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Ursprünge: CERN: Ideas: Der Urknall | Exploratorium

Geschichte des Universums
Foto: CERN
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Wussten Sie, dass die Materie in Ihrem Körper Milliarden von Jahren alt ist?
Die meisten Astrophysiker gehen davon aus, dass die gesamte Materie, die heute im Universum zu finden ist – einschließlich der Materie in Menschen, Pflanzen, Tieren, der Erde, Sternen und Galaxien – im allerersten Moment der Zeit entstanden ist, vermutlich vor etwa 13 Milliarden Jahren.
Wissenschaftler glauben, dass das Universum begann, als jedes Quäntchen seiner Energie in einen winzigen Punkt gepresst wurde. Dieser extrem dichte Punkt explodierte mit unvorstellbarer Kraft, schuf Materie und trieb sie nach außen, um die Milliarden von Galaxien unseres riesigen Universums zu bilden. Die Astrophysiker nannten diese gigantische Explosion den Urknall.
Der Urknall war mit keiner Explosion vergleichbar, die man heute auf der Erde beobachten kann. Eine Wasserstoffbombenexplosion zum Beispiel, in deren Zentrum etwa 100 Millionen Grad Celsius herrschen, bewegt sich mit etwa 300 Metern pro Sekunde durch die Luft. Im Gegensatz dazu glauben Kosmologen, dass der Urknall Energie mit Lichtgeschwindigkeit in alle Richtungen geschleudert hat (300.000.000 Meter pro Sekunde, eine Million Mal schneller als die Wasserstoffbombe), und schätzen, dass die Temperatur des gesamten Universums nur einen winzigen Sekundenbruchteil nach der Explosion 1000 Billionen Grad Celsius betrug. Selbst die Kerne der heißesten Sterne im heutigen Universum sind viel kühler als das.
Es gibt noch eine weitere wichtige Eigenschaft des Urknalls, die ihn einzigartig macht. Während sich die Explosion einer von Menschenhand gebauten Bombe durch die Luft ausdehnt, dehnte sich der Urknall nicht durch irgendetwas aus. Das liegt daran, dass es am Anfang der Zeit keinen Raum gab, durch den man sich ausdehnen konnte. Vielmehr glauben Physiker, dass der Urknall den Raum selbst geschaffen und gedehnt hat, wodurch sich das Universum ausdehnte.

Ein kühlendes, sich ausdehnendes Universum

Hubble Deep Field
Foto: Space Telescope Science Institute
Als das frühe Universum abkühlte, sammelte sich die im Urknall entstandene Materie zu Sternen und Galaxien.

Für einen kurzen Moment nach dem Urknall schuf die immense Hitze Bedingungen, die Astrophysiker im heutigen Universum nicht kennen. Während Planeten und Sterne heute aus Atomen von Elementen wie Wasserstoff und Silizium bestehen, glauben Wissenschaftler, dass das Universum damals zu heiß für alles andere als die fundamentalsten Teilchen war – wie Quarks und Photonen.
Als sich das Universum jedoch schnell ausdehnte, wurde die Energie des Urknalls im Raum immer mehr “verdünnt”, so dass sich das Universum abkühlte. Das Öffnen einer Bierflasche führt zu einem ähnlichen Abkühlungs- und Ausdehnungseffekt: Gas, das in der Flasche eingeschlossen war, breitet sich in der Luft aus, und die Temperatur des Biers sinkt.
Durch die rasche Abkühlung konnte sich die Materie, wie wir sie kennen, im Universum bilden, obwohl die Physiker noch immer versuchen, herauszufinden, wie dies genau geschah. Etwa eine Zehntausendstelsekunde nach dem Urknall bildeten sich Protonen und Neutronen, und innerhalb weniger Minuten klebten diese Teilchen zusammen und bildeten Atomkerne, vor allem Wasserstoff und Helium. Hunderttausende von Jahren später hafteten Elektronen an den Kernen und bildeten vollständige Atome.
Ungefähr eine Milliarde Jahre nach dem Urknall sorgte die Schwerkraft dafür, dass sich diese Atome in riesigen Gaswolken sammelten und Ansammlungen von Sternen bildeten, die als Galaxien bekannt sind. Die Schwerkraft ist die Kraft, die alle Objekte mit Masse zueinander zieht – die gleiche Kraft, die zum Beispiel einen in die Luft geworfenen Ball zur Erde fallen lässt.
Woher kommen Planeten wie die Erde? Im Laufe von Milliarden von Jahren “kochen” Sterne in ihren heißen Kernen Wasserstoff- und Heliumatome, um schwerere Elemente wie Kohlenstoff und Sauerstoff herzustellen. Große Sterne explodieren mit der Zeit und schleudern diese Elemente ins All. Diese Materie verdichtet sich dann zu den Sternen, Planeten und Satelliten, aus denen Sonnensysteme wie das unsere bestehen.

Woher wissen wir, dass es den Urknall gab?
Astrophysiker haben in den letzten hundert Jahren viele überzeugende Beweise gefunden, die die Urknalltheorie stützen. Zu diesen Beweisen gehört die Beobachtung, dass sich das Universum ausdehnt. Anhand des Lichts, das von weit entfernten Galaxien ausgestrahlt wird, haben Wissenschaftler festgestellt, dass sich diese Galaxien schnell von unserer Galaxie, der Milchstraße, entfernen. Eine Explosion wie der Urknall, bei der die Materie von einem Punkt aus nach außen flog, erklärt diese Beobachtung.


Wussten Sie, dass das Rauschen in Ihrem Fernseher durch Strahlung verursacht wird, die vom Urknall übrig geblieben ist?

Eine weitere wichtige Entdeckung war die Beobachtung niedriger Mikrowellenpegel im Weltraum. Astronomen glauben, dass diese Mikrowellen, deren Temperatur etwa -270 Grad Celsius beträgt, die Überbleibsel der extrem heißen Strahlung sind, die beim Urknall entstanden ist.
Interessanterweise können die Astronomen eine Vorstellung davon bekommen, wie heiß das Universum früher war, wenn sie mit leistungsstarken Teleskopen sehr weit entfernte Gaswolken betrachten. Da das Licht dieser Wolken Milliarden von Jahren braucht, um unsere Teleskope zu erreichen, sehen wir solche Körper so, wie sie vor Äonen erschienen. Und siehe da, diese alten Gaswolken scheinen heißer zu sein als jüngere Wolken.
Wissenschaftler konnten die Urknalltheorie auch bestätigen, indem sie die relativen Mengen der verschiedenen Elemente im Universum gemessen haben. Sie haben herausgefunden, dass das Universum etwa 74 Prozent Wasserstoff und 26 Prozent Helium enthält, die beiden leichtesten Elemente. Alle anderen schwereren Elemente – einschließlich der auf der Erde verbreiteten Elemente wie Kohlenstoff und Sauerstoff – machen nur eine winzige Spur der gesamten Materie aus.
Was beweist dies nun über den Urknall? Wissenschaftler haben anhand theoretischer Berechnungen gezeigt, dass diese Häufigkeiten nur in einem Universum entstanden sein können, das in einem sehr heißen, dichten Zustand begann und sich dann schnell abkühlte und ausdehnte. Das ist genau die Art von Universum, die die Urknalltheorie vorhersagt.
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