Der Urknall: Was geschah wirklich bei der Geburt unseres Universums?

Hier abgebildet ist das Hubble-Weltraumteleskop

Hier ist das Foto des Hubble-Weltraumteleskops einer Kandidatengalaxie zu sehen, die 480 Millionen Jahre nach dem Urknall existierte (die z~10-Galaxie) und die Position im Hubble Ultra Deep Field (HUDF), wo sie gefunden wurde. Die Galaxie wird als die älteste und am weitesten entfernte Galaxie angepriesen, die Hubble je gesehen hat. Dieses Feld – HUDF09 genannt – ist das tiefste Infrarotbild, das jemals vom Universum aufgenommen wurde. (Bildnachweis: NASA, ESA, Garth Illingworth (University of California, Santa Cruz) und Rychard Bouwens (University of California, Santa Cruz and Leiden University) und das HUDF09-Team.)

Es dauerte etwas mehr als sieben Tage, um das Universum, wie wir es heute kennen, zu erschaffen. guesswhozoo.com befasst sich in unserer achtteiligen Serie mit den Geheimnissen des Himmels: Die Geschichte & Zukunft des Kosmos. Dies ist Teil 5 dieser Serie.

Unser Universum wurde vor etwa 13,7 Milliarden Jahren in einer massiven Expansion geboren, die den Weltraum wie ein riesiger Ballon in die Luft sprengte.

Das ist, kurz gesagt, die Urknalltheorie, die praktisch alle Kosmologen und theoretischen Physiker befürworten. Die Beweise, die die Idee unterstützen, sind umfangreich und überzeugend. Wir wissen zum Beispiel, dass sich das Universum auch jetzt noch immer schneller ausdehnt.

Wissenschaftler haben auch einen vorhergesagten thermischen Abdruck des Urknalls entdeckt, der das Universum durchdringende kosmische Mikrowellen-Hintergrundstrahlung. Und wir sehen keine Objekte, die offensichtlich älter als 13,7 Milliarden Jahre sind, was darauf hindeutet unser Universum entstand um diese Zeit.

'All diese Dinge stellen den Urknall auf ein extrem solides Fundament', sagte der Astrophysiker Alex Filippenko von der University of California in Berkeley. 'Der Urknall ist eine enorm erfolgreiche Theorie.'

Was lehrt uns diese Theorie? Was geschah wirklich bei der Geburt unseres Universums und wie nahm es die Gestalt an, die wir heute beobachten? [ Infografik-Tour: Geschichte & Struktur des Universums ]

Diese Grafik zeigt eine Zeitleiste des Universums basierend auf der Urknalltheorie und Inflationsmodellen.

Diese Grafik zeigt eine Zeitleiste des Universums basierend auf der Urknalltheorie und Inflationsmodellen.(Bildnachweis: NASA/WMAP)

Der Anfang

Die traditionelle Urknalltheorie geht davon aus, dass unser Universum mit einer Singularität begann – einem Punkt unendlicher Dichte und Temperatur, dessen Natur für unseren Verstand schwer zu erfassen ist. Dies spiegelt die Realität jedoch möglicherweise nicht genau wider, sagen Forscher, da die Singularitätsidee auf Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie basiert.

'Das Problem ist, dass es keinen Grund gibt, in diesem Regime an die allgemeine Relativitätstheorie zu glauben', sagte Sean Carroll, theoretischer Physiker am Caltech. „Es wird falsch sein, weil es die Quantenmechanik nicht berücksichtigt. Und die Quantenmechanik wird sicherlich wichtig sein, wenn Sie einmal an diesem Ort in der Geschichte des Universums angekommen sind.'

Der Anfang des Universums bleibt also ziemlich düster. Wissenschaftler glauben, dass sie die Geschichte etwa 10 bis minus 36 Sekunden – ein Billionstel einer Billionstel einer Billionstel Sekunde – nach dem Urknall wieder aufnehmen können.

Zu diesem Zeitpunkt, so glauben sie, erlebte das Universum eine extrem kurze und dramatische Inflationsperiode, die sich schneller als Lichtgeschwindigkeit ausdehnte. Seine Größe verdoppelte sich vielleicht 100-mal oder mehr, und das alles innerhalb weniger winziger Bruchteile einer Sekunde. [ In 10 einfachen Schritten vom Urknall bis jetzt ]

(Die Inflation mag die spezielle Relativitätstheorie zu verletzen scheinen, aber das ist nicht der Fall, sagen Wissenschaftler. Die spezielle Relativitätstheorie besagt, dass keine Information oder Materie schneller als die Lichtgeschwindigkeit zwischen zwei Punkten im Raum transportiert werden kann. Aber Inflation war eine Expansion von Raum selbst.)

'Inflation war der 'Knall' des Urknalls', sagte Filippenko gegenüber guesswhozoo.com. Wir brauchten so etwas wie Inflation, um das Universum groß zu machen.'

Dieses schnell expandierende Universum war so gut wie leer von Materie, aber es beherbergte riesige Mengen dunkler Energie, so die Theorie. Dunkle Energie ist die mysteriöse Kraft, von der Wissenschaftler glauben, dass sie die sich beschleunigende Expansion des Universums antreibt.

Während der Inflation hat dunkle Energie das Universum geglättet und beschleunigt. Aber es hielt nicht lange.

'Es war nur vorübergehend dunkle Energie', sagte Carroll gegenüber guesswhozoo.com. „Es wurde durch einen Prozess namens Wiedererwärmung in gewöhnliche Materie und Strahlung umgewandelt. Das Universum wurde während der Inflation von kalt zu heiß, als die ganze dunkle Energie verschwunden war.'

Wissenschaftler wissen nicht, was die Inflation angekurbelt haben könnte. Das bleibt eine der Schlüsselfragen in der Urknall-Kosmologie, sagte Filippenko.

Der Galaxienhaufen Abell 1689 ist berühmt für die Art und Weise, wie er Licht in einem Phänomen beugt, das als Gravitationslinseneffekt bezeichnet wird. Das Studium des Clusters hat Geheimnisse darüber enthüllt, wie dunkle Energie das Universum formt.

Der Galaxienhaufen Abell 1689 ist berühmt für die Art und Weise, wie er Licht in einem Phänomen beugt, das als Gravitationslinseneffekt bezeichnet wird. Das Studium des Clusters hat Geheimnisse darüber enthüllt, wie dunkle Energie das Universum formt.(Bildnachweis: NASA, ESA, E. Jullo (JPL/LAM), P. Natarajan (Yale) und J-P. Kneib (LAM))

Eine andere Idee

Die meisten Kosmologen betrachten die Inflation als die führende Theorie zur Erklärung der Eigenschaften des Universums – insbesondere, warum es relativ flach und homogen ist, mit ungefähr der gleichen Menge an Dingen, die gleichmäßig in alle Richtungen verteilt sind.

Verschiedene Beweise deuten darauf hin, dass Inflation Realität ist, sagte der theoretische Physiker Andy Albrecht von der University of California, Davis. [ Bilder: Blick zurück zum Urknall ]

'Sie alle hängen ziemlich gut mit dem Inflationsbild zusammen', sagte Albrecht, einer der Architekten der Inflationstheorie. 'Die Inflation hat sich unglaublich gut entwickelt.'

Inflation ist jedoch nicht die einzige Idee, die versucht, die Struktur des Universums zu erklären. Theoretiker haben ein anderes entwickelt, das als zyklisches Modell bezeichnet wird und auf einem früheren Konzept basiert, das als ekpyrotisches Universum bezeichnet wird.

Diese Idee besagt, dass unser Universum nicht aus einem einzigen Punkt oder etwas Ähnlichem entstanden ist. Vielmehr „hüpfte“ es in Expansion – in einem viel langsameren Tempo, als die Inflationstheorie vorhersagt – aus einem bereits existierenden Universum, das sich geschrumpft hatte. Wenn diese Theorie richtig ist, hat unser Universum wahrscheinlich eine endlose Abfolge von 'Ponys' und 'Crunches' erlebt.

'Der Anfang unseres Universums wäre schön und endlich gewesen', sagte Burt Ovrut von der University of Pennsylvania, einer der Begründer der ekpyrotischen Theorie.

Das zyklische Modell geht davon aus, dass unser Universum aus 11 Dimensionen besteht, von denen wir nur vier beobachten können (drei räumliche und eine zeitliche). Unser vierdimensionaler Teil des Universums wird Brane (kurz für Membran) genannt.

Da draußen im 11-dimensionalen Raum könnten noch andere Branen lauern, so die Idee. Eine Kollision zwischen zwei Branen könnte das Universum von einer Kontraktion zu einer Expansion gerissen haben und den Urknall ankurbeln, für den wir heute Beweise sehen.

Auf der Suche nach Gravitationswellen

Bald wissen Wissenschaftler vielleicht, welche Theorie – Inflation oder das zyklische Modell – die Realität besser abbildet.

Zum Beispiel würde Inflation wahrscheinlich viel stärkere Gravitationswellen erzeugen als ein ekpyrotischer 'Abprall', sagte Filippenko. Forscher suchen daher nach Anzeichen für diese theoretischen Verzerrungen der Raumzeit, die noch nicht beobachtet werden müssen.

Der 2009 gestartete Satellit Planck der Europäischen Weltraumorganisation könnte die schwer fassbaren Gravitationswellen finden. Es könnte auch andere Beweise sammeln, die in beide Richtungen den Ausschlag geben könnten, sagte Ovrut.

'Dies sind Dinge, die in den nächsten 10 Jahren diskutiert und hoffentlich entschieden werden', sagte Ovrut gegenüber guesswhozoo.com.

Das Universum, das wir kennen, nimmt Gestalt an

Kosmologen vermuten, dass die vier Kräfte, die das Universum regieren – Schwerkraft, Elektromagnetismus und die schwachen und starken Kernkräfte – bei der Geburt des Universums zu einer einzigen Kraft vereint waren, die aufgrund der extremen Temperaturen und Dichten zusammengequetscht wurden.

Aber die Dinge änderten sich, als sich das Universum ausdehnte und abkühlte. Um die Zeit der Inflation ist die starke Kraft wahrscheinlich ausgeschieden. Und um ungefähr 10 Billionstel Sekunden danach der Urknall , auch die elektromagnetischen und schwachen Kräfte wurden deutlich.

Kurz nach der Inflation war das Universum wahrscheinlich mit einem heißen, dichten Plasma gefüllt. Aber um etwa 1 Mikrosekunde (10 bis minus 6 Sekunden) war es so weit abgekühlt, dass sich die ersten Protonen und Neutronen bilden konnten, denken die Forscher.

In den ersten drei Minuten nach dem Urknall begannen diese Protonen und Neutronen zu verschmelzen und bildeten Deuterium (auch bekannt als schwerer Wasserstoff). Deuteriumatome verbanden sich dann miteinander und bildeten Helium-4.

Dieses Himmelsbild des kosmischen Mikrowellenhintergrunds, erstellt von der Europäischen Weltraumorganisation

Dieses vom Planck-Satelliten der Europäischen Weltraumorganisation erstellte Gesamthimmelbild des kosmischen Mikrowellenhintergrunds zeigt Echos des Urknalls, die vom Anbruch des Universums übrig geblieben sind.(Bildnachweis: ESA/LFI & HFI Konsortien)

Rekombination: Das Universum wird transparent

Diese neu geschaffenen Atome waren alle positiv geladen, da das Universum noch zu heiß war, um Elektronen einzufangen.

Aber das änderte sich etwa 380.000 Jahre nach dem Urknall. In einer als Rekombination bekannten Epoche begannen Wasserstoff- und Heliumionen, Elektronen einzufangen und elektrisch neutrale Atome zu bilden. Licht wird deutlich an freien Elektronen und Protonen gestreut, aber viel weniger an neutralen Atomen. So konnten Photonen jetzt viel freier durch das Universum gleiten.

Die Rekombination hat das Aussehen des Universums dramatisch verändert; es war ein undurchsichtiger Nebel gewesen, und jetzt wurde er durchsichtig. Die heute beobachtete kosmische Mikrowellen-Hintergrundstrahlung stammt aus dieser Zeit. [ Video: Nebel des frühen Universums gesehen ]

Trotzdem war das Universum nach der Rekombination lange Zeit ziemlich dunkel und leuchtete erst richtig auf, als die ersten Sterne etwa 300 Millionen Jahre nach dem Urknall zu leuchten begannen. Sie halfen, vieles von dem, was die Rekombination erreicht hatte, rückgängig zu machen. Diese frühen Sterne – und vielleicht einige andere mysteriöse Quellen – warfen genug Strahlung ab, um den größten Teil des Wasserstoffs des Universums wieder in seine Protonen und Elektronen aufzuspalten.

Dieser als Reionisation bezeichnete Prozess scheint etwa 1 Milliarde Jahre nach dem Urknall seinen Lauf genommen zu haben. Das Universum ist heute nicht undurchsichtig wie vor der Rekombination, weil es sich so stark ausgedehnt hat. Die Materie des Universums ist sehr verdünnt und Wechselwirkungen mit Photonenstreuung sind daher relativ selten, sagen Wissenschaftler.

Im Laufe der Zeit zogen Sterne zusammen, um Galaxien zu bilden, was zu immer größeren Strukturen im Universum führte. Planeten verschmolzen um einige neu entstehende Sterne, einschließlich unserer eigenen Sonne. Und vor 3,8 Milliarden Jahren hat das Leben auf der Erde Wurzeln geschlagen.

Dieser extrem weit entfernte Protocluster repräsentiert eine Gruppe von Galaxien, die sich sehr früh im Universum bildet, etwa nur eine Milliarde Jahre nach dem Urknall.

Dieser extrem weit entfernte Protocluster repräsentiert eine Gruppe von Galaxien, die sich sehr früh im Universum bildet, etwa nur eine Milliarde Jahre nach dem Urknall.(Bildnachweis: Subaru/P. Capak (SSC/Caltech))

Vor dem Urknall?

Während vieles über die ersten Momente des Universums spekulativ bleibt, ist die Frage, was dem Urknall vorausging, noch mysteriöser und schwer zu lösen.

Für den Anfang kann die Frage selbst unsinnig sein. Wenn das Universum aus dem Nichts entstand, wie einige Theoretiker glauben, markiert der Urknall den Moment, in dem die Zeit selbst begann. In diesem Fall gäbe es kein „vorher“, sagte Carroll.

Aber einige Vorstellungen von der Geburt des Universums können mögliche Antworten vorschlagen. Das zyklische Modell legt zum Beispiel nahe, dass unserem expandierenden Universum ein kontrahierendes Universum vorausging. Auch Carroll kann sich vorstellen, dass etwas vor dem Urknall existierte.

'Es könnte nur leerer Raum sein, der vor unserem Urknall existierte, dann hat eine Quantenfluktuation ein Universum wie unseres hervorgebracht', sagte er. 'Man kann sich vorstellen, dass sich eine kleine Weltraumblase durch eine Fluktuation abschnürt und mit einem winzigen Klecks Energie gefüllt wird, der dann in das Universum hineinwachsen kann, das wir durch Inflation sehen.'

Filippenko vermutet auch, dass etwas in diese Richtung stimmen könnte.

'Ich denke, die Zeit in unserem Universum begann mit dem Urknall, aber ich denke, wir waren eine Schwankung von einem Vorgänger, einem Mutteruniversum', sagte Filippenko.

Werden wir je wissen?

Kosmologen und Physiker arbeiten hart daran, ihre Theorien zu verfeinern und die frühesten Momente des Universums immer schärfer zu fokussieren. Aber werden sie jemals wirklich wissen, was beim Urknall passiert ist?

Es ist eine gewaltige Herausforderung, zumal die Forscher mit einem Abstand von 13,7 Milliarden Jahren arbeiten. Aber zähle die Wissenschaft nicht weg, sagte Carroll. Schließlich haben die Menschen vor 100 Jahren sehr wenig über das Universum verstanden. Wir wussten zum Beispiel nichts von der Allgemeinen Relativitätstheorie oder der Quantenmechanik. Wir wussten nicht, dass sich das Universum ausdehnt, und wir wussten nichts vom Urknall.

»All diese Dinge wissen wir jetzt«, sagte Carroll. „Das Tempo des Fortschritts ist tatsächlich erstaunlich schnell, daher würde ich niemals in Pessimismus verfallen. In der jüngeren Geschichte der Kosmologie und Physik gibt es keinen Grund, unsere Aussichten, den Urknall zu verstehen, pessimistisch zu sein.'

Albrecht äußerte sich ähnlich optimistisch und sagte, wir könnten eines Tages vielleicht sogar herausfinden, was vor dem Urknall existierte, wenn überhaupt.

'Ich hoffe auf die Tatsache, dass die Kosmologie so erfolgreich war', sagte er gegenüber guesswhozoo.com. 'Es scheint, dass die Natur uns eine klare Botschaft geschickt hat, dass wir wirklich Wissenschaft mit dem Universum betreiben können.'

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