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MV 03/18: Die Entwicklung des Universums

von Kurt O. Wörl (E-Mail: webbuero [at] vpp-nuernberg.de)

Heute, am Mittwoch, 14.03.2018, durften wir einem Vortrag besonderer Art lauschen. Zu Gast als Referentin hatten wir heute Frau Prof. Dr. Gisela Anton.  Sie ist Hochschullehrerin und forscht am Lehrstuhl für Experimentarphysik der Friedrich-Alexander-Universität (FAU) Nürnberg-Erlangen.

Nichts Geringeres als die „Entwicklung des Universums“ ließ Prof. Anton in – auch für Laien – gut verständlichen Worten vor uns Revue passieren und gab uns auch einen Ausblick auf das – gar nicht so rosige – Ende desselben.

Wenn wir uns den Sternenhimmel ansehen – und Astronomen tun das schon seit Jahrtausenden – dann gewinnen wir leicht den Eindruck, dass der Kosmos schon immer so war und immer so sein wird, wie er uns, seit es Menschen gibt, erscheint. Daraus gewinnt man leicht den Eindruck, dass das Universum eine Beständigkeit hat, die es immer gegeben hat und immer geben wird. Doch das ist nach den heutigen Erkenntnissen der Astrophysiker ganz und gar nicht so.

Bereits 1929 machte Edwin Hubble eine Entdeckung: Wenn man verschiedene Galaxien beobachtet kann man deren Entfernung und Geschwindigkeit im Raum berechnen. Hubble entdeckte nun, dass sich die beobachteten Galaxien derzeit mit Geschwindigkeiten zwischen 1.000 und 13.000 km/sec von einander entfernen und zwar umso schneller, je weiter die Galaxien bereits vom Punkt des Urknalls entfernt sind. Das bedeutet, dass die Fluchtgeschwindigkeit der Galaxien mit zunehmender Entfernung immer größer wird. In der Konsequenz bedeutet dies, dass sich das Universum immer schneller ausdehnt und auch immer weiter ausdehnen wird, ähnlich einem aufgehenden Hefeteig. Man nennt dies die kosmische Expansion. Frühere Vorstellungen, nach welchen die Ausdehnung des Universums aufgrund der Gravitation der in ihm enthaltenen Materie irgendwann zum Stillstand käme, schließlich kollabieren und das Universum wieder in einem Punkt zusammenstürzen würde, sind damit nicht mehr haltbar.

Allerdings gilt dies nicht für besonders nah beieinander liegenden Galaxien. Unsere Galaxie – die Milchstraße – und die Andromedagalaxie, unsere Nachbargalaxie, sie wandern aufgrund ihrer Gravitationskräfte aufeinander zu und werden in ferner Zukunft zu einer einzigen Galaxie verschmelzen. Für entfernte Galaxien hingegen gilt die Hubble’sche Beobachtung, dass sie sich immer schneller von einander entfernen und zwar in allen Richtungen. Und dieses Phänomen ist nicht erklärbar mit der Vorstellung, der Weltraum hätte eine endliche Größe und nur die Galaxien im Raum würden sich bewegen. Es ist nur erklärbar damit, dass der ganze Raum sich ausdehnt. Prof. Anton machte dies anhand von Luftballonen deutlich, auf deren Oberfläche Punkte aufgemalt sind. Je mehr man den Luftballon aufbläst umso weiter entfernen sich die aufgemalten Punkte von einander.

Die Ausdehnung des Universums hat auch Einfluss auf die kleinsten, subatomaren Teilchen. Mit zunehmender Expansion des Universums wird die Wellenlänge z.B. von Photononen immer länger, ihre Frequenz nimmt also ab. Als das Universum noch klein war, war es im Universum gleißend hell, weil die Photonen im Frequenzbereich des Lichtes geschwungen haben. Nachdem – wegen der Raumausdehnung – die Frequenz der Photonen die Lichtfrequenz unterschritten hatten, wurde es im Universum für lange Zeit sehr dunkel.

Aus der Berechnung der Ausdehnungsgeschwindigkeit kann man auch berechnen, wie alt das Universum ist. Da sich in der Expansion alle Galaxien von einander entfernen, kann in der Rückrechnung festgestellt werden, wann alles Seiende im All an einem Punkt vereinigt war. Demnach fand der Urknall vor etwa 13,8 Mrd. Jahren statt. Der Beginn von allem. Und der dürfte ziemlich spektakulär gewesen sein.

Es entstanden zunächst Quarks und Antiquarks (das sind die Bausteine der Atome), die sich bei der Kollision gegenseitig vernichteten und neue Teilchen produzierten, z.B. ein Elektron und ein Positron. Diese können bei erneuten Kollisionen mit anderen Teilchen wieder neue Reaktionen eingehen. Es gibt aber auch Zerfälle. So können schwerere Teilchen in leichtere zerfallen. Ein Beispiel dafür ist der Neutronzerfall. Das Neutron ist ein Baustein der Atomkerne; und ein freies Neutron kann zerfallen in ein Proton, ein Elektron und eine Neutrino. Ein freies Neutron hat nur eine Lebensdauer von etwa 10 Minuten, danach zerfällt es. Zum Glück wurden aber etwa eine Minute nach dem Urknall die meisten Neutronen von Protonen eingefangen und bildeten die ersten leichten Atomkerne (Wasserstoff, Deuterium und Helium). An Protonen gebunden können Neutronen nicht mehr zerfallen. In dieser Phase können keine weiteren, schwereren Atomkerne gebildet werden. Das ist es, was wir auch heute im Universum beobachten können. Die darin enthaltene Materie besteht im Wesentlichen aus Wasserstoff und Helium, während schwerere Elemente (aus welchen wir selbst, alle Planeten usw. bestehen) derzeit gerade einmal etwa 1% der Gesamtmaterie ausmachen.

Zunächst war die so entstandene Materie recht gleichmäßig im jungen Universum verteilt. Sie hatte aber bereits Masse und damit gravitative Kräfte. In einem sehr langen Zeitraum, das Universum hat ja viel Zeit, bildeten sich verdichtete Materie-Strukturen, man könnte sagen, die leichten Atomkerne begaben sich durch gegenseitige Anziehung in eine Verdichtung und bildeten Gasstrukturen. Die Verdichtung der Gasstrukturen sorgt dafür, dass das Gas heißer wird. Irgendwann wird das Gas so dicht und heiß, dass sich Sterne bilden können. Und das war etwa 100 Mio. Jahre nach dem Urknall. Da entstanden die ersten Sterne. Etwa 1 Mrd. Jahre nach dem Urknall entstanden dann auch erste Galaxien, denn die gravitativen Kräfte wirkten ja weiterhin auf die Strukturbildung der Materie.

Um schwerere Elemente zu erzeugen, bedurfte es des Entstehens großer Sterne. In den sich verdichtenden Gaswolken gab es dann Bereiche in welchen sich sehr viel Gas kugelförmig verdichtete. Der Druck im Inneren dieser Kugel nahm beständig zu, wodurch auch die Temperatur immer weiter anstieg, bis das Gas so heiß wurde, dass Atomkerne miteinander verschmolzen wurden, also Kernfusionen stattfanden. Aus verschmolzenem Deuterium entstand Helium. Ist genügend Deuterium in Helium gewandelt, ensteht im Stern also ein Kern aus Helium. Doch die Fusionsreaktionen gehen weiter. Aus drei Heliumatomen kann so z.B. Kohlenstoff entstehen. Mit der Zunahme solcher Reaktionen wandelt sich der Kern dieser Sonne dann in einen Kohlenstoffkern. Das geht immer so weiter und der Aufbau des Sternes nimmt eine Art Zwiebelstruktur an: außen die leichteren Elemente wie Wasserstoff und Helium, nach innen immer schwerere Elemente. Das geht so weiter bis der Kern des Sterns aus Eisen besteht. Schwerere Elemente kann ein Stern über die Fusionsreaktionen in seinem Inneren nicht erbrüten.

Der Eisenkern in einem Stern wird deshalb immer größer, damit schwerer und wenn aller Brennstoff aus leichteren Elementen verbrannt ist, bricht der Strahlungsdruck der Fusionen im Stern zusammen, der Eisenkern kollabiert quasi zu einem einzigen Riesenatom, es entsteht ein Neutronenstern im Stern mit max. 1000 km Durchmesser, der bei gehöriger Masse sogar zu einem Schwarzen Loch noch weiter implodieren kann. Diese Implosion im Inneren des Sterns führt dazu, dass der ganze Stern in einer Supernova explodiert. Erst im Moment seiner Explosion werden durch die enorme Hitze und den enormen Explosionsdruck noch schwerere Elemente als Eisen, wie Blei und Gold, erbrütet. Die Supernova gibt mit der Explosion alle erbrüteten Elemente ins Weltall ab und damit alle Bausteine, welche für das Entstehen z.B. von Planeten benötigt werden. Das Material verteilt sich weit um den ehemalige Stern und kann von einem später entstehenden Stern in der Nachbarschaft durch seine Gravitation eingefangen und in Umlaufbahnen gezwungen werden. Das Spiel der Verdichtung durch die eigene Gravitation geht nun weiter: Trümmer des gestorbenen Sterns ziehen im neuen Sonnensystem einander an und bilden neue Himmelskörper, wie etwa Planeten. Alles was folgt ist also immer aus Sternenasche vergangener Sterne entstanden auch unsere Erde, die gesamte Flora und Fauna, so auch wir Menschen.

Doch wie geht es weiter? Prof. Anton gab uns auch Aufschluss über die sehr wahrscheinliche weitere Entwicklung unseres Universums. Doch bevor, das Universum wesentliche Veränderungen durch seine Expansion zeigen wird, werden unsere Sonne und das Leben auf der Erde Geschichte sein. Man kann das Ende unseres Planeten gut vorausberechnen. Kurz gesagt: In etwa 400 Mio. Jahren wird sich unsere Sonne zu einem Roten Riesen aufblähen, soweit, dass sie die Umlaufbahnen von Merkur und Venus überschreiten und die beiden Planeten verschlingen und verdampfen wird. Die Oberfläche des Roten Riesen wird dann sehr nahe an der Erdumlaufbahn sein und die Oberfläche der Erde wird sich auf 1200 Grad erhitzen, die Ozeane verdampfen und ein toter Gesteinsplanet zurückbleiben.

Anmerkung der Redaktion: Was sind Rote Riesen? Sterne der Größenordnung unserer Sonne sind zu klein, als dass sie in einer Supernova explodieren könnten. Mangels Masse im Inneren können sie keine Implosion des Eisenkerns bewirken. Erlöschen im Inneren der Sonne die Fusionsprozesse mangels Brennstoff, verlagert sich die weitere Fusionsaktivität in die den Kern umgebenden Schalen leichterer Elemente (sog. Schalenbrennen). Diese äußeren Schalen dehnen sich durch Strahlungsdruck extrem aus, weshalb die Sonne enorm an Umfang zunimmt. Ist auch dieses Schalenbrennen mangels Brennstoff beendet, kollabiert die Restmasse zu einem Weißen Zwerg oder zu einem Neutronenstern.

Im Universum wird sich bis dahin nicht viel verändert haben. Doch die Expansion desselben geht immer weiter. Und das hat Folgen für die weitere Entwicklung innerhalb des Universums, so Prof. Anton. So wie die Expansion bereits die Galaxien sich von einander entfernen lässt, wird sich diese auch irgendwann auf die Zusammenballung der riesigen Gaswolken auswirken. Die Gravitation zwischen den Gasmolekülen wird abnehmen, sodass sich keine neuen Sterne mehr werden bilden können. Nachdem der letzte Stern dann verloschen sein wird, wird das Universum als sehr dunkler, sehr kalter, toter Raum enden, aber weiterhin expandieren. Man spricht vom „Big Freeze“.

Im Rahmen ihres Vortrags ging Prof. Anton auch auf die sog. „Dunkle Materie“ ein. Diese Materie ist den Forschern noch ein Rätsel, denn sie offenbart sich im Universum nur durch ihre Gravitationskraft und diese dürfte so ziemlich auch das einzige sein, was sie mit der uns bekannten, „normalen“ Materie gemein hat. Sie ist nämlich nicht sichtbar ist aber offenbar omnipräsent im Kosmos. Während die sichtbare Masse nur etwa 4% der Gesamtmasse ausmacht, stellt die Dunkle Materie mindesten 25% der Gesamtmasse.

Anmerkung der Redaktion: Astrophysiker rätseln schon lange, wieso die rotierenden Galaxien nicht auseinander fliegen. Galaxien rotieren wie eine Scheibe aus einem Guss, also anders, als etwa Planeten ihre Bahnen um die Sonne ziehen. Äußere Planeten haben eine sehr lange Umlaufzeit um das Zentralgestirn, innere Planeten dem entsprechend eine wesentlich kürzere. Planeten verändern also ständig zu einander ihre Position, stehen einmal zueinander in Konjunktion, ein andermal in Opposition. Anders die Galaxien: Die Sterne an der Peripherie der Galaxie haben dieselbe Umlaufzeit um das Galaxiezentrum, wie weiter im Inneren positionerte. Damit hätten außen gelegenen Sterne eine derart hohe Geschwindigkeit, dass sie aus der Galaxie geschleudert werden müssten. Man kann das mit einem Kettenkarussell vergleichen. Die Personensitze drehen sich synchron mit der Karussellachse. Sie werden daher nach außen geschleudert, werden aber durch die Ketten daran gehindert, vom Karussell zu flüchten. Die Funktion der Ketten am Karussell müsste daher in den Galaxien vorhandene Masse leisten. Und da die uns bekannte, normale Materie für die erforderliche Gravitation nicht ausreicht, muss es also eine andere, aber eben nicht sichtbare, geben und die deshalb „Dunkle Materie“ genannt wird.

Wir haben von Frau Prof. Anton einen hochinteressanten Vortrag genossen, der auch für Laien gut verständlich verfasst war. Im Anschluss beantwortete sie noch Fragen von Zuhörern, z.B. zu einem weiteren, derzeit angenommenen Phänomen, dass die Physiker „Dunkle Energie“ nennen. Eine Energieform, welche auch nur an ihrer Wirkung erkannt werden kann, aber über deren Beschaffenheit derzeit noch keine Aussagen getroffen werden können. Jedenfalls hält man die „Dunkle Energie“ für das Treibmittel, ähnlich der bereits zu Beginn genannten Hefe im Teig, das für das Expandieren des Universums verantwortlich sein könnte.

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