Die Entstehung des Universums

Urknall


Im Weltall sind Millionen Sternsysteme, Galaxien genannt, was aus
dem Altgriechischen abgeleitet Milchstraßen bedeutet, beobachtbar.
Die von den Sternen und vom zwischen den Sternen befindlichen
Wasserstoffgas ausgesandten Spektrallinien informieren über die
Radialgeschwindigkeiten der Galaxien, die Relativgeschwindigkeiten
in Richtung der Sichtlinie. Aus der Physik ist bekannt, bewegt sich
eine Lichtquelle auf den Beobachter zu, so erscheinen dem
Beobachter die von der Quelle ausgesandten Spektrallinien zu
kürzeren Wellenlängen hin verschoben, im Falle von Spektrallinien
im sichtbaren Licht zum Blauen hin. Entfernen sich Quelle und
Beobachter voneinander, so erscheinen die Spektrallinien zu
größeren Wellenlängen hin verschoben, im Falle von Spektrallinien
im sichtbaren Licht zum Roten hin. Diese nach ihrem Entdecker
benannte Doppler-Verschiebung von Spektrallinien ist proportional
der Radialgeschwindigkeit; doppelte Geschwindigkeit bewirkt eine
doppelt so große Verschiebung. Die Proportionalität gilt in
Strenge, solange die Geschwindigkeit nicht zu groß, nicht ein
beträchtlicher Bruchteil der Lichtgeschwindigkeit ist.

Bei den Galaxien unserer näheren Umgebung werden etwa ebenso viele
Spektrallinienverschiebungen in die eine wie in die andere Richtung
beobachtet. Dagegen werden bei den entfernteren Galaxien nur
Linienverschiebungen zu größeren Wellenlängen beobachtet, welche um
so größer sind, je weiter die Galaxien von uns entfernt sind. In
alle Richtungen sind Gruppen von Galaxien bis zu größten
Entfernungen zu beobachten. Von Galaxien gänzlich freie Großräume
sind nicht festzustellen. Diese Beobachtungen lassen nach unseren
physikalischen Kenntnissen nur eine Deutung zu: Die Galaxien - mit
Ausnahme der unmittelbar benachbarten - fliegen systematisch von
uns weg mit um so größerer Geschwindigkeit, je entfernter sie sind.
Ein derartiges Verhalten ist nur möglich, wenn alle Galaxien nicht
nur von uns wegfliegen, sondern wenn sie alle in genau derselben
Weise ihre wechselseitigen Abstände vergrößern. Der der Beobachtung
zugängliche Kosmos expandiert gleichförmig.

Wenn die Galaxien alle voneinander wegfliegen, so muß die Expansion
einmal aus einem engen Raumbereich heraus begonnen haben. Ungefähre
Grenzen für das mögliche Alter unseres Kosmos von diesem Beginn an
können an den Sternen in Verbindung mit der Theorie der
Sternenentwicklung abgelesen werden: 15 bis 25 Milliarden Jahre.

Je entfernter eine Galaxie, um so weiter blicken wir in die
Vergangenheit des Kosmos zurück. Licht von den entferntesten
Galaxien, also Licht aus früher Zeit der Expansion, brauchte
Milliarden Jahre, bis es die Expansion überwindend uns erreichte.
Von der uns nächsten großen Galaxie, der Andromeda-Galaxie, braucht
das Licht bis zu uns etwa zwei Millionen Jahre, zum Durchqueren
unseres Milchstraßensystems ungefähr 100000 Jahre.

In der Standardtheorie zur Beschreibung der Expansion des Kosmos
gehen die Theoretiker davon aus, daß die Expansion sich in jedem
Punkt innerhalb der expandierenden Welt gleich ausnahm, nämlich von
jedem Punkt aus betrachtet in alle Richtungen gleich aussehend, das
heißt isotrop, und von Punkt zu Punkt gleich, das heißt homogen.
Bezüglich des heutigen Weltraums bedeutet dies insbesondere, daß
die Materie der Galaxien als gleichmäßig verteilt gedacht wird.

In den ersten Sekunden der explosionsartig sich vollziehenden
Ursprungsphase der Expansion, kurz nach dem sogenannten Urknall,
bestand das sehr heiße und unvorstellbar dichte Materiegemenge nur
aus Elementarteilchen und Antiteilchen und höchstenergetischer
elektromagnetischer Strahlung. Atome gab es noch nicht, dagegen
ihre Bestandteile Protonen, Neutronen, Elektronen sowie auch
Positronen, die zu den Elektronen zugehörigen Antiteilchen, die die
gleiche Masse und eine gleich große, aber entgegengesetzte
elektrische Ladung besitzen wie die Elektronen. Die Bezeichnung
Antiteilchen rührt daher, daß Teilchen und Antiteilchen, wenn sie
zusammenstoßen, sich gegenseitig vernichten; sie zerstrahlen
entweder in leichtere, sehr kurzlebige Teilchen oder direkt zu
Gammaquanten, welche die Teilchen des energiereichsten Teils des
bekannten elektromagnetischen Strahlungsspektrums sind, von dem das
Licht nur ein kleiner Ausschnitt ist. Treffen ein Elektron und ein
Positron aufeinander, so zerstrahlen sie direkt in zwei
Gammaquanten.

In den ersten Sekunden entstehen durch Teilchen-Antiteilchen-
Vernichtung sehr viele Gammaquanten. Die Energiedichte der
Strahlung beginnt die Energiedichte der Teilchen, also der
massebehafteten Materie zu überwiegen. In den darauffolgenden
ersten Minuten beginnen sich die ersten leichtesten Atomkerne
(insbesondere der aus zwei Protonen und zwei Neutronen bestehende
Heliumkern) zu bilden. Kerne mit fest gebundenen Elektronen, also
Atome, können sich erst viel später, nach über 100000 Jahren, wenn
Materiedichte und Temperatur stark abgenommen haben, bilden.

Ungefähr eine Million Jahre nach dem Urknall, wenn die
Energiedichte der Massen die Energiedichte der Strahlung überwiegt,
beginnt die Zeit, in deren Verlauf unter dem Einfluß der
Schwerkraft die Bildung von Galaxien und dann auch von Sternen
möglich wird.

Das Strahlungsfeld der in der Frühzeit durch die Teilchen-
Antiteilchen-Vernichtung entstandenen Gammaquanten sollte heute in
isotroper Verteilung gegenwärtig sein, allerdings nicht in Form der
Gammaquanten, sondern in Form viel energieärmerer Strahlung einer
viel geringeren Temperatur, als sie in der Frühzeit herrschte, da
die Temperatur der Strahlung während der Expansion abnimmt.
Vorausgesagt wurde im Rahmen der Standardtheorie eine heute
allgegenwärtige isotrope Hohlraumstrahlung mit wenigen Grad über
dem absoluten Nullpunkt, das sind weniger als minus 260 Grad
Celsius. Tatsächlich wurde eine sehr isotrope 2,7 Grad
Hintergrundstrahlung mit einem Intensitätsmaximum bei 1,7 mm
Wellenlänge gemessen.

Wie es zum Urknall genau kam und wie sich der Kosmos weiter
entwickeln wird, sind Fragen, die nicht sicher zu beantworten sind,
über die nur philosophiert werden kann. Die derzeitige Expansion
des Kosmos wird durch die wechselseitige Massenanziehung verzögert.
Ob die Massen ausreichen, um die Expansion ganz abzubremsen, konnte
bis jetzt trotz großer Bemühungen nicht geklärt werden. Die bisher
beobachtete mittlere Massendichte reicht dazu nicht aus. Wären
Neutrinos und Antineutrinos, von denen bekannt ist, daß sie in sehr
großer Zahl überall im Kosmos gegenwärtig sind, nicht, wie zur Zeit
meistens angenommen, masselos, sondern Teilchen mit einer winzigen
Masse, worüber durch das Experiment bisher nicht entschieden werden
konnte, da Neutrinos mit Materie fast nicht wechselwirken, so
reichte die Massendichte aus, die Expansion so abzubremsen, daß die
Entwicklung rücklaufen würde und es erneut zu einem Urknall kommen
könnte. Eine solche rückläufige Entwicklung - hätte sie schon
einmal stattgefunden - würde im Rahmen der Standardtheorie gut zur
Vorstellung des Urknalls passen: Die Verdichtung der Materie führte
zur Explosion. Einzelheiten in der Beschreibung der Explosion sind
Theorie. Vielleicht ist unser Kosmos auch nicht der einzige seiner
Art.

Weiterführende Literatur:

Weinberg, Steven: Die ersten drei Minuten. Der Ursprung des
Universums. 1992.

Silk, Joseph: Der Urknall. Die Geburt des Universums. 1990.
 

 

 

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