Geschichte des Universums

Der Ursprung des Universums, wie und warum es vor 13,7 Milliarden Jahren zum Urknall kam, ist ein Rätsel das wohl für alle Zeiten nicht lösbar sein wird. Unbeantwortbar sind die Fragen, in was das Universum expandiert, was außerhalb der Raumzeit existiert, wie die die Entstehung des Universums aus dem “Nichts” erklärbar ist und was dieses “Nichts” ist.

Auf Grundlage astronomischer Beobachtungen, Experimente mit Hochenergie Teilchenbeschleunigern und theoretischen Modellen versuchen Physiker die Geschichte des Universums zu rekonstruieren. Die Relativitätstheorie und die Quantenphysik sind die Grundlagen um die Vergangenheit und die Zukunft des Universums zu verstehen.

Bisher war es nicht möglich die Quantenphysik mit der Relativitätstheorie zu einer Theorie der Quantengravitation zu vereinen. Ein Grund ist das, dass Trägerteilchen der Gravitation, das Graviton bisher nicht nachgewiesen werden konnte und die Naturgesetze in Maßstäben kleiner der Planklänge ihre Gültigkeit verlieren.

Vor 13,7 Milliarden Jahren war die gesamte Masse des Universums in einen winzigen Raum, kleiner als die Plancklänge von 10^^-33 cm, in einem Zustand unendlicher Masse, Dichte und Temperatur vereint. Es existierte keine Raumzeit und keine Materie. Die vier im heutigen Universum wirkenden Fundmentalkräfte: Elektromagnetismus, Starke- und Schwache Kraft waren mit der Gravitation zur Quantengravitation vereint.

Die Planklänge könnte eine Art Grenze, ein Übergang zwischen Mikro und Makrokosmos sein. Ähnlich des Makrokosmos könnte die Ausdehnung des Mikrokosmos im Kleinen ins unendliche verlaufen. An den Übergang zwischen beiden Räumen erscheinen virtuelle Teilchen zum Beispiel Positronen und Elektronen. Teilchen und Antiteilchen zerstrahlen zu Photonen. In der Nähe einer großen Masse, eines Schwarzen Loches kann ein Teilchen des virtuellen Paares in den Ereignishorizont stürzen, während das andere Teilchen dem schwarzen Loch mit hoher Geschwindigkeit entkommt. Die Strahlung aus Elektronen oder Positronen die ein schwarzes Loch emittiert, wird benannt nach dem Entdecker, dem Physiker Stephen Hawking, als Hawking Strahlung.

Auch heute im energieärmeren Universum erscheinen Teilchen aus dem virtuellen Quantenraum kleiner der Planklänge. Im energiereichen Zustand vor dem Urknall existierte nur der Raum kleiner der Planklänge. Im Zustand ohne Raumzeit, Materie und gültiger Naturgesetze könnten Bosonen der Quantengravitation in einer Art Wechselwirkung untereinander massereiche Energiezustände erzeugt haben, die sich in Explosionen entluden.

Viele Explosionen hatten irgendeine unbekannte Auswirkung. Eine aus der Wechselwirkung der Bosonen der Quantengravitation resultierende Explosion war so gewaltig, dass die Quantengravitation durch Abspaltung der Gravitation zerbrach und der Urknall ausgelöst wurde. Die Explosion war so gewaltig, dass die Gravitation, die Expansion bis heute nicht bremsen konnte. Die Bosonen der Quantengravitation zerfielen zu Bosonen der Elektrokernkraft und Gravitonen. Die Trägerteilchen dreier Kräfte ( Photon, Z, Gluon ) waren nicht mehr unterscheidbar und zur neuen Kraft vereint.

Im extrem heißen dichten Universum entstanden durch Wechselwirkungen wahrscheinlich zuerst die Leptonen zu denen das Elektron, Myon, Tau, Neutrino Arten und jeweilige Antiteilchen zählen. Kollisionen zwischen Leptonen und den Bosonen der Elektrokernkraft erzeugten Quarks und Antiquarks. Teilchen waren ineinander umwandelbar. Im Materie – Antimaterie Plasma zerstrahlten Teilchen und Antiteilchen. Viele Energiereiche Teilchen, wie eventuelle Superteilchen, das Leptoquark verschwanden am Ende der Ära.

Theoretisch und experimental entwickelten Physiker mathematische Modelle die drei Kräfte, mit Ausnahme der Gravitation zu einer Theorie der Elektrokernkraft GUT vereinigten. Eine erste Theorie der vereinigten drei Kräfte entwickelte 1974 der Physiker Sheldon Glashow. Eine Voraussetzung für die Richtigkeit der Grand Inification Theory (GUT) ist der Zerfall des Protons in ein Elektron und Positron. Dies wurde bisher noch niemals beobachtet, weil die Zerfallsdauer auf 10^³¹ Jahre geschätzt wird.

Zum Ende der GUT Ära erschienen x – Bosonen, deren Zerfall eine Phase extremer Ausdehnung einleitete. Nach der Theorie des Physikers Alan Guth, führte eine Unterkühlung des Universums zu einer Umkehrung der Gravitation. Die kurze inflationäre Phase endete mit dem Zerfall der Elektrokernkraft und einen geringen Materieüberschuss aus dem unregelmäßigen Zerfall des X – Boson. Mit dem Beginn des neuen kosmischen Gleichgewichts verhielt sich die Gravitationskraft wieder anziehend.

Die Richtigkeit der GUT Theorie konnte bisher nur mathematisch, aber nicht im Experiment in Teilchenbeschleunigern bestätigt werden. Nur der Large Hadron Collider (CERN) könnte in der Lage sein Energiezustände während der GUT Ära zu erzeugen, weil viele Teilchen nur unter bestimmten Energiezuständen im frühen Universum existierten.

Mit dem Beginn Elektroschwachen Ära, in der der Elektromagnetismus und die Schwache Kraft vereint waren, wurde ein geringer Überschuss an normaler Materie gegenüber der Antimaterie durch den Zerfall des x- Bosons zur Grundlage des heute Materie erfüllten Universums. Noch war die Dichte und Temperatur des Universums zu hoch, als das die Gluonen, die Trägerteilchen der Starken Kraft, die Quarks zu Atomkernen binden konnten.

Mit der Theorie der elektroschwachen Kraft, für die die Physiker Steven Weinberg, Sheldon Glashow und Abdus Salem 1979 den Nobelpreis erhielten, bewegt sich die Wissenschaft im mathematisch und experimentell bewiesenen Bereich. Bis 10^^-33 Sekunden nach dem Urknall konnte die Geschichte des Universums rekonstruiert werden.

Nach dem Zerfall der Elektrokernkraft und der Elektroschwachen Kraft wirkten im Universum die vier Fundmentalkräfte, unter deren Wechselwirkungen alles was heute im Kosmos existiert entstand.

Je drei Quarks wurden durch Gluonen, in Atomkernen gebunden. Nach weiterer Abnahme der Temperatur konnten die Atome Elektronen zur Bildung vollständiger Atome in der Atomhülle binden. Durch die Ausbreitung  elektromagnetischer Wellen wurde das Universum im elektromagnetischen Spektrum sichtbar.

Einige hunderttausend Jahre später verteilten sich riesige heiße dichte Gaswolken aus Wasserstoff und Helium im Weltraum. Massereiche Superstrings, die unter den Bedingungen des frühen Universums existiert haben könnten, verdichteten die Gaswolken durch Anziehung oder Abstoßung. Strings sind eindimensionale Strukturen die auf der kleinsten Ebene der Materie durch Schwingungen Elementarteilchen und Kräfte erzeugen. Die Strings bewegen sich durch mehr als vier Dimensionen und könnten im früheren Universum massereiche Elementarteichen erzeugt haben und zur Entstehung der Leerräume zwischen den Galaxien und den Galaxienhaufen beigetragen haben.

Die hohe Sternentstehungsrate verwandelte die Gasnebel in ausgedehnte Sternhaufen. Die ersten Sterne die extrem massereich und kurzlebig waren, explodierten als Supernovae und schleuderten schwerere Elemente als Eisen in den Weltraum. Die schweren Elemente wurden zur Grundlage der Entstehung von Planeten und der Evolution des Lebens.

Sternhaufen und Gasmassen stürzten unter dem Einfluss der Gravitation zu den Zentren von Protogalaxien. Es entstanden massereiche Galaxienkerne, umgeben von Zentralbereichen. Mit zunehmender Masse kollabierten die Protogalaxien, indem die Gravitationskraft den Sturz der Materie in den galaktischen Zentralbereich beschleunigte.

In vielen Galaxien bildete sich ein schwarzes Loch im Zentrum, umgeben von einem Zentralbereich. Gaswolken, Sternhaufen und Sterne bewegten sich mit dem Ende des Gravitationskollapses auf regulären Bahnen um die Zentralbereiche der Protogalaxien.

Über Jahrmilliarden entstanden in Abhängigkeit von der Masse, Rotationsgeschwindigkeit, Sternentstehungsrate, galaktischen Begegnungen und Verschmelzungen kugelförmige elliptische und spiralförmige Galaxien. Irreguläre strukturlose Sternsysteme sind wahrscheinlich durch nahe Begegnungen mit regulären Galaxien entstanden.

Einige Galaxien und die Quasare gehören zu den größten Quellen von Radiostrahlung. Im Zentrum dieser Sternsysteme wird Materie durch ein Schwarzes Loch abgelenkt und als Plasmajet in den Weltraum geschleudert.

Die Räume zwischen den Galaxien bestehen aus einer unbekannten dunklen Materie. Die Existenz dieser Materie wurde durch ihren Einfluss auf die galaktische Rotation nachgewiesen. Der Anteil der dunklen Materie an der gesamten Materie im Universum wird auf 90% geschätzt. Die unbekannte Materie spielt eine entscheidende Rolle bei der Entstehung der Galaxien. Neben der dunklen Materie vermuten Wissenschaftler eine dunkle Energie die, die Expansionsgeschwindigkeit des Universums beeinflusst.

Im Weltraum vereinigten sich die Galaxien zu Galaxienhaufen, die durch riesige Leerräume getrennt sind. Einige Galaxienhaufen, wie die lokale Gruppe zu der die Milchstraße zählt, bewegen sich in Richtung riesiger Superhaufen. Die Lokale Gruppe wird von dem 100 Millionen Lichtjahre entfernten Hydra Centaurus Superhaufen angezogen.

Scheinbare Wirklichkeiten

Die Expansion des Universums und die Entdeckung der aus allen Richtungen gleichen kosmischen 2,726 ° K Hintergrundstrahlung, die als Echo des Urknalls betrachtet wird, die Gültigkeit der allgemeinen Relativitätstheorie und die Vorhersage der Menge der Elemente die im Urknall erzeugt wurden, sind die Hauptargumente für das Weltmodell eines expandierenden Universums.

Entscheidend über die Zukunft des Universums ist die mittlere Dichte pro Kubikmeter Raumvolumen. Die Expansion könnte unendlich sein, oder die Gravitation bremst die Expansion ab und das Universum kollabiert in einen Punkt unendlicher Dichte und Energie, aus dem vielleicht ein neues Universum hervorgeht.

Aufgrund der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit erscheinen alle beobachteten Objekte und Ereignisse im Universum in der Vergangenheit. Eine 5 Milliarden Lichtjahre entfernte Galaxie erscheint, wie sie vor 5 Milliarden Jahren aussah.

Es ist nicht möglich zu beschreiben, wie die Galaxie in unserer Gegenwart aussieht. Die Galaxie hat sich in der Vergangenheit bis zur Gegenwart weiter entwickelt, beobachtet wird eine vergangene Wirklichkeit. Von der beobachteten scheinbaren Position hat sich die Galaxie durch die Fluchtgeschwindigkeit  weiter entfernt. Die wirkliche Position der Galaxie in der Gegenwart eines Beobachters auf der Erde ist nicht feststellbar.

Es ist unmöglich eine Aussage über das Entwicklungsstadium des Sternsystems zu geben. Der Unterschied zwischen der beobachteten scheinbaren Position bezogen auf die Vergangenheit und der wirklichen Position bezogen auf die Gegenwart lässt auf ein viel größeres, aufgrund der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit nicht wahrnehmbares Universum schließen.

Wenn die Naturgesetze im Universum überall gleich sind und es keinen bevorzugten Mittelpunkt gibt, müsste auf einen Planeten an der beobachteten scheinbaren Position, die kosmische Hintergrundstrahlung aus allen Richtungen gleich sein, die Expansionsgeschwindigkeit der Galaxien mit der Entfernung zunehmen und die Lichtgeschwindigkeit konstant sein. Unsere Galaxie erschien in der heutigen Gegenwart 5 Milliarden Jahre jünger, zu einer Zeit als das  Sonnensystem entstand.

Es scheint so, als ließen sich nur Wahrscheinlichkeitsaussagen darüber machen, wie entfernte Regionen im Weltall in der heutigen Gegenwart aussehen. In der Realitätstheorie verlangsamen sich Zeitabläufe und verringern sich Entfernungen, wenn sich die Verteilung von Masse oder Energie verändert.

In einem dreidimensionalen Universum ist jede Entfernung absolut, wodurch sich bei großen Distanzen eine Überlichtgeschwindigkeit ergibt.  In einem vierdimensionalen Universum sind Raum und Zeit relativ. Die Entfernungen sind in der Zeit verkürzt und die Konstanz der Lichtgeschwindigkeit bleibt erhalten. Durch die Konstanz der Lichtgeschwindigkeit  ist es nicht möglich die wahren Ausmaße des Universums zu erkennen. Die Wahrnehmung vergangener kosmischer Ereignisse, verhindert es den gegenwärtigen Zustand des Universums zu betrachten.

Durch die Beobachtung der vier großen Monde des Jupiters mit einem einfachen Linsenfernrohr und den Phasen der Venus, bewies G. Galileo das nicht alle Himmelskörper um die Erde kreisen müssen. Seine Beobachtungen erschütterten das geozentrische Weltbild und führten zum Beweis des kopernikanischen Weltbildes.

Er experimentierte mit unterschiedlichen Gewichten, die er Schrägen herunterrollen ließ und mit Gewichten die er von Türmen fallen ließ. Er maß die Zeit die, die Gewichte benötigten eine festgelegte Strecke zurückzulegen oder maß die Fallzeit aus einer bestimmten Höhe. Aus den Messergebnissen erkannte er, das die Geschwindigkeit aller Körper unabhängig vom ihrem Gewicht gleichmäßig zunimmt. Aus der gleichmäßigen Zunahme der Geschwindigkeit fallender Körper leitete er das Gesetz des freien Falls her.

Der Astronom Johannes Kepler (1571-1630) entwickelte ein heliozentrisches Weltbild, indem die Planeten die Sonne auf elliptischen Bahnen umkreisen. Die mathematische Beschreibung der Planetenbahnen durch die drei Planetengesetze wurde zur Grundlage astronomischer Beobachtung. Die Genauigkeit der Vorhersage der Positionen der Himmelskörper am Nachthimmel bewies, dass die Planeten nicht idealen kreisförmigen Bahnen folgten, sondern elliptischen Bahnen um die Sonne.

1610 veröffentliche J. Kepler die mathematischen Grundlagen der Lichtbrechung durch Linsen und beschriebt ein astronomisches Linsenfernrohr. Vom 17. bis zum 19. Jahrhundert wurde das Kepler Fernrohr weiterentwickelt. Mit zunehmendem Linsendurchmesser wurden die Refraktoren schwerer, länger, unbeweglicher, zudem erschienen ferne Objekte zunächst verschwommener.

Weder G. Galileo noch J. Kepler erkannten, dass die gleichmäßige Geschwindigkeitszunahme fallender oder einen Abhang herunterrollender Körper und die Bewegungen der Himmelskörper von einer Naturkraft verursacht wird.

Issac Newton (1643-1727) erkannte in diesen Gesetzmäßigkeiten das Wirken einer Kraft, die er Gravitation nannte und das Verhalten aller Körper und ihrer Bewegungen steuert. Die Stärke der Kraft nimmt mit der Masse und der Annäherung zu. Ihre Wirkung nimmt mit dem Quadrat der Entfernung ab.

Aus Galilei´s Messergebnissen und Erkenntnissen schuf er die mathematische Grundlage der Bewegungsgesetze. Es war nun möglich jede Form der Bewegung irgendeines Körpers, durch Einbeziehung einer Gravitationskonstante sehr genau zu beschreiben.

Die Bahn des Mondes um die Erde, die Bahnen der Planeten und aller anderen Himmelkörper werden durch die Gravitation beeinflusst. Er verbesserte J. Keplers Planetengesetze durch Einfügung der Gravitationskonstante in die Gleichungssysteme, wodurch die Bahnen aller Himmelskörper mit großer Genauigkeit bestimmt werden konnten.

1671 konstruierte er das erste Spiegelteleskope, das Ende des 18. Jahrhunderts von Charles Messier und Wilhelm Herschel verbessert und zur Himmelsbeobachtung eingesetzt wurde. Spiegelteleskope erzeugen gegenüber Linsenteleskopen schärfere Bilder.

Der Spiegeldurchmesser ist nicht wie bei Linsenteleskopen begrenzt, wodurch ein tieferer Blick in das Weltall möglich ist. Die geringere Bedeutung von Gewicht und Länge ermöglicht Teleskope in der Erdumlaufbahn, wie das Hubble Space Teleskope.

Charles Messier entdeckte Ende des 18. Jahrhunderts auf der Suche nach Kometen nebelförmige Objekte im Nachthimmel, die ihre Positionen nicht änderten. Wilhelm Herschel zeichnete 1783 durch Himmelsbeobachtungen eine erste Karte der Milchstraße. In einigen Messier Nebeln konnte er mit dem größten damaligen Spiegelteleskope Sterne entdecken. Einige Nebel erwiesen sich als Planetare Nebel, offene Sternhaufen und Kugelsternhaufen. In anderen Nebeln konnte er keine Sterne finden. Er vermutete dass diese Objekte ferne Welteninseln sind.

Bis zum Ende des 19. Jahrhunderts konnte das Auflösungsvermögen der Spiegelteleskope gesteigert werden. W. Parson entdeckte Mitte des 19. Jahrhunderts Spiralarme in einigen Galaxien, ohne Einzelsterne erkennen zu können.

Bis in den zwanziger Jahren des 20. Jahrhunderts wurde die Himmelsbeobachtung durch größere Teleskope, Fotographie und Spektroskopie verbessert. Es wurden viele Möglichkeiten gefunden, die Entfernungen zu den kosmischen Objekten zu bestimmen.

Um die Entfernungen zu weit entfernten Objekten zu bestimmen entdeckte Henrietta Swan Leavitt 1912, das eine bestimmte Klasse von veränderlichen Sternen, die Delta Chepheiden unabhängig von der Entfernung die gleiche absolute Helligkeit besitzen. Durch den Vergleich mit der auf Fotoplatten ermittelten mittleren scheinbaren Helligkeit kann die Entfernung bestimmt werden.

Bis 1920 war die Ansicht verbreitet, dass es keine Galaxien außerhalb der Milchstraße gibt. V. Slipher entdeckte 1912 die Rotverschiebung von Wasserstofflinien in den Spektren einiger Sternsysteme, die sich mit hoher Geschwindigkeit entfernten.

1923 konnte Edwin Hubble mit dem 2,5 m Spiegelteleskope auf dem Mt. Wilson, einzelne Sterne in der Andromeda Galaxie entdecken. Er entdeckte Delta Chepheiden und bestimmte durch die Anwendung der Chepheiden – Helligkeitsbeziehung eine Entfernung von 900 000 Lichtjahren, die 1952 von W. Baade auf 2,25 Millionen Lichtjahre korrigiert wurde. Die Andromeda Galaxie und andere Sternsysteme befanden sich weit außerhalb der Milchstraße und das Universum war weit größer als angenommen. E. Hubble unterteilte die Galaxien in elliptische, spiralförmige und irreguläre Systeme, nach ihrer Größe, Form des Kerns, der Spiralarme in verschiedene Klassen.

Er entdeckte aus der Rotverschiebung von Elementen in den Absorptionsspektren der Galaxien, dass die Fluchtgeschwindigkeit proportional mit der Entfernung zunimmt.  Das Universum expandiert und die Expansionsgeschwindigkeit nimmt mit der Entfernung zu. Die Zurückrechnung der Expansion führt zu einem winzigen Ausgangspunkt, aus dem das Universum vor 13,7 Milliarden Jahren durch einen Urknall hervorging.

1951 entdeckten Radioastronomen die 21 cm Linie des neutralen Wasserstoffs. Durch die Entdeckung wurde eine erste Radio – Karte der Milchstraße erstellt. Der balkenförmige Zentralbereich ist umgeben von einer dünnen Scheibe mit großen Gas,- und Staubwolken. Von einem balkenförmigen Zentralbereich aus, erstreckt sich die galaktische Ebene mit den Spiralarmen.

In den Spiralarmen, die reich an gasförmigen Staubwolken sind, entstehen kurzlebige Sterne, die häufig offene Sternhaufen bilden. Umgeben ist die Milchstraße von einem Halo aus Kugelsternhaufen, mit langlebigen Sternen. Das galaktische Zentrum, in Richtung des Sternbildes Sagritarius ist eine starke 21 cm Radioquelle. Riesige Gasmassen stürzen in den Ereignishorizonts eines massiven Schwarzen Lochs.

Die Wissenschaftler A. Penzias und R. Wilson entdeckten 1965 mit einem Radioteleskop die 2,7° K Mikrowellen Hintergrundstrahlung des Universums. Die Strahlung ist bis auf kleine Schwankungen aus allen Richtungen gleich und wird als Reststrahlung des Urknalls, die heute auf 2,7° K abgekühlt ist angesehen. Neben der Rotverschiebung der Galaxien, gilt die Entdeckung als Beweis für ein seit dem Urknall expandierendes Universum.

Durch Erd,- und Weltraum gestützte Teleskope, Flugzeuge und Satelliten wird das Universum in allen Wellenlängen Bereichen des elektromagnetischen Spektrum erforscht. Es wurden neue Galaxienklassen mit aktiven Kernen, Quasare, Protogalaxien und viele andere bisher unbekannte Objekte beobachtet. Das Alter des Universums wird gegenwärtig mit 13,7 Milliarden Jahren aus der Rotverschiebung der entferntesten Objekte bestimmt.

Die Milchstraße und die Andromeda Galaxie sind die beiden größten Sternsysteme innerhalb der lokalen Gruppe. In einem Radius von fünf Millionen Lichtjahren zählen zu ihr kleine elliptische,- spiralförmige und irreguläre Sternsysteme. Tiefer im Universum existieren riesige Leerräume und Galaxienhaufen, die sich zu Superhaufen vereinigen. Mehr als 90% der Materie im Universum ist unbekannt. Die Dunkle Materie kann nur indirekt durch ihre Auswirkungen auf die Rotation der Sternsysteme nachgewiesen werden. Die Dunkle Materie bestimmte die Entwicklung des Universums. Neben dieser Materie wird eine dunkle Energie vermutet die, die Ausdehnung des Universums beschleunigt.

Wenn die Gravitationskraft in fernster Zukunft die Expansion des Universums nicht aufhalten kann, wird das Weltall unendlich expandieren und unendlich alt werden. Die Protonen, die stabilsten Baryonen und Bestandteile aller Materie zerfallen wahrscheinlich nach 10^³¹ Jahren in einem Teilchenschauer. Im dunklen Universum ohne baryonische Materie könnte die dunkle Energie das Universum extrem stark beschleunigen, wodurch die Rest Materie zerrissen wird und das Universum in ein dunkles “Nichts” verschwindet.

Hans G.

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