Ein Weltbild ohne Legenden
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Abenteuer Universum
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Die Urknalltheorie

Nach der Theorie vom heißen Urknall verhält sich das Universum so, als sei es vor nicht ganz 14 Milliarden Jahren aus einem extrem winzigen, extrem heißen und dichten Anfangszustand hervorgegangen. Dieser Zeitpunkt gilt als der Beginn von Raum und Zeit und wird als Urknall bezeichnet, obwohl es mit Sicherheit nicht geknallt hat. Über den Zustand des Universums zum Zeitpunkt des Urknalls und vor dem Urknall macht die Theorie keine Aussage

Die Expansion

Seit dem Urknall expandiert das Universum. Das sichtbare Universum wird zunehmend größer, kälter und weniger dicht. Dass das Universum expandiert weiß man seit dem Ende der 1920er Jahre, als der US-amerikanische Astronom Edwin Hubble aus seinen Beobachtungen das nach ihm benannte Hubble-Gesetz ableitete. Es besagt, dass sich Galaxien von uns entfernen und zwar um so schneller, je weiter sie von uns entfernt sind. Die Proportionaltätskonstante wird als Hubble-Konstante bezeichnet. 

 

Dreht man den Expansionsfilm, ausgehend von der gegenwärtigen Epoche, zurück, muss das Universum in der Vergangenheit kleiner, heißer und dichter gewesen sein. Im Urknall selbst sagt die Theorie eine Ausdehung von null voraus und gleichzeitig ein unendlich heißes und unendlich Universum. Dieser Zustand ist trivialerweise physikalisch nicht haltbar. Im Urknall prallen denn auch zwei große Theorien aufeinander. Einerseits die Relativitätstheorie Einsteins und andererseits die Quantentheorie. Die Relativitätstheorie ist für den Makrokosmos, die Quantentheoie für den Mikrokosmos zuständig. Um den Urknall zu verstehen, wäre eine Vereinigung dieser beiden großen Theorien notwenig. Dafür gibt es Ansätze, aber bisher nicht den entscheidenden Durchbruch, sodass der Beginn von Raum und Zeit weiterhin im Dunkeln bleibt.

Die Rekombination

Die Beobachtungstechniken im frühen 20. Jahrhundert waren noch nicht sehr ausgefeilt. Eine Folge war, dass der Wert der Hubble-Konstanten anfänglich zu groß angegeben wurde. Das daraus abgeleitete Alter der Welt lag weit unter dem bis dato geschätzten und aus anderen Quellen belegten. Diesem Umstand war die schleppende Akzeptanz der Urknalltheorie geschuldet. Sie fand erst breite Anerkennung, als im Jahre 1965 der kosmische Mikrowellenhintergrund entdeckt wurde. Die kosmische Hintergrundstrahlung (cosmic microwave background, abgekürzt CMB) wurde von der Theorie vorhergesagt. Es sollte sich um eine Schwarzkörperstrahlung mit einer Temperatur um die 10 Grad handeln. Tatsächlich gemessen wurde schließlich eine Temperatur von nicht ganz 3 Grad Kelvin, genauer von 2,725 Grad. Das war der entscheidende Durchbruch. Wir erläutern, um was es geht. Wir versetzen uns dazu in die Zeit 300.000 bis 400.000 Jahre nach dem Urknall. Das Universum dieser Zeit war noch über 3.000 Grad Kelvin heiß und ausgefüllt mit einem Gasgemisch aus Protonen und Heliumatomen, freien Elektronen, Photonen und Neutrinos. Von den genannten Atomen, von Elektronen und Photonen, den Lichtteilchen haben wir alle schon in der Schule gehört. Neutrinos sind eine eher neuere "Erfindung". Es sind quasi Geisterteilchen, die uns im normalen Leben nicht begegnen. Sie machen sich nämlich nicht bemerkbar. Sie sind elektrisch neutral und extrem "leicht". Milliarden davon durchdringen ständig unseren Körper und und jede Materie dieser Welt. In diesem Teilchenchaos kam es fortwährend zu Zusammenstößen der Atomkerne mit den Elektronen und Photonen. Neutrale Atome, die sich kurzzeitig bildeten, indem Elektronen an den Atomkernen andockten, wurden von den umherschwirrenden Photonen wieder zerschlagen. Das war deshalb möglich, weil die Energie der Photonen noch größer war als die Bindungsenergie, die die negativ geladenen Elektronen an die positiv geladenen Atomkerne kettete. Aber die Energie der Photonen nahm mit der Expansion des Universums ab. Und etwa 380.000 Jahre nach dem Urknall war es so weit. Die Photonenenergie war so weit "abgekühlt", dass die Photonen nicht mehr in der Lage waren, die Elektronen von den Atomkernen zu lösen. Es bildeten sich neutrale Wasserstoff- und Heliumatome und die Photonen hatten ab sofort freien Lauf. Das Universum wurde durchsichtig. Diese Epoche in der Entwicklung des Universums wird Rekombinationsepoche genannt. Der heute beobachtbare Mikrowellenhintergrund ist das abgekühlte Überbleibsel dieser 380.000 Jahre nach dem Urknall frei gewordenen Photonenstrahlung. Das ist ohne Zweifel eine fantastische Geschichte. 

Die primordiale Nukleosynthese

Eine neben der Expansion des Universums und dem Mikrowellenhintergrund dritte  Säule der Urknalltheorie ist die Bildung der ersten leichten Atomkerne wie Deuterium-, Tritium- sowie Spuren von Lithium- und Berrylliumkernen. Dieser Prozess wird primordiale Nukleosynthese genannt, was soviel heißt, wie erste Bildung von Atomkernen. Um den Prozess zu verstehen, versetzen wir uns in die Zeit von einer Sekunde nach dem Urknall. Das Universum hatte eine Temperatur von mehr als 10 Milliarden Grad Kelvin. Wir lassen das so stehen, obgleich sich diese Temperatur niemand vorstellen kann. Auch sämtliche Vergleiche versagen an dieser Stelle. Das Universum war ausgefüllt mit einem Gasgemisch aus freien Protonen, Neutronen, Elektronen, Positronen, Photonen und Neutrinos. Diese gingen heftige Reaktionen miteinander ein. Diese Reaktionen befanden sich eine Zeit lang im Gleichgewicht, was bedeutet, dass durch die Reaktionen genauso viele Teilchen produziert wie Teilchen vernichtet wurden.  Als Folge der Expansion, sank aber die Temperatur des Universums, sodass die Energie der beteiligten Teilchen nicht mehr ausreichte und die  Reaktionen so nicht mehr ablaufen konnten. Die Wechselwirkungen, wie die Physiker sagen, froren ein. Maßgebend war im vorliegenden Kontext das Einfrieren der sogenannten schwachen Wechselwirkung. Dies führte dazu, dass sich die Neutrinos aus der Reaktionskette lösten und sich fortan unbeeinträchtigt durch das Universum bewegten. Die im Rahmen der Rekationen erfolgte ständige Produktion und Vernichtung von Protonen und Neutronen wurde gestoppt. Zudem zerfielen die freien Neutronen nach dem sogenannten ß-Zerfallssprozess. Auch in diesem Fall spielte die Energie der Photonenstrahlung eine entscheidende Rolle. Solange sie Energie der Photonen höher war als die Kernbindungskräfte, konnten sie die Bildung von Atomkernen verhindern. Der erste Kern in der Kette des Kernbildungsprozesses war der Deuteriumkern, bestehend aus einem Proton und einem Neutron. Bevor sich keine Deuteriumkerne gebildet hatten, konnten komplexere Kerne wie Tritium- und Heliumkerne nicht entstehen. Die Zeit, die vergehen musste, bis die Energie der Photonen unter die der Bindungserergie des Deuteriumkerns sank, wird deshalb auch als Deuteriumflaschenhals bezeichnet. Etwas mehr als 3 Minuten nach dem Urknall war es dann so weit. Die Photonenenergie war soweit gesunken, dass sich Deuteriumkerne bilden konnten und stabil blieben. Dann ging es sehr schnell. Sämtliche noch vorhandenen Neutronen wurden in Heliumkernen "verbraucht". Ubrig blieben im Wesentlichen Wasserstoffatome, also Protonen und Heliumkerne. Tritium wurde nur als Zwischenschritt benötigt und ist mit einer Halbwertzeit von 12,5 Jahren zerfallen. Alle schwereren Elemente sind später in den stellaren Hochöfen, die wir Sterne nennen, gebacken worden. Aus den theorietischen Überlegungen der promordialen Synthese wurden ca. 25% der vorhandenen Masse in Helium gebunden. In wenig prozessiertem Material, Material also, das in Sternen noch keinen Fusionsprozessen unterworfen war, konnte diese Größenordnung nachgewiesen werden, was eine eindrucksvolle Bestätigung dieser Theorie bedeutete.       

Die Dunkle Materie

Genauere Messungen der kosmischen Hintergrundstrahlung bestätigten eindrucksvoll die vorhergesagten Daten. Der kosmische Mikrowellenhintergrund entsprach nicht nur einer beinahe idealen Schwärzkörperstrahlung, er war auch auf erstaunliche Weise homogen. So liegen die räumlichen Dichteschwankungen in der Größenordnung von 1:100.000. Das heißt, Dichteunterschiede sind so gut wie nicht vorhanden. Wie sich aus diesem quasi homogenen Material jemals die heutigen Strukturen des Universums hatten bilden können, war ein ziemliches Rätsel. Es wurde schließlich mit einer nicht sichtbaren Dunklen Materie erklärt, in deren Potentialetöpfe die vom Strahlungsdruck befreite "normale" Materie hineinfiel und zusammen mit der Dunklen Materie die Keimzellen für die heutigen Strukturen des Universums bildeten.

 

Aber auch schon früher wurde Dunkle Materie postuliert, allerdings aus einem ganz anderen Grund. Bereits in den 1930er Jahren hatte man festgestellt, dass sich das Verhalten der Rotationkurven von Galaxien in Galaxienhaufen und später von Sternen in Galaxien mit der ausschließlich von der sichtbaren Materie generierten Gravitationskräften nicht erklären ließ. Die Galaxien müssten eigentlich aus den Galaxienhaufen und die Sterne aus den Galaxien hinausgeschleudert werden, wenn da nicht noch eine weitere Materieart exsitieren würde, die zusätzliche Schwekraft erzeugt. Leider ist die Dunkle Materie bis heute nicht nachgwiesen. Es gibt zwar eine Reihe von Theorien der Teilchenphysik und zahlreiche Strategien, die ihren Nachweis zum Ziel haben. Ob man sich mit den Experimenten LHC der Problemlösung zumindestens nähern kann, ist offen, wenn auch wünschenwert. Unabhängig davon nehmen die Zweifel an der Existenz der Dunklen Materie zu. Was die Nichtexistenz für die Gravitationsphysik und für das Modell des Universums bedeuten würde, ist offen.

Die Dunkle Energie

Das dumme ist, jedenfalls für die moderne Kosmologie, dass es in Wirklichkeit noch dunkler ist. Als nämlich 1998 beobachtet wurde, dass sich das Universum seit geraumer Kosmischer Zeit beschleunigt expandiert, kam die kosmologische Konstante Einsteins wieder auf den Plan. Sie diente fortan als Beschleuniger. Und da man nicht wusste und bis heute nicht weiß, welcher phsyikalische Mechanismus dahintersteckt, postulierte man kurzerhand eine Dunke Energie. Die Dunkle Energie hat, das ist Inhalt des Postulats, ziemlich eigenartige Eigenschaften. Ihre Dichte bleibt im Zuge der Expansion des Universums konstant und sie generiert einen negativen Druck. Sie zieht das Universum, quasi wie an Gummibändern festgemacht, auseinander.

 

An dieser Stelle können wir festhalten, dass es trotz der unbestritten enormen Fortschritte, die die Kosmologie in den letzten 100 Jahren errungen hat, insgesamt äußerst dunkel aussieht. Nahezu 95% der Zusammensetzung des Universums sind nicht geklärt. Sie bestehen jedenfalls nicht aus dem, was wir unter normaler, sichtbarer Materie verstehen.  

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