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Die zeitliche Entstehung des Universums - Referat
Die zeitliche Entwicklung des Universums
Gliederung:
Der Urknall
Inflation
Bildung von Atomen
Erste Galaxien und Sterne
Entstehung der Planeten
Die Zukunft des Universums
„ Je mehr wir über das Universum erfahren,
umso weniger Bedeutung scheint unsere Existenz
zu bekommen.“
Steven Weinberg
„Das Universum ist nicht nur merkwürdiger, als wir vermuten,
es ist auch merkwürdiger, als wir vermuten können.“
J.B.S. Haldane
„Der Urknall ist für die Kosmologie das,
was die Evolution für die Biologie ist.“
J.R. Minkel
Der Urknall
Schon immer wollten die Menschen eine Erklärung dafür finden, wo wir herkommen, wo unsere Erde herkommt und wo eigentlich unser ganzes Universum herkommt.
Mit diesen Fragen beschäftigen sich viele Wissenschaftler. Die Entstehung und Entwicklung unseres Universums wird schon seit Aristoteles intensiv erforscht.
Vieles können wir nicht begreifen, da es über unsere Vorstellungskraft hinausgeht. So zum Beispiel die Vorstellung eines absoluten Nichts, an die wir uns gewöhnen müssen um die Urknalltheorie nachvollziehen zu können. In diesem Nichts gibt es weder Raum, noch Zeit oder Materie. Das alles entstand erst im Moment des Big Bang. Dieser hat sich, Berechnungen zufolge, vor annähernd 13,7 Milliarden Jahren ereignet. Vor dem Big Bang gab es nur Energie, die sich auf einem unendlich kleinen Punkt befand. Wir wollen uns den Urknall und seine Geschichte mal etwas genauer ansehen.
Edwin Hubble entdeckte im Laufe seiner Forschungsarbeit, dass die Galaxien sich immer weiter voneinander entfernen. Damit gab er den ersten Impuls zur Urknalltheorie. Im Jahr 1927 fand George Lemaître heraus, dass das Universum am Anfang eine Art „Superatom“ von extrem hoher Temperatur und Dichte gewesen sein muss. Er war damit der Erste der die Idee der Urknalltheorie hatte. Den Namen Urknall beziehungsweise Big Bang gab es damals allerdings noch nicht. Er wurde ausgerechnet von einem der größten Gegner der Urknalltheorie geprägt. Fred Hoyle versuchte die Urknalltheorie zu widerlegen und plädierte für die Steady-State-Theorie. Nach dieser hat das Universum keinen Anfang, sondern produziert während seiner Expansion immer wieder neue Materie. Die Dichte verändert sich somit nicht. In einem Radiovortrag wollte Hoyle die Urknalltheorie lächerlich machen und sagte: „Diese Theorien beruhen auf der Hypothese, dass alle Materie im Universum zu einem bestimmten Zeitpunkt in der fernen Vergangenheit durch einen Big Bang erzeugt wurde.“ Mit diesen Worten verlieh er dem Urknall seinen offiziellen Namen. Im Jahr 1965 entdeckten Arno Penzias und Robert Wilson durch Zufall den wohl größten Beweis der Urknalltheorie. Sie wollten mit dem Holmdell Horn Radio Telescope eigentlich Funksignale aus dem Weltall erforschen. Dabei hörten sie ständig ein störendes Rauschen im Hintergrund. Später stellte sich heraus, dass dieses Rauschen die, von anderen Wissenschaftlern bereits vermutete, Mikrowellen-Hintergrundstrahlung ist, welche ein Signal des Urknalls ist.
Heute gelten drei Punkte als die Hauptbeweise der Urknalltheorie.
Zum einen die Entdeckung, dass die Galaxien sich immer weiter voneinander entfernen. Dies lässt nämlich darauf schließen, dass sie früher sehr dicht beieinander gewesen sein müssen. Zum anderen die Mikrowellen-Hintergrundstrahlung und der Überfluss an Wasserstoff und Helium.
Beim Urknall entstanden innerhalb von Sekundenbruchteilen Raum, Zeit und Materie. Obwohl der Urknall schon ziemlich weit erforscht ist, weiß niemand etwas über den Moment des Urknalls. Die ersten 10ˉ⁴³ Sekunden, die sogenannte Planckzeit, ist noch unerforscht. Zu dieser Zeit war das Universum unendlich heiß und hatte eine extrem hohe Dichte. Das Universum hat zu dieser Zeit eine Dichte von 100 Milliarden Billionen Billionen Billionen Billionen Billionen t/cm³ (eine 1 mit 71 Nullen) und ist so klein, dass es Abermillionen Mal in einen Atomkern passt. Die Erklärung für diese extreme Hitze und Dichte liegt im Energieerhaltungssatz. Danach muss alle Energie von Anfang an da gewesen sein und da das Universum zu diesem Zeitpunkt so klein war, wurde die ganze Energie zusammen gepresst. Nach diesem Moment des Urknalls begann das Universum inflationär zu expandieren.
Inflation
Viele Phänomene die das Universum aufweist lassen sich mit der Urknalltheorie alleine nicht erklären. Zum Beispiel die Tatsache, dass das Universum flach und gleichförmig ist oder dass das Universum in alle Richtungen gleich aussieht. Deshalb entwickelte der Teilchenphysiker Alan Guth im Jahre 1979 die Inflationstheorie. Diese besagt folgendes:
Ein Billionstel einer billionstel Sekunde nach dem Urknall erzeugte ein Inflationsfeld eine Antigravitationskraft, die bewirkte, dass das Universum augenblicklich expandierte und viel schneller als mit Lichtgeschwindigkeit wuchs. Hier sah es erst so aus, als verstoße dies gegen Einsteins allgemeine Relativitätstheorie. Diese besagt, dass sich innerhalb eines Raumes, nichts schneller als mit Lichtgeschwindigkeit bewegen kann. Jedoch bewegt sich hier ja der Raum selbst und somit liegt kein Verstoß vor. 10ˉ⁴³ Sekunden nach dem Urknall beginnt die sogenannte GUT-Ära. Während dieser Zeit hat das Universum eine Temperatur von 10³² Kelvin. Die vier fundamentalen Kräfte der Physik entstehen. Die Gravitationskraft spaltet sich ab. Die Elektromagnetische Wechselwirkung, die starke Kernkraft und die schwache Kernkraft bilden vorerst noch eine gemeinsame Superkraft. Die positive Materieenergie wird der negativen Gravitationsenergie exakt angeglichen, so dass die Gesamtenergie null ergibt.
Nach 10ˉ³⁴ Sekunden ist die Inflationsphase zu Ende. Die starke Kernkraft spaltet sich von den anderen ab. Die Temperatur liegt jetzt bei 10²⁷ Kelvin und das Universum hat ungefähr die Größe unseres heutigen Sonnensystems.
Seit dieser Inflationsphase expandiert das Universum weiter. Jetzt jedoch viel langsamer und ermöglicht so die Bildung von Atomen, Sternen und Planeten.
Bildung von Atomen
Ganz am Anfang des Universums gab es nur Quarks, die bisher kleinsten bekannten Teilchen, Protonen und Neutronen bestehen jeweils aus drei Quarks und Energie. Erst nach einer Mikrosekunde war es kalt genug, dass sich die Quarks zu Protonen und Neutronen verbinden konnten. Diese bewegten sich jedoch rasend schnell hin und her und konnten sich deshalb nicht verbinden. Durch die weiterhin sinkende Temperatur wurden die Protonen und Neutronen jedoch immer langsamer und so konnten Wasserstoff- und Heliumkerne entstehen ohne von der extremen Hitze immer wieder auseinander gerissen zu werden.
In den ersten drei Minuten nach dem Urknall entstanden die leichten Atomkerne von Wasserstoff bis zum Bor. Dieser Vorgang wird Nukleosynthese genannt. Die schweren Atomkerne entstanden erst Milliarden Jahre später bei der Heliumverbrennung im Zentrum von Sternen. Nachdem sich die leichten Atomkerne gebildet hatten, passierte erst mal 300 000 Jahre lang gar nichts. In dieser Zeit war das Universum undurchsichtig und mit Plasma gefüllt. Das Licht wurde von den sich frei bewegenden Elektronen gestreut, so dass die Photonen das Plasma nicht verlassen konnten. Dann war die Temperatur jedoch soweit gesunken, dass die Elektronen langsamer wurden. So waren die leichten Atomkerne in der Lage die Elektronen einzufangen. Es bildeten sich die ersten Atome. Die Elektronen waren jetzt gebunden und konnten nicht mehr frei umherschwirren. So hatten die Photonen die Möglichkeit sich auszubreiten. Die Strahlung und die Materie wurden entkoppelt und die Mikrowellen-Hintergrundstrahlung entstand. Das Universum wurde durchsichtig. Bis zu diesem Zeitpunkt nach dem Big Bang können wir heute zurückblicken.
Erste Galaxien und Sterne
Die einzige Kraft, die über astronomische Entfernungen einen Einfluss ausübt, ist die Schwerkraft. Es hängt von der Masse der beteiligten Objekte ab, wie stark sie wirkt. Nachdem sich im frühen Universum alle Materie gebildet hatte, gab es Regionen mit höherer Materieansammlung und Regionen mit geringer Materiedichte. Die Regionen mit der höheren Dichte hatten eine stärkere Anziehungskraft und konnten so weitere Materie aus ihrer Umgebung anziehen. Dabei laufen zwei Prozesse ab: Die Expansion des Universums und die lokale Konzentration von Materie unter Einfluss der Schwerkraft. Sobald ein solches Objekt genügend Materie angesammelt hat, konnte es sich von der allgemeinen Expansion abkoppeln und kollabieren. So entstanden die ersten Galaxien, die zunächst nur eine Ansammlung von Gas waren.
Wenn wir in einer klaren Nacht außerhalb der Stadt in den Himmel schauen, dann funkeln viele tausend Sterne am Firmament. Hier von der Erde aus können wir höchstens 6000 der zigmilliarden existierenden Sterne sehen. Je größer ein Stern ist, desto heißer ist er. Manchmal bemerkt man auch, dass die verschiedenen Sterne in unterschiedlichen Farben leuchten. Das hängt mit der Temperatur zusammen. Die kühlsten Sterne glühen rot, die mit mittlerer Temperatur gelb oder weiß und die heißesten glühen blau oder bläulich weiß. Letztere kommen am seltensten vor. Doch warum leuchten Sterne eigentlich? Im Kern eines Sterns finden Kernverschmelzungen statt. Wasserstoff verschmilzt zu Helium. Dabei geht Masse verloren, die dann in Energie umgewandelt wird und den Stern zum Leuchten bringt. In der Kosmologie werden die Begriffe Stern und Sonne als Synonyme verwendet. Unsere Sonne zündete erstmals vor rund 4,6 Milliarden Jahren. Doch wie entstanden all die Sterne? Ein Stern entsteht in sogenannten Nebeln. Diese Nebel sind eine gewaltige Ansammlung an Gas und Staub. Im Inneren dieser Nebel ist die Materie vor der intensiven Strahlung geschützt und hat somit die Möglichkeit sich abzukühlen. Dieses Innere nennt man Wolke. Ist sie kalt genug beginnt sie aufgrund der Gravitationskraft zu kollabieren. Es hat sich ein protostellarer Kern gebildet. Dieser wird von den Astronomen als Staub bezeichnet. Die Temperatur wird so niedrig, dass das Gas, welches die Staubteilchen umgibt an ihnen gefriert. Im Laufe der Zeit setzen sich Moleküle auf der Oberfläche ab und der Kollaps setzt sich fort. Aufgrund der weiterhin steigenden Dichte können irgendwann Wasserstoffatome zu Helium verschmelzen. Das ist der Moment an dem der Stern zum ersten Mal zündet. Er ist zu diesem Zeitpunkt aber noch nicht sichtbar, da eine große, dichte Staubwolke ihn umgibt. Der neu entstandene Stern heizt jedoch das Gas und den Staub um sich herum auf und bringt die Eisschichten zum Schmelzen. Die Entstehung eines Sterns bis zu diesem Moment dauert nur ungefähr 10 000 Jahre. In den folgenden 10 Millionen Jahren hält der Stern durch einen „Sternwind“ anderes Material ab und vertreibt mit der Zeit die restliche Staubwolke. Wenn das geschehen ist, steht der Stern alleine und leuchtet jetzt sichtbar.
Die so entstandenen Sterne haben sich im Laufe der Zeit zu Galaxien zusammengefunden. Galaxien sind Systeme mit Milliarden Sternen und einer großen Menge an interstellarem Gas. Interstellares Gas ist Gas mit einer sehr geringen Dichte, das hauptsächlich aus Wasserstoff und Helium besteht. Ein Beispiel für eine Galaxie ist unsere Milchstraße. Tatsächlich kommt der Name Galaxie vom griechischen Wort „galaxias“, das Milch oder milchig bedeutet.
Ein Stern brennt nicht ewig. Die Lebensdauer eines Sterns hängt von seiner Größe ab. Sehr kleine Sterne können bis zu 3,5 Billionen Jahren leben, sehr große dagegen nur knappe 35 Millionen Jahre. Die Lebensdauer unserer Sonne wird auf ungefähr 11 Milliarden Jahre geschätzt. Ein Stern stirbt wenn sein Wasserstoffvorrat aufgebraucht ist. Dann steigen Temperatur und Dichte und das Innere des Sterns stürzt zusammen und der Stern leuchtet in einer gewaltigen Explosion für eine Weile heller als alle Sterne seiner Galaxie zusammen. Diesen „Tod“ eines Sterns bezeichnet man als Supernova.
Entstehung der Planeten
„Mein Vater erklärt mir jeden Sonntag unseren Nachthimmel“ Mit diesem Merkspruch haben schon viele Kinder unsere Planeten gelernt. Merkur, Venus, Erde, Mars, Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun. Diese acht Planeten gehören zu unserem Sonnensystem. Doch wo kommen sie her? Wie sind sie entstanden?
Von den explodierenden Sternen blieben viele Staubkörner übrig, die von einer Eisschicht umhüllt waren. Sie wirbelten kreuz und quer durch das Weltall. Vor knapp 5 Milliarden Jahren bildeten sie eine Dunkelwolke. 500 Millionen Jahre später formierte sich diese Wolke zu einer protoplanetaren Scheibe die um die Proto-Sonne wirbelten. Obwohl die Sonne zu diesem Zeitpunkt noch nicht gezündet hat, strahlt sie schon Wärme ab und lässt Teile des Eises schmelzen. Nach der ersten Sonnenzündung schmolzen dann die äußeren Eisschichten um die Staubkörner und sie wurden klebrig. Diese Körner rasten mit großer Geschwindigkeit um die Proto-Sonne und kollidierten ständig miteinander. Dadurch verklumpten sie miteinander und wuchsen so zu immer größeren Körpern heran. Diese mittlerweile schon ziemlich großen Klumpen nennt man Planetesimale. Sie bestehen aus einem Metallkern und einem Silikatgesteinsmantel. Diese Planetesimale krachen immer noch ständig aufeinander. Manche „überleben“ diese Kollisionen und wachsen weiter, so wie die Proto-Erde. Andere gehen durch das heftige Aufeinandertreffen wieder kaputt. Schließlich bildeten sich in unserem Sonnensystem vier „terrestrische“ Planeten: Merkur, Venus, Erde und Mars. Sie bestehen zu diesem Zeitpunkt aus einem Eisenkern und einem Mantel aus Siliziumdioxid. Durch die Strahlung der Sonne wurden jedoch auch Gase weiter weg geweht. Diese Gase bildeten schließlich zusammen mit Eisgesteinsbrocken die Gasriesen: Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun.
So entstanden und entstehen Planeten. Mittlerweile wurden mehr als 300 Planeten entdeckt. Und wer weiß, vielleicht gibt es ja auf irgendeinem anderen Planeten ebenfalls Leben?
Die Zukunft des Universum
Wie wir in den letzten Kapiteln gesehen haben, hat sich das Universum ständig verändert und weiterentwickelt und tut es immer noch. Doch was wird in Zukunft sein? Wie wird sich das Universum entwickeln? Die Antwort auf diese Frage ist, dass es keine gibt. Niemand kann die Zukunft vorhersagen. Viele Wissenschaftler beschäftigen sich mit dieser Frage und stellen viele unterschiedliche Theorien auf. Es gibt viele verschiedene. Ich möchte hier die zwei am weitesten verbreiteten Theorien vorstellen.
Tatsache ist, dass die Galaxien sich durch die fortlaufende Expansion immer weiter voneinander entfernen. Was jedoch niemand weiß, ist ob die Expansion nicht irgendwann aufhört. Bei der folgenden Theorie wird davon ausgegangen, dass das Universum unendlich weiter expandiert. Das Universum würde ein furchtbar einsamer Ort werden, da sich alles immer weiter voneinander entfernt. Eine Antigravitationskraft, die proportional zur Gravitationskraft wirkt, würde überwiegen und dazu führen, dass das Universum exponentiell expandiert. Das würde irgendwann zu einer Expansion mit Überlichtgeschwindigkeit führen. Die Temperatur würde sich dem absoluten Nullpunkt nähern, da die Energie immer dünner über das All verteilt wird.
Eine andere Theorie besagt quasi das genaue Gegenteil. Bei dieser Theorie würde die Gravitationskraft überwiegen. Damit würde die Expansion irgendwann zum Stillstand kommen und eine Kontraktionsbewegung wird hervorgerufen. Daraufhin bewegt sich alles wieder aufeinander zu. Und damit steigt die Temperatur stetig an. Es kommt zu einer Umkehrung des Urknalls und das Universum versinkt in einem „Big Crunch“ („großer Krach“). Irgendwann erreicht man dann wieder denn Zustand vor dem Urknall und alles könnte von vorne anfangen.
Es gibt noch viele weitere Theorien. Sicher ist, dass das alles in ferner Zukunft liegt und die Menschheit nicht mehr betreffen wird. In fünf Milliarden Jahren wird unsere Sonne, wie viele andere Sterne auch, in einer Supernova explodieren, was das Ende für unser Sonnensystem bedeutet.
Das Universum ist etwas Unbegreifliches und es gibt noch viel zu erforschen. Doch wahrscheinlich wird die Menschheit es niemals ganz verstehen. Das Universum bewahrt seine Geheimnisse und wer weiß wer sie einmal lüften wird.
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