Urknall
Der Urknall ist eine schlagwortartige Bezeichnung für den Beginn des Universums.
Der Zeitpunkt dieses Ereignisses wird auf 13,7 +/- 0,2 Milliarden Jahre vor unserer Zeit geschätzt. Wenn man den heutigen Bewegungszustand der Galaxien auf die damalige Zeit zurückrechnet kommt man zu einem Punkt, an dem die Temperatur unendlich und die Entfernung zwischen allen Objekten null gewesen sein müßte. Da der Raum bei Abständen kleiner als die Planck-Länge (ca. 10-35m) seine bekannten Eigenschaften verliert, muss am Urknall jedoch nicht unbedingt eine mathematische Singularität vorgelegen haben. aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaddddddddddddddddddddddddddsadgfgh Der Urknall ist nicht nur der Beginn der Existenz von Materie sondern auch der Beginn von Raum und Zeit. Nach Stephen W. Hawking hat es einen Zeitpunkt 1 Sekunde vor dem Urknall ebenso wenig gegeben wie eine Stelle 1km nördlich des Nordpoles.
Der Urknall fand nicht an einer speziellen Stelle im Raum statt, von der aus die Materie anschließend in den leeren Raum hinein expandiert wäre, sondern das gesamte Universum war zu jedem Zeitpunkt mit Materie gefüllt, und der Raum selbst dehnte sich aus. Die Kosmologie modelliert diese Expansion des Universums insbesondere mit Hilfe von Albert Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie.
Die Urknalltheorie erklärt insbesondere folgende experimentellen Beobachtungen:
- Die Rotverschiebung der Galaxien und damit die derzeitige Expansion des Universums
- Das Spektrum der Hintergrundstrahlung des Universums
- Die Grenze in der Altersverteilung der Sterne bei etwa 13 Milliarden Jahren
- Die Häufigkeit der Elemente im Weltraum (insbesondere Wasserstoff, Deuterium und die Isotope des Helium)
Hinsichtlich der einzelnen Phasen des Urknalls siehe Kosmologie.
Die Entstehung des Universums
Zu Beginn des Weltalls soll nach der Urknall-Theorie nur eine Urkraft und eine Teilchensorte existiert haben. Das All war unter unvorstellbaren Druck und ebenso hoher Temperatur auf eine unvorstellbar kleine Kugel zusammengedrückt.
Eine sehr kurze Zeit später spaltete sich die ursprüngliche Kraft in Gravitation und die sogenannte "GUT"-Kraft auf, aus dieser wurden die starke Kraft und die elektroschwache Kraft, welche sich in die schwache und die elektromagnetische Kraft teilte. Zur gleichen Zeit breitete sich auch thermische Energie mit Überlichtgeschwindigkeit aus, Zeit und Raum existierten an der entstandenen "Feuerfront" noch nicht.
Der thermischen Energie folgte das Licht, welches einen Temperaturanstieg zu seiner Ausbreitung benötigt. Während der Expansion des Universums kühlte es sich ab. Nach dem Lichtstrahl kam die Materie, und erst mit dieser entstanden Raum und Zeit.
Zu diesem Zeitpunkt entstanden auch die X-Teilchen, die zwar nur für einen extrem kurzen Moment existierten, aber bei ihrem Zerfall etwas mehr Materie als Antimaterie bildeten, z.B. Quarks und Antiquarks. Die Quarks und Antiquarks trafen aufeinander und vernichteten sich gegenseitig, dabei entstand Strahlung bzw. Energie. Je drei der übrig gebliebenen Quarks verbanden sich zu einem Proton oder Neutron; zwei Up-Quarks und ein Down-Quark zu einem Proton sowie zwei Down-Quarks und ein Up-Quark zu einem Neutron. (Ein Up-Quark hat die Ladung 2/3 und ein Down Quark die Ladung -1/3.) Sobald die Temperatur zu tief war, konnten sich keine Quarks mehr bilden. Nun zerstrahlten sich Elektronen und Antielektronen. Es blieben einige Elektronen übrig, sie bildeten später die Atomhüllen.
Einige Minuten nach dem Urknall kollidierten die entstandenen Kernteilchen miteinander und bildeten durch Kernfusion erste Kerne. Dabei entstand Energie in Form von Photonen, die allerdings mit genügend Energie die Kerne auch wieder zerlegen konnten. Da das Universum immer weiter abkühlte, reichte die Energie bald nicht mehr aus, weitere Kerne zu zerstören. Etwa ein Viertel der Protonen und Neutronen verbanden sich zu Heliumkernen, andere Atomkerne entstanden nur in sehr geringen Mengen, z.B. Deuteriumkerne (ein tausenstel Prozent) und Lithiumkerne (ein Zehntausenstel Prozent). Nur noch Wasserstoff entstand in nennenswertem Ausmaß. Mehr Elemente konnten im schnell expandierenden Kosmos nicht entstehen, da die Dichte zu schnell abnahm. Alle anderen schwereren Elemente entstanden erst später im Inneren der Sterne.
Man findet in Sternen, die weitaus weniger schwere Elemente enthalten als unsere Sonne, also aus nahezu ursprünglicher Urknallmaterie bestehen, einen fast ebenso hohen Heliumanteil in der Atmosphäre wie bei unserer Sonne. Dies ist ein Beweis dafür, daß Helium überwiegend beim Urknall entstanden ist und nicht erst später.
Es herrschten noch sehr hohe Temperaturen, so daß sich keine Atomhüllen bilden konnten. Jedes Elektron, das von einem Atomkern "eingefangen" wurde, konnte sofort wider von einem hochenergetischen Teilchen befreit werden. Die Materie war vollständig ionisiert und bildete ein Plasma, in dem sich die Elektronen frei bewegen konnten.
Erst etwa 300.000 Jahre nach dem Urknall hatte sich das Universum auf unter 3000° abgekühlt. Nun konnten sich endlich vollständige Atome bilden. Aus Wasserstoffwolken entstanden nach etwa einer Million Jahre erste Sterne und Galaxien. Im Inneren der Sterne bildeten sich schwere Elemente wie Eisen und Sauerstoff, die später bei Sternenexplosionen freigesetzt wurden und dem Aufbau neuer Planeten und Sterne zur Verfügung standen.
Sobald sich eine Gaswolke zusammenzog, verdichtete sie sich immer mehr, wobei hohe Temperaturen entstanden. Waren diese hoch genug für eine Kernfusion, wurde eine neue Sonne geboren. Während sich der Nebel verdichtete, drehte er sich auch immer schneller. Dabei plattete sich der Nebel zu einer Scheibe ab. Im Zentrum dieser Scheibe entstand der Stern; ist genug Materie vorhanden, bilden sich im Außenbereich Planeten.
Da man keine Gesteine finden konnte, die älter als ca. 4,6 Mia. Jahre sind, schätzt man das Alter unseres Sonnensystems auf eben diese. Das Alter des Universums wird auf etwa 15 Mio. Jahre geschätzt.
Für die Urknalltheorie gibt es verschiedene Beweise, so hat z.B. die Heliumkonzentration im Universum genau den Wert, den die Urknalltheorie voraussagt. Der wichtigste Beweis ist jedoch der Nachweis der kosmischen Hintergrundstrahlung. Als 300.000 Jahre nach dem Urknall die Temperatur unter 3000° fiel, wurde auch das Universum plötzlich durchsichtig. Bis dahin wurde das Licht von den frei herumfliegenden Elektronen bei seiner Ausbreitung behindert. Nun allerdings verbanden sich die Elektronen mit den Atomkernen und verschwanden so. Die kurzwelligen Lichtwellen der noch jungen Universums zogen sich bei dessen Ausbreitung immer mehr auseinander. Sie wurden zu einer langwelligen Mikrowellenstrahlung. Die Temperatur des Strahlungshintergrundes wurde vom Cosmic Background Explorer Cobe auf 2,726°K bestimmt.