Der Urknall

Stell dir vor, du sitzt im Universum zu dieser sehr frühen Zeit (selbstverständlich kannst du nicht außerhalb des Universums sitzen). Du müsstest sehr widerstandsfähig sein, denn die Temperatur und der Druck in dieser Urknallsuppe sind unglaublich hoch. Damals war sämtliche Materie, die wir heute um uns sehen, auf eine Region zusammengepresst, die kleiner als ein Atom war.

Es ist ein winziger Sekundenbruchteil nach dem Urknall, und alles sieht in jede Richtung ziemlich gleich aus. Es gibt keinen Feuerball, der sich ausbreitet, vielmehr gibt es nur einen heißen Klumpen von Materie, der den gesamten Raum ausfüllt.

Was ist diese Materie? Wir wissen das nicht so genau - es könnten Typen von Teilchen sein, die wir heute nicht mehr sehen, es könnten auch »Strings« (winzige Schleifen von fadenartigen Strukturen) sein, aber es ist gewiss »exotische« Materie, auf deren Beobachtung wir heute nicht mehr hoffen dürfen, nicht einmal in den größten Teilchenbeschleunigern.

Beim Urknall dehnt sich dieser Klumpen sehr heißer exotischer Materie aus, weil der Raum, den er ausfüllt, größer wird. Die Materie strömt in alle Richtungen von dir weg und der Klumpen wird weniger dicht. Je weiter ein Materiebereich von dir entfernt ist, desto mehr expandierender Raum liegt zwischen dir und ihm, und desto schneller bewegt sich dieser Bereich von dir weg.

Die am weitesten entfernte Materie bewegt sich sogar schneller als in Lichtgeschwindigkeit von dir weg!

Eine Menge komplizierter Veränderungen laufen nun sehr schnell ab -alle in der ersten Sekunde nach dem Urknall. Durch die Ausdehnung des winzigen Universums kühlt sich die heiße exotische Teilchensuppe ab. Dadurch kommt es zu plötzlichen Veränderungen, so ähnlich, wie wenn Wasser beim Abkühlen zu Eis wird.

Das frühe Universum ist immer noch viel kleiner als ein Atom. Eine dieser Zustandsänderungen erzeugt eine gewaltige Beschleunigung der Ausdehnung: die Inflation. Die Größe des Universums verdoppelt sich und verdoppelt sich dann noch einmal und noch einmal, bis es sich insgesamt 90-mal jeweils verdoppelt hat und von subatomaren auf mit dem menschlichen Auge wahrnehmbare Größenordnungen angewachsen ist. Wie beim Spannen eines Bettlakens glättet diese enorme Dehnung alle größeren Beulen in der Materieverteilung, sodass das Universum, das wir am Ende sehen, sehr glatt ist und in alle Richtungen praktisch gleich aussieht.

Andererseits werden mikroskopische Unebenheiten ebenfalls gedehnt und werden viel größer; sie lösen später die Bildung von Sternen und Galaxien aus.

1 Sekunde

Die Inflation endet abrupt und setzt eine große Menge Energie frei, die eine Flut neuer Teilchen erzeugt. Die exotische Materie ist verschwunden und durch Teilchen ersetzt, die uns heute noch vertraut sind, darunter Quarks (die Bausteine der Protonen und Neutronen, auch wenn es für deren Entstehung noch zu heiß ist), Antiquarks, Gluonen (die zwischen Quarks und Antiquarks ausgetauscht werden), Photonen (die Teilchen, aus denen das Licht besteht), Elektronen und andere Teilchen, die die Physiker gut kennen. Es könnte auch Teilchen der dunklen Materie geben, aber auch wenn wir denken, dass sie entstehen müssen, verstehen wir bisher noch nicht, was sie sind.

Wohin ist die exotische Materie verschwunden? Ein Teil wurde

während der Inflation in ferne Regionen des Universums weggeschleudert, die wir vermutlich niemals sehen werden, und ein anderer Teil zerfiel in weniger exotische Teilchen, als die Temperatur sank. All die Materie um uns herum ist nun viel weniger heiß und dicht als zuvor, wenn auch immer noch viel heißer und dichter als heute (selbst im Inneren von Sternen). Das Universum ist mit einem heißen, leuchtenden Nebel (einem Plasma) angefüllt, der vor allemaus Quarks, Antiquarks und Gluonen besteht.

Die Expansion des Universums geht weiter (aber weniger schnell als in der Inflationsphase), und irgendwann sinkt die Temperatur so weit, dass sich Quarks und Antiquarks in Zweier- oder Dreiergruppen aneinander binden können und auf diese Weise Protonen, Neutronen und andere Teilchen bilden, sogenannte Hadronen. Man sieht immer noch kaum etwas in dem leuchtenden, nebligen Plasma, als das Universum eine Sekunde alt ist.

Wenn zwei Atome mit verschiedenen Zahlen von Elektronen miteinander reagieren, können sie Elektronen austauschen und bilden dabei eine sogenannte lonenverbindung; sie werden dabei geladen - eines positiv, das andere negativ.

In den nächsten paar Sekunden kommt es zum Feuerwerk, weil der Großteil der Materie und Antimaterie sich gegenseitig vernichtet und dabei Unmengen neuer Photonen entstehen. Der Nebel besteht jetzt vor allem aus Protonen, Neutronen, Elektronen, dunkler Materie und (hauptsächlich) Photonen. Die geladenen Protonen und Elektronen verhindern, dass die Photonen weit reisen können, sodass die Sichtweite in diesem expandierenden und abkühlenden Nebel immer noch sehr gering ist.

Antimaterie

Antimaterie besteht aus Teilchen, die den

Teilchen der normalen Materie ähneln, aber bei denen viele Eigenschaften, unter anderem ihre elektrische Ladung, entgegengesetzt sind. Wenn gewöhnliche Materie und Antimaterie aufeinandertreffen, dann zerstören sie sich gegenseitig.

Elektron

f

Neutron /

Als das Universum ein paar Minuten alt ist, bilden die übrig gebliebenen Protonen und Neutronen Atomkerne, vor allem solche, die später zu Wasserstoff und Helium werden. Sie sind noch geladen, sodass man durch den Nebel nicht hindurchsehen kann. In diesem Augenblick ähnelt die neblige Materie dem, was man heute im Inneren von Sternen findet, aber natürlich füllt sie das gesamte Universum aus.

Nach der hektischen Aktivität in den ersten Minuten seiner Existenz bleibt das Universum die nächsten paar Hunderttausend Jahre ziemlich gleich, dehnt sich aber weiter aus und kühlt weiter ab, sodass der heiße Nebel immer dünner wird. Zugleich wird er weniger hell und rötlicher, denn durch die Expansion des Raums wird auch die Wellenlänge des Lichts gedehnt.

Dann, nach 380000 Jahren, als der Teil des Universums, den wir später von der Erde aus sehen können, auf einige Millionen Lichtjahre Durchmesser angewachsen ist, lichtet sich der Nebel endlich - Elektronen werden von den Wasserstoff- und Heliumkernen eingefangen, sodass vollständige Atome entstehen. Da sich die elektrischen Ladungen der Elektronen und der Atomkerne aufheben, sind sämtliche Atome ungeladen, und die Photonen können sich ungehindert ausbreiten - das Universum wird transparent.

Was siehst du nun nach dieser langen Wartezeit im Nebel? Nur ein sich abschwächendes rotes Glühen in alle Richtungen, das immer rötlicher und schwächer wird, weil die Ausdehnung des Raums auch die Wellenlänge der Photonen dehnt. Schließlich wird das Licht so weit gedehnt, dass es ganz unsichtbar wird, und überall ist Dunkelheit - wir sind in das kosmische finstere Zeitalter eingetreten.

Die Photonen des letzten Glühens sind seither immer weiter durch das Universum gewandert und wurden dabei immer weiter ins Rote verschoben - heute kann man sie noch als sogenannte kosmische Mikrowellen-Hintergrundstrahlung nachweisen, die immer noch aus allen Richtungen auf der Erde eintreffen.

Das finstere Zeitalter dauert ein paar Hundert Millionen Jahre an und in dieser Zeit gibt es tatsächlich nichts zu sehen. Das Universum ist immer noch mit Materie angefüllt, aber fast alles ist dunkle Materie. Außerdem gibt es Wasserstoff- und Heliumgas, aber nichts davon erzeugt neues Licht. In der Dunkelheit gibt es jedoch stille Veränderungen.

Die mikroskopisch kleinen Wellen, die durch die Inflation vergrößert wurden, führten dazu, dass einige Regionen etwas mehr Masse enthalten als andere. Dies erhöht die Schwerkraft in diesen Regionen, was weitere Masse anzieht; die dunkle Materie, das Wasserstoffgas und das Heliumgas, die bereits dort vorhanden sind, werden zusammengezogen. Über Jahrmillionen sammeln sich durch die stärkere Gravitation dichtere Flecken von dunkler Materie und Gas an. Sie wachsen langsam, indem sie immer mehr Materie anziehen. Zu einem schnelleren Wachstum kommt es, wenn sie mit anderen ähnlichen Verdichtungen Zusammenstößen und verschmelzen. Wenn die Gasatome in diese Verdichtungen fallen, werden sie schneller, und das Gas erhitzt sich dadurch immer weiter. Von Zeit zu Zeit wird das Gas so heiß, dass der Kollaps gestoppt wird, es sei denn, das Gas kann sich durch die Emission von Photonen abkühlen oder wird durch die Kollision mit einer anderen Gaswolke weiter komprimiert.

Wenn es weit genug kollabiert, zerfällt das Gas in kugelförmige Klumpen, die so dicht sind, dass die Hitze nicht mehr abstrahlen kann. Schließlich wird ein Punkt erreicht, an dem die Wasserstoffkerne in den Gasklumpen so heiß und so dicht zusammengedrückt sind, dass sie zu Heliumkernen fusionieren (d. h. miteinander verschmelzen) und dabei Kernenergie freisetzen. Du sitzt in einem dieser kollabierenden Klumpen aus dunkler Materie und Gas (denn dies ist die Stelle, an der später die Galaxie der Erde sein wird) und wirst davon überrascht, dass die Dunkelheit durchbrochen wird, wenn die ersten dieser Klumpen um dich herum in helles Licht ausbrechen. Die ersten Sterne sind geboren und das finstere Zeitalter ist vorüber.

Die ersten Sterne verbrennen ihren Wasserstoff schnell, und in ihrem letzten Stadium fusionieren sie alle Kerne, die noch vorhanden sind, zu schwereren Kernen als Helium: Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff und all die anderen schwereren Atomsorten entstehen, die sich heute überall um uns herum (und in uns) befinden. Diese Atome, die »Asche« der ersten Sterne, werden in gewaltigen Explosionen in nahe Gaswolken zerstreut und von der zweiten Sterngeneration aufgenommen. Dieser Prozess setzt sich fort: Neue Sterne entstehen aus den sich ansammelnden Gas- und Staubwolken, sie vergehen wieder und erzeugen dabei mehr Asche. Bei der Entstehung jüngerer Sterne bildet sich die vertraute Spiralform unserer Galaxie - der Milchstraße. Das Gleiche passiert in ähnlichen Klumpen aus dunkler Materie und Gas im ganzen sichtbaren Universum.

Die Sonne

Neun Milliarden Jahre sind seit dem Urknall vergangen, und nun nimmt ein junger Stern, umgeben von Planeten, Gestalt an und entzündet sich. Der Stern und die Planeten sind aus dem Wasserstoff- und Heliumgas und der Asche toter Sterne entstanden.

Weitere 4,5 Milliarden Jahre später könnte der dritte Planet dieses Sterns immer noch der einzige Ort im Universum sein, auf dem Menschen bequem leben können. Einer dieser Menschen bist du. Du wirst Sterne, Wolken aus Gas und Staub, Galaxien und die kosmische Mikrowellenhintergrundstrahlung überall am Himmel sehen - aber nicht die dunkle Materie, also den Großteil dessen, was da draußen liegt. Du wirst auch nichts von den Regionen sehen, die so weit entfernt sind, dass selbst die Photonen der Hintergrundstrahlung noch nicht zu uns gelangt sind. Es könnte sogar Teile im Universum geben, von denen das Licht niemals unseren Planeten erreicht.

 
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