Die Expansion des Universums

Der Urknall

Blick in die Vergangenheit

Heute wird in der in dieser Arbeit vorgestellten Theorie von einem endlich altem Universum ausgegangen. Doch ein Universum, dass nicht unendlich alt ist, muss auch irgendwann einmal entstanden sein. "Dass das Weltall einmal unvorstellbar klein gewesen und dann explodiert sein könnte, hatte schon in den 20er Jahren der belgische Jesuitenpater und Physiker Georges Lemaître vermutet - ein Mann, der am Observatorium des Vatikans arbeitete, eine einflussreiche Stellung an der päpstlichen Akademie der Wissenschaften innehatte und dessen Liebe [...] der Forschung [...] galt. Lemaître suchte nach einem Weltmodell, das Raum für einen Schöpfungsakt ließe. Dafür setzte er sich mit den Gleichungen der Relativitätstheorie auseinander und stellte fest, dass nach Einsteins Lehre das Universum keineswegs statisch ist, sondern sich ausdehnen oder zusammenziehen kann." (Klein, Stefan: die Tagebücher der Schöpfung. S.50)
Zu dem Schluss, dass das Universum expandiert, kam man seit dem Anfang des 20. Jahrhunderts durch die Beobachtungen der Galaxienflucht von Edwin Hubble und anderen Astronomen. Am 19. September 1917 wurde in Amerika am Mount-Wilson-Observatorium das erste 2,5-Meter-Spiegelteleskop mit 15 Metern Brennweite in Betrieb genommen. Leiter der Sternwarte war der amerikanische Astronom George Ellery Hale, der ab 1919 Edwin Hubble als seinen Assistenten einstellte. Dort bestätigte er dann 1929 frühere Beobachtungen von Vesto Slipher und somit die Galaxienflucht. 1948 kam der russische US-Physiker George Gamow zu der Idee, dass dann, wenn man die beobachtete Expansion zurückverfolgt, es irgendwann einmal einen Zeitpunkt gegeben haben muss, an dem alle Materie auf einem winzigen Raum konzentriert war. Diese Idee wurde zur heutigen Urknalltheorie ausgebaut.
Die 20er Jahre waren auch der Beginn für die sogenannten "Superteleskope". Sie verleichterten die Entfernungsbestimmung von Galaxien. Allerdings ist leider trotzdem die Entfernungsbestimmung nicht ganz mühelos. Durch die große Entfernung schauten die Astronomen in die Vergangenheit, "denn Teleskope sind Zeitmaschinen. Das Licht kann sich nicht schneller ausbreiten als mit der Geschwindigkeit von 300 000 Kilometern pro Sekunde; daher blickt, wer ein 300 000 Kilometer entferntes Objekt ansieht, eine Sekunde in die Vergangenheit zurück - Albert Einstein ist diese Erkenntnis zu danken." (ebenda. S.49-50) Aber erst im Dezember 1995 wurde mit dem seit 1990 eingesetzten Hubble-Weltraumteleskop eine Galaxie in 12 Milliarden ly Entfernung entdeckt. Im Laufe der Zeit wurde auch das Weltalter immer genauer bestimmt. Heute wird das Universum auf ein Alter von etwa 18 Milliarden Jahren geschätzt.

Urknalltheorie

Heute ist die Urknalltheorie das Standartmodell der Kosmologie. In Labors hat man den Urknall bis etwa 1s, in der Theorie sogar bis 10^-42 s nach der Explosion nachempfinden können. Allerdings bleibt die Zeit vor den 10^-42 s weiterhin ein Rätsel und beruht auf Rechnungen und Vermutungen.
Vor 18 Milliarden Jahren hat also die Existenz von Raum und Zeit angefangen. Zunächst war Energie auf einem winzig kleinen Raum, der von Astronomen als "Urei" oder "Uratom", in manchen Weltmodellen auch nur als ein Punkt, bezeichnet wurde, konzentriert. Plötzlich kam es dann zur Explosion, das Universum war geboren. Der Auslöser für diese Explosion ist bis heute unbekannt. Die unmittelbare Zeit nach dem Urknall wird als Planck-Epoche bezeichnet. Es herrschten zu diesem Zeitpunkt Temperaturen von 10³² Kelvin und der Kosmos war schätzungsweise 10^-35 m groß. Aber auch gleichzeitig begann das Universum sich abzukühlen, und die Abkühlung dauert auch heute noch an. Die Planck-Ära dauerte nur 10^-43 s. Nach 10^-36s begann die komischen Inflation, während der sich das Universum in einem winzigen Augenblick um etwa das 10⁵⁰-fache vergrößerte. "Eine Sekunde nach dem Urknall betrug die Temperatur [schon nur noch] sechs Milliarden Grad[...] Bei derart hohen Temperaturen enthält ein einziges Photon soviel Energie, wie [...] der Masse eines Elektrons entspricht. Stoßen bei Temperaturen oberhalb von sechs Milliarden Grad zwei Photonen zusammen, so reicht deren Energie aus, um ein Paar von Materieteilchen entstehen zu lassen: ein Elektron und dessen Antiteilchen, ein Positron." (Sterne und Weltraum Special 2: Schöpfung ohne Ende. S.118) Dies war die Geburtsstunde der Materie, doch können Teilchen und ihre Antiteilchen nicht gleichzeitig existieren. So wurde in dem Maße Materie wieder vernichtet, wie neue erschaffen wurde. Auch gab es von Anfang an aus unerklärlichen Gründen einen geringfügigen Überschuss an Teilchen.
Als das All sich immer mehr abkühlte, reichte schließlich die Energie der Photonen nicht mehr aus, kollidierte Teilchen, welche eine Art erster Atomkerne waren, wieder zu zersetzten. Auf diese Art und Weise konnten dann nach 3 Minuten seit dem Zeitnullpunkt erste Elemente entstehen: Helium sowie Deuterium und Tritium, die leichtesten existierenden Elemente. Die schweren Elemente wurden erst Milliarden Jahre später in Sternen erzeugt, da die Energie durch die Expansion und die damit verbundene zu schnelle Abkühlung nicht mehr ausreichte.
Diese ersten Elemente bestanden die ersten Millionen Jahre jedoch nur aus einem Kern mit Proton und Neutron, da die Temperaturen noch zu hoch waren, um Elektronenhüllen zu bilden. Die aus den Photonen entstandenen Elektronen waren in einem aus den Ionen bestehenden Plasma frei beweglich. Dies ist auch der Grund, warum das Universum bis dahin wie eine Art Nebel war, denn die Strahlung wurde von den freien Elektronen gestreut. "Erst 300 000 Jahre nach dem Urknall fiel die Temperatur der Strahlung unter 3000 Grad - und damit reichte die Energie der Photonen plötzlich nicht mehr aus, um Wasserstoff zu ionisieren. Aus Kernen und Elektronen konnten sich endlich vollständige Atome bilden." (Sterne und Weltraum Special 2: Schöpfung ohne Ende. S.121) Mit der zunehmenden Abnahme der Temperatur im Universum verlangsamten sich auch die Bewegungsabläufe. So dauerte es etwa 2,7 Milliarden Jahre, bis erste Galaxien, sogenannte Urgalaxien, entstanden. Die Expansionsgeschwindigkeit hat seit der Inflation abgenommen, und die Wissenschaftler vermuten, dass sie heute wieder zu nimmt. Mit welcher Geschwindigkeit sich das Weltall ausdehnt, lässt sich allerdings nicht genau sagen (siehe Hubbleeffekt).

Ein Bild dazu
Heute liegt die durchschnittliche Temperatur des Universums, welche man an einer übriggebliebenen Strahlung messen kann, bei 2,7 Grad über dem Absolutem Nullpunkt (etwa -273,2°C).

Die Hintergrundstrahlung

Die kosmische Hintergrundstrahlung wurde im Jahr 1964 von Arno Penzias und Robert Wilson aus den Bell Laboratorien entdeckt. Ihr Detektor empfing eine Störung im Mikrowellenbereich, die aus allen Richtung gleich stark war. Penzias und Wilson suchten vergeblich nach der Fehlerquelle, z. B. vertrieben sie die Tauben, die in ihrer Antenne nisteten. Sie kamen zu dem Schluss, dass die Quelle jenseits der Erdatmosphäre liegen musste, denn sonst müsste die Störung größer sein, wenn die Antenne nicht direkt nach oben gerichtet ist, weil die Strahlen einen kürzeren Weg durch die Atmosphäre zurücklegen müssten. Die Strahlung jedoch blieb gleich sogar Tag und Nacht, obwohl die Erde sich um ihre eigene Achse und um die Sonne dreht. Deshalb muss die Strahlung von weit außerhalb unser Galaxis stammen. Sonst hätte sie sich bei einem Richtungswechsel verändern müssen. Die Mikrowellenstrahlung ist der Beweis, dass unser Universum in großen Maßstab homogen ist. (vergleiche Hawking, Stephen: Eine kurze Geschichte der Zeit. S.60ff)
Ihre Temperatur ist die einer Hohlraumstrahlung von 2,7K. Das entspricht ungefähr 400Milionen Photonen pro Kubikmeter. Die kosmische Hintergrundstrahlung stammt aus einer früheren Phase der Entwicklung des Universums, als das Universum noch dichter und heißer (3000°K) war. Durch die Expansion hat sich die Temperatur so stark rotverschoben, dass sie heute im Mikrowellenbereich liegt. Sie ist ein Überbleibsel der Epoche, in der die Atomkerne begannen sich ein Elektron einzufangen und zu Atomen zu verbinden. Deswegen hatten die Photonen nur noch wenig Behinderung durch die Atome. Das Universum wurde durchsichtig.

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