem de Sitter eine andere scheinbar statische kosmologische Lösung der Feldgleichungen, die sich von der von Einstein unterscheidet und eine Korrelation zwischen Entfernung und Rotverschiebung zeigte. Obwohl nicht klar war, dass de Sitters Lösung das Universum beschreiben könnte, da es keine Materie enthält, motivierte dies die Astronomen, nach einer Beziehung zwischen Entfernung und Rotverschiebung zu suchen. 1924 veröffentlichte der schwedische Astronom Karl Lundmark eine empirische Studie, die eine ungefähr lineare Beziehung (wenn auch mit viel Streuung) zwischen den Abständen und Geschwindigkeiten der Spiralen ergab. Die Schwierigkeit bestand darin, die Entfernungen genau genug zu kennen. Lundmark verwendete Novae, die im Andromeda-Nebel beobachtet worden waren, um den Abstand dieses Nebels zu bestimmen, indem angenommen wurde, dass diese Novae die gleiche durchschnittliche absolute Helligkeit haben würden wie Novae in der Milchstraße, deren Entfernungen ungefähr bekannt waren. Für weiter entfernte Spiralen berief sich Lundmark auf die groben Annahmen, dass diese Spiralen den gleichen Durchmesser und die gleiche Helligkeit wie der Andromeda-Nebel haben müssten. Somit fungierten die Novae als Standardkerzen (dh Objekte mit einer definierten Helligkeit), und für weiter entfernte Spiralen wurden die Spiralen selbst zur Standardkerze.
Theoretisch untersuchte der russische Mathematiker Aleksandr Friedmann zwischen 1922 und 1924 nichtstatische kosmologische Lösungen für Einsteins Gleichungen. Diese gingen über Einsteins Modell hinaus, indem sie die Expansion oder Kontraktion des Universums ermöglichten, und über de Sitters Modell hinaus, indem sie dem Universum erlaubten, Materie zu enthalten. Friedmann führte auch kosmologische Modelle mit negativer Krümmung ein. (In einem negativ gekrümmten Raum summieren sich die Winkel eines Dreiecks auf weniger als 180 °.) Friedmanns Lösungen hatten wenig unmittelbare Auswirkungen, teils wegen seines frühen Todes im Jahr 1925, teils weil er seine theoretische Arbeit nicht mit astronomischen Beobachtungen verbunden hatte. Es half nicht, dass Einstein eine Notiz veröffentlichte, in der behauptet wurde, Friedmanns Papier von 1922 enthielt einen fundamentalen Fehler; Einstein zog diese Kritik später zurück.
