„Big Bang“ („Urknall“)

13,7 Milliarden vor Heute

Big Bang

• Der Urknall - die Entstehung von Materie, Raum und Zeit.

• Er ist der Anfang der Welt und zugleich eines ihrer größten Rätsel.

Einstein• Die Grundlage zum heutigen Weltbild legte Albert

Einstein mit seiner Allgemeinen Relativitätstheorie (1915).

• Seine Gleichungen erlauben als Lösungen nur ein Weltall, daß sich ausdehnt oder zusammenzieht.

• Dies entsprach in keinster Weise dem damaligen "Weltbild", so daß sich Einstein entschloß, einen zusätzlichen Term, die sogenannte "kosmologische Konstante", in seine Gleichungen aufzunehmen, damit die Allgemeine Relativitätstheorie auch ein "ewiges" stationäres Weltall als Lösung zuläßt.

• Später bezeichnete Einstein die Einführung der kosmologischen Konstante als "größte Eselei seines Lebens".

Doppler

• In den zwanziger Jahren entdeckte Edwin Hubble, daß die Galaxien weitentfernte Sternsysteme sind, die sich alle voneinander entfernen (wie Bombensplitter nach einer Explosion) ....

Eine Schallquelle bewegt sich von A nach B

Polizeisirene

Expansion des Alls

• das Weltall dehnt sich aus. • Und zwar um so schneller, je weiter sie

entfernt sind - wie Objekte auf der Hülle eines Luftballons, der immer weiter aufgeblasen wird.

• Logischerweise müßte es früher kleiner und dichter gewesen sein.

Alter 13,7 Mrd Jahre

• Nach den heutigen Daten ergibt sich ein Alter des Weltalls von 13,7 Milliarden Jahren.

• Wenn das Weltall zu Beginn extrem klein und dicht war, muß es auch extrem heiß gewesen sein.

• Die Wissenschaftler können die Dichte und Temperatur des Weltalls zurückrechnen bis fast zu Beginn der "Explosion".

• Der Urknall selbst wurde erst vor rund siebzig Jahren entdeckt.

• Bis dahin gingen die Forscher, auch Albert Einstein, davon aus, dass das Universum ohne Anfang und Ende sei.

• Bis Edwin Hubble (nach dem das Hubble-Teleskop benannt ist) 1929 zufällig über den Urknall stolperte: Er stellte fest, dass sich die Galaxien auseinander bewegen.

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Das Ende der Welt

• Bislang nahm man an, dass die Ausdehnung des Universums durch die Gravitation allmählich abgebremst würde.

• Wenn die Ausdehnung ganz aufhört, würde der Kosmos durch die Gravitation wieder zusammenstürzen.

Unendliche Weiten

• Doch jetzt haben Astrophysiker mit Hilfe des VLT, des Very Large Telescope in der Atacama-Wüste in Chile, eine erstaunliche Entdeckung gemacht:

• Die Ausdehnung des Universums wird nicht abgebremst, sondern nimmt im Gegenteil zu:

• Es gibt eine Beschleunigung im All. Eine bislang unerklärliche Kraft treibt das Universum weiter auseinander.

• Irgendwann wird es allerdings recht einsam in diesen unendlichen Weiten ...

Das „Echo“ des Urknalls• Beim Urknall gab es wohl so etwas wie einen

Strahlungsblitz, den man noch heute als kosmische Hintergrundstrahlung messen kann.

• Diese Strahlung wurde von George GAMOW (1904-1968) vorhergesagt und im Jahre 1965 von Arno PENZIAS und Robert WILSON mit einem Radioteleskop gefunden.

Was geschah nach dem Zeitpunkt 0

• Die Geschichte des Universums beginnt 10 -43 Sekunden nach dem Zeitpunkt NULL..

• Temperatur und Dichte hatten zum Zeitpunkt 10-43 Sekunden unvorstellbar große Werte, dafür war das Universum aber sehr, sehr klein (Temperatur: 1032 Kelvin, Dichte: 1092 g/cm³, Ausdehnung: 10-33 cm).

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Urbrei

• Der Urbrei, wie man das Universum in diesem Zustand auch bezeichnet, war mit vielen Elementarteilchen und Strahlung gefüllt .

Entstehung der Kräfte• Zum Zeitpunkt 10-43 Sekunden teilte sich die Urkraft in

die Gravitationskraft und die GUT-Kraft auf (Grand Unification Theory), die, wie der Name schon sagt, eine Vereinigung aus noch weiteren Kräften darstellt ("große Vereinigungstheorie"). Nach 10-35 Sekunden spaltete sich die GUT-Kraft in die elektroschwache Kraft und die starke Wechselwirkung auf. Die starke Wechselwirkung sorgt dafür, daß Quarks in Protonen und Neutronen, und diese in den Atomkernen gehalten werden. 10-12 Sekunden nach dem Urknall spaltete sich dann die elektroschwache Kraft in die elektromagnetische Kraft und die schwache Wechselwirkung (Kernkraft) auf. Damit waren aus der Urkraft die vier verschiedenen, heute bekannten Naturkräfte entstanden.

Materie zerstrahlt!• Etwa zwischen 10-35 und 10-32 Sekunden nach

dem Urknall dehnte sich das Universum blitzartig aus.

• Dieser Vorgang wird als Inflation bezeichnet. Nach der Inflation war der Rauminhalt 1090 mal größer als vorher.

• Eine tausendstel Sekunde nach dem Urknall verschwand fast die gesamte Materie. Die im Urbrei befindlichen Quarks fanden fast alle ihre Opponenten, die Anti-Quarks, mit denen sie zu Strahlung "zerschellten".

Mauerblümchen!

• Eine geringe Anzahl von Quarks, etwa eines auf eine Milliarde, fanden jedoch keine Anti-Quarks

• Diese übrigen Quarks taten sich zusammen, so daß Protonen und Neutronen entstanden und zwar im Verhältnis 4 : 1.

Elektronen und Positronen• Das gleiche wie mit den Quarks geschah in den

folgenden Minuten mit den Elektronen. Sie trafen auf die Positronen und Gamma -Quanten entstanden.

• Der umgekehrte Vorgang, daß also aus Strahlung Quarks und Anti-Quarks bzw. Elektronen und Anti-Elektronen entstehen, konnte nicht mehr stattfinden, weil sich das Universum immer weiter abkühlte und somit nicht mehr genug Energie für den umgekehrten Vorgang vorhanden war.

• 3 min. nach Entstehung des Universums hatte es sich auf 1 Milliarde Kelvin abgekühlt.

• Es gab genauso viele Protonen wie Elektronen, so daß die Gesamtladung des Universums null war.

• In den folgenden Minuten entstanden durch Kernfusion die Atomkerne der leichten Elemente Wasserstoff, Helium und in Spuren auch Lithium.

• 30 min. nach seiner Entstehung bestand das Weltall daher zu etwa 77% aus Wasserstoffatomkernen und zu etwa 33% aus Helium-Kernen.

Atome nach 300 000 Jahren• Die Atomkerne konnten allerdings noch keine

Elektronen einfangen, denn dazu war es noch zu heiß. Es sollte Einhunderttausend Jahre dauern, bis die Temperatur auf wenige Tausend Kelvin gesunken war.

• Nun fingen die Atomkerne die Elektronen ein und das Universum wurde durchsichtig, so, wie wir es heute kennen. Die undurchsichtige Form, die es vorher hatte, bezeichnet man auch als Plasma.

• Nach 200 Millionen Jahren bildeten sich Sterne und Galaxien und das Weltall bekam seine heutige Gestalt.

Materie in der Minderheit• So macht die normale Materie, aus der alle

Sterne, Planeten und Lebewesen bestehen, den Aufnahmen zufolge gerade einmal vier Prozent des Universums aus.

• 23 Prozent des Inhalts werden der immer noch weitgehend unbekannten Dunklen Materie zugeschrieben.

• Der Großteil mit 73 Prozent bestehe allerdings aus der absolut rätselhaften "Dunklen Energie", die das Universum entgegen der Schwerkraft immer schneller auseinander treibt.