Wie wir uns die Entwicklung des Alls vom Urknall bis zur Geburt der Sterne vorstellen
Die Theorie vom Urknall ist die heute am weitesten verbreitete wissenschaftliche Theorie über die Entstehung des Weltalls und damit der Entstehung unserer Welt. Es gibt keine andere Theorie, die so gut mit den experimentellen Beobachtungen übereinstimmt. Aber dennoch ist man sich sicher, dass noch nicht alles erforscht ist und sich neue Erkenntnisse ergeben werden.
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Die Urknall-Theorie geht auf Einstein (s. Bild) und seine Erkenntnisse zurück. Bis zu diesem Zeitpunkt hat die Allgemeinheit (auch Einstein gehörte dazu) noch an ein zeitlich unbewegtes Universum geglaubt. 1929 hat dann Edwin Hubble (1889-1953) die sogenannte Rotverschiebung entdeckt. Hubble hat die Spektren von Galaxien und Sternen gemessen. Er fand heraus, dass die Spektrallinien in Richtung der längeren Wellenlänge, also in Richtung der Spektralfarbe Rot, verschoben sind. Das heißt, je weiter die untersuchten Objekte von uns entfernt sind, um so größer ist diese als Rotverschiebung bezeichnete Veränderung in der Wellenlänge der ausgewählten Strahlung. |
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Aufgrund dieser Rotverschiebung aller Galaxien schloss man, dass sie sich von uns und von einander entfernen. Der Ursache kann nicht eine gemeinsame gerichtete eigene Bewegung sein. Vielmehr werden alle Galaxien quasi durch den sich ausdehnenden Raum mitgerissen. Zur Verdeutlichung kann man sich einen Hefeteig mit Rosinen vorstellen. Wenn der Teig (Raum) aufgeht (sich ausdehnt), werden die Rosinen (Galaxien/Sterne) mitgenommen. Folglich entfernen sich alle voneinander. Es ist bei einer solchen Teig- (Raum-) Expansion nicht möglich, dass sich zwei Rosinen (Galaxien) einander nähern! Natürlich gibt es Ausnahmen von der Regel. Aber diese passieren nicht sehr oft. In diesen Ausnahmefällen nähern sich zwei Galaxien wegen ihrer großen lokalen Gravitationskräfte. Auf diesem Kollisionskurs bewegt sich auch unsere Milchstraße. Sie wird in circa 3 Milliarden Jahren mit dem Andromeda-Nebel verschmelzen. |
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Aus dieser Expansion folgt zwangsläufig: Früher muss die Materie stärker komprimiert gewesen sein. Es muss außerdem auch heißer gewesen sein. Diesen Effekt kann man leicht nachvollziehen. Stell dir einfach einen Fahrradreifen beim Aufpumpen vor: Durch das Komprimieren der Luft erwärmt sich der Reifen. Umgekehrt kühlt sich die Luft ab, wenn wir sie aus dem Reifen in den Raum entlassen. |
Der amerikanische Physiker George Gamow (1904-1968) dachte den Gedanken weiter: In seinen Berechnungen komprimierte er den Kosmos soweit, bis ihm seine mathematischen Formeln nur noch eine Erklärung ließen: Es muss "Peng!" gemacht haben. Somit ist der gesamte Kosmos für menschliche Verhältnisse mit einem Schlag, explosionsartig, entstanden. Die Idee vom Urknall machte die Runde - der Begründer dieser Wortschöpfung, der britische Physiker Sir Fred Hoyle (1915-2001), grummelt noch heute verbittert: "Wenn ich mir diesen Begriff doch nur rechtzeitig hätte patentieren lassen!"
Aber wie kann man sich den Urknall nun etwas genauer vorstellen?
Wir denken uns nun die Entwicklung des Alls in umgekehrter Zeitrichtung: Es schrumpft immer mehr zusammen, die Ausdehnung wird immer kleiner und die Massendichte immer größer. Irgendwann kommt man in Größenbereiche, in denen Effekte der Quantenwelt eine Rolle spielen. Das ist spätestens bei Erreichen der Planckzeit, 10-43 Sekunden nach dem Urknall der Fall. Mit unseren heutigen Theorien lassen sich diese Zustände allerdings nicht beschreiben: die Relativitätstheorie gilt nur für großräumige Dimensionen, die Quantenmechanik schließt dagegen die Gravitation aus. Zwar wurden mehrere Theorien aufgestellt, wie die Urexplosion aus dem Nichts entstanden sein könnte (u.a. die Theorie über das Higgs-Feld), doch was genau in der Zeit vor dem Erreichen der Planckzeit explodierte, weiß niemand genau.
Deshalb gehen wir weiter in der Zeit und sehen uns mal an wie das alles so der Reihe nach abgelaufen ist.
 (Grafik: Cern) |
In den ersten 10-35 Sekunden wächst das Universum schlagartig und dehnt sich um das 1050 fache aus. In diesem Inflationsphase genannten Zeitraum sind die Vorgänge so kompliziert, dass ich sie hier nicht weiter beschreiben werde. Mehr Informationen dazu findest du unter Links. |
Die Materie gewann das "Große Schlachten", da sie auf heute immer noch ungeklärte Weise einen etwas größeren Anteil als die Antimaterie hatte. Dieser geringe Überschuss reichte aus unseren heutigen Kosmos zu bilden.
Nach 10-15 Sekunden hat das Universum bereits die Größe eines Tennisballs erreicht; und alle Materie sowie Strahlung hatten sich gebildet.
In dieser frühen Phase muss es kleinste Unterschiede in der Dichte beziehungsweise Verteilung der Materie gegeben haben. Diese Unterschiede vergrößerten sich dann später immer weiter bis hin zu den uns heute bekannten Galaxien-Superhaufen (Cluster) und den dazwischenliegenden Leerräumen.
Bis etwa eine Sekunde nach dem Urknall bildeten sich dann aus den Quarks die Elektronen, Positronen etc.
Etwa eine Sekunde nach dem Urknall vernichteten sich die Elektronen-Positronen-Paare. Danach gab es keine Möglichkeit mehr weitere Neutronen zu bilden. Heute wissen wir, dass Neutronen bereits nach 10 Minuten zerfallen. Die meisten Neutronen hatten damals aber gar keine Zeit dazu. Sie waren so eng mit den Protonen zusammen, dass sie mit selbigen wechselwirkten und zu Deuterium fusionierten (s. Entstehung der Elemente).
Danach konnten aufgrund der nachlassenden Temperatur kaum noch Kernreaktionen stattfinden. Es wurden nur noch Spuren von Lithium gebildet.
1000 Sekunden nach dem Urknall war das Universum schon so stark abgekühlt, dass keine weiteren Reaktionen mehr ablaufen konnten. Der Kosmos war nun praktisch "fertig". Seine Masse besteht zu etwa 75% aus Protonen (Wasserstoff), zu rund 24% aus Helium und zu nur 1% aus schweren Elementen.
Nach 300 000 Jahren fing das Universum an durchsichtig zu werden und nach 1 Milliarde Jahren formierten sich die ersten Sterne und Galaxien.
Wie die chemischen Elemente nun genau entstanden, wird auf der nachfolgenden Seite beschrieben.
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