Credit : Springel/MPA, NASA/WMAP Science Team, May et al., Aguilar/CfA, Schaller/STScI, Latif/IAG, WMPA/GSFC/NASA, Schmidt/Federrath, Federrrath/Klessen, May et al, Swift/NASA

Der Urknall , Pop III Sterne und Protogalaxien Entwicklungsszenarien im frühen Universum

Ulrich v. Kusserow, Olbers-Gesellschaft e.V. Bremen

Das zur Zeit in der Astronomie, Astrophysik, Kosmologie und Teilchenphysik akzeptierte Standard-modell geht davon aus, das unser Universum nach einem Urknall vor 3,7 Milliarden Jahren entstanden ist. In der Epoche der Quantengravitation bildete die Raumzeit danach zu Beginn eine diskontinuierli-che schaumartige Struktur, in der Raum und Zeit noch nicht getrennt waren, eine einzige Superkraft vorherrschte. Nach dieser als Planck-Ära bezeichneten, nur 10-34 Sekunden andauernden Phase folgte eine Epoche der kosmischen Inflation, in der sich das Universum innerhalb von 10−33 s bis 10−30 s um einen Faktor zwischen 1030 und 1050 ausdehnt haben soll. Hypothetische X- und Anti-X-Teilchen ent-wickelten sich als Teil der primordialen Materie. In der folgenden Zeit fanden in dieser Theorie in kurzen Abständen als Symmetriebrüche bezeichnete Umwandlungen unterschiedlicher Zustände vom Einfachen zum Komplexen statt. Als wohlunterscheidbar eigenständig kristallisierten sich nacheinan-der die Gravitations-, die starken Fusions-, die der elektromagnetischen und schwachen Wechselwir-kung heraus. Bei dem ersten dieser Symmetriebrüche entstand die klassische Raumzeit, entstanden im ultraheißen Medium Quarks und Elektronen als erste Elementarteilchen, deren Antiteilchen sowie die Partikel, die die Kraftübertragung vermitteln. Bei Temperaturen von immer noch 1015 Grad soll den Teilchen etwa 10-11 Sekunden nach dem Urknall eine Masse durch ein sogenanntes Higgs-Feld zuge-ordnet worden sein. Nach etwa 10-6 Sekunden konnten freie Teilchen nicht mehr existieren. Aus Quarks entstanden Protonen und Anti-Protonen, die wechselwirkend fast vollständig zerstrahlten. Ein geringer Überschuss an Materie überlebte diesen Prozess. Nach etwa 100 Sekunden begann bei Tem-peraturen von etwa 109 Grad schließlich die Verschmelzung von Protonen und Neutronen, damit auch die Bildung leichter, positive geladener Wasserstoff- (Mengenanteil 75%), Helium- (25%) sowie rela-tiv dazu weniger Lithium-Atomkerne.

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Erst nach 70 000 Jahren dominiert die Materiedichte über die Strahlungsdichte. Etwa nach 380 000 Jahren endete die Plasmaphase der geladenen Partikel. Bei Temperaturen von nur noch 4000 Grad erfolgte der Einfang der negativ geladenen Elektronen durch die positiv geladenen Atomkern unter Ausbildung von Atomen. Die Lichtteilchen konnten die Materie, unbehindert durch Streuprozesse an Elektronen und Atomkernen, frei durchlaufen. Zu diesem Zeitpunkt der Entkoppelung der Strahlung von der Materie wurde die kosmische Hintergrundstrahlung ausgesandt. In der Folgezeit kühlte die Materie stark ab, das sogenannte Dunkle Zeitalter begann. Nach einigen 100 Millionen Jahren bildeten sich die ersten vermutlich besonders massereichen sogenannten Population (Pop) III Sterne, anfäng-lich bestehend allein aus den leichten Atomen des frühen Universums. Dies Bildung dieser ersten Sterne erfolgte nach zunehmender Materieverdichtung in Materiehalos, bestehend zu etwa 85% aus relativ kühler Dunkler Materie. So wird im Standardmodell die postulierte Materieform bezeichnet, deren Partikel allein auf Grund von Gravitationskräften miteinander in Wechselwirkung treten kön-nen. Diese heißen frühen Pop III Sterne sendeten starke UV-Strahlung und Sternwinde aus, endeten in heftigen Supernova-Explosionen. Sie reionisierten und beeinflussten dabei ihre Umgebung, füllten sie mit schwereren Elementen auf und ermöglichten so die Entstehung von Pop II Sternen, einer nächsten Sterngeneration, bestehend auch aus zunehmend schwereren Elementen. Als Überreste dieser ersten Sterne blieben massereiche stellare Schwarze Löcher übrig, die als Kernbausteine in riesigen, sich verdichtenden pregalaktischen Wolken die Ausbildung der ersten Protogalaxien ermöglichten. In den Zentren dieser ersten Galaxien bildeten sich zunehmend massereichere Schwarze Löcher aus. In den sie umgebenden Akkretionsscheiben entstanden neue Sterne mit schwereren Elementanteilen. Beim Zusammenstoß kleiner Protogalaxien bildeten sich etwa 1 Milliarde Jahren nach dem Urknall erste Spiralgalaxien in den Knotenpunkten des kosmischen Materienetzwerkes aus, das die ansonsten große leere Räume des Raumes filamentartig durchsetzte. Zusammenstöße von Spiralgalaxien führten ihrer-seits zur Ausbildung besonders massereicher elliptischer Galaxien, insbesondere in den Zentren riesi-ger Galaxienhaufen oder Superhaufen.

Um die anscheinend beobachtete beschleunigte heutige Expansion des Universums zu erklären, wurde die Existenz einer bisher ungeklärten, ominöse Dunklen Energie im Standardmodell postuliert. Eine solche, mit dem griechischen Buchstaben Λ (Lambda) abgekürzte sogenannte Kosmische (vielleicht doch von der Zeit abhängige) Konstante wurde aus einem anderem Grund bereits früher von Albert Einstein in die Gleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie eingeführt. Das bis hierhin skizzierte, in der astrophysikalischen Erforschung, von Teilchenphysikern und Kosmologen unterstellte Stan-dardmodell für die Entwicklungen im frühen Universum wird heute deshalb als das Λ-Kalte-Dunkle-Materie Modell bezeichnet.

Zu Beginn dieses unter anderem durch zahlreiche farbige Abbildungen und Videosequenzen anschau-lich gemachten Vortrags wird dieses Modell im groben Überblick dargestellt. Danach werden die In-dizien erläutert, die für die Existenz eines Urknalls als Ausgangspunkt für die Entwicklung unseres Universums sprechen. Es werden die vermuteten Entwicklungsphasen der Pop III Sterne, die Entste-hung massereicher Schwarzer Löcher sowie der aktiven Kerne in den Zentren der ersten Galaxien vorgestellt sowie die Einflussfaktoren früher kosmischer Magnetfelder abgeschätzt. Der Vortrag wird durch historische und kritische Anmerkungen zum Λ-Kalte-Dunkle-Materie Modell ergänzt. Neue Teleskope werden vorgestellt, deren Einsatz in Zukunft möglicherweise mehr Klarheit über die Ent-wicklungsgeschichte unseres Universums bringen könnte. Zum Abschluss sollen faszinierende Bilder und Filme zur Entspannung der Zuhörer beitragen.

Inhaltsangabe

1. Das Standardmodell für die Entwicklung des Universums

2. Indizien für den Urknall

3. Die Entwicklungsphasen der ersten Sterne und Galaxien

4. Einfluss primordialer kosmischer Magnetfelder

5. Entspannendes zum frühen Universum

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Nähere Informationen zum Vortrag können Sie erhalten durch:

Ulrich v. Kusserow Besselstraße 32-34 28203 Bremen Tel.: 0421-75160 E-mail: uvkusserow@t-online.de Internet: http://uvkusserow.magix.net/website/

Dipl. - Phys. Ulrich v. Kusserow, Olbers-Gesellschaft e.V. Bremen

Ulrich v. Kusserow unterrichtete nach dem Studium der Astrophysik (Diplomarbeit zum Thema „Stationäre sphärische αω-Dynamos und das Erdmagnetfeld“) als Gymnasiallehrer für Mathematik und Physik. Er war viele Jahre Vorsitzender der Bremer Olbers-Gesellschaft, ist Mitglied der Astronomischen Gesellschaft (AG) sowie der Deutsch Physikalischen Gesellschaft (DPG). Mehrere Jahre hat er zum Thema „Lernen über Kosmische Magnetfelder“ am Institut für Didaktik der Physik an der Universität Potsdam mitgewirkt. Er betreut heute Praktikumsversuche der Universität Bremen zur Sonnenphysik, schreibt Artikel und hält Vorträge, unter anderem auch bei Veranstaltungen zur Lehrerfortbildung, schwer-punktmäßig über didaktische Aspekte der modernen Astrophysik zu den Themenbereichen solare und kosmische Magnetfelder, Weltraumphysik, Planeten-, Stern- und Galaxienentstehung sowie Umwelt- und Klima-probleme. Als regelmäßiger Gast arbeitete er an der Jacobs University Bremen mit. Den Bremer PALAZZI-Verlag unterstützt er bei der Erstel-lung des jährlich in Zusammenarbeit mit der Zeitschrift „Bild der Wis-senschaft“ herausgegebenen „Sternzeit“-Kalenders, die DLR in Bremen bei der Arbeit eines Schülerlabors zur Sonnenbeobachtung.