Es dauerte ziemlich viel mehr als sieben Tage, um das Universum, wie wir es heute kennen, zu erschaffen. SPACE.com betrachtet die Geheimnisse des Himmels in unserer achtteiligen Serie: Die Geschichte & Zukunft des Kosmos. Dies ist Teil 5 dieser Serie. Unser Universum wurde vor etwa 13,7 Milliarden Jahren in einer massiven Expansion geboren, die den Weltraum wie einen gigantischen Ballon in die Luft sprengte.Kurz gesagt, das ist die Urknalltheorie, die praktisch alle Kosmologen und theoretischen Physiker befürworten. Die Beweise für die Idee sind umfangreich und überzeugend. Wir wissen zum Beispiel, dass das Universum auch jetzt noch expandiert, mit einer immer schnelleren Geschwindigkeit.Wissenschaftler haben auch einen vorhergesagten thermischen Abdruck des Urknalls entdeckt, der das Universum durchdringenden kosmischen Mikrowellenhintergrundstrahlung. Und wir sehen keine Objekte, die offensichtlich älter als 13,7 Milliarden Jahre sind, was darauf hindeutet, dass unser Universum um diese Zeit entstanden ist.“All diese Dinge haben den Urknall auf ein extrem solides Fundament gestellt“, sagte Astrophysiker Alex Filippenko von der University of California in Berkeley. „Der Urknall ist eine enorm erfolgreiche Theorie.“

Was lehrt uns diese Theorie? Was geschah wirklich bei der Geburt unseres Universums und wie nahm es die Form an, die wir heute beobachten?

Der Anfang

Die traditionelle Urknalltheorie postuliert, dass unser Universum mit einer Singularität begann — einem Punkt unendlicher Dichte und Temperatur, dessen Natur für unseren Verstand schwer zu erfassen ist. Dies spiegelt jedoch möglicherweise nicht genau die Realität wider, sagen Forscher, da die Singularitätsidee auf Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie basiert.“Das Problem ist, dass es überhaupt keinen Grund gibt, an die allgemeine Relativitätstheorie in diesem Regime zu glauben“, sagte Sean Carroll, ein theoretischer Physiker am Caltech. „Es wird falsch sein, weil es die Quantenmechanik nicht berücksichtigt. Und die Quantenmechanik wird sicherlich wichtig sein, wenn Sie an diesen Ort in der Geschichte des Universums gelangen.“

Der Anfang des Universums bleibt also ziemlich trübe. Wissenschaftler glauben, dass sie die Geschichte bei etwa 10 bis minus 36 Sekunden — einem Billionstel einer Billionstel einer Billionstel Sekunde — nach dem Urknall aufnehmen können.

Zu diesem Zeitpunkt, so glauben sie, erlebte das Universum eine extrem kurze und dramatische Inflationsphase, die sich schneller als die Lichtgeschwindigkeit ausdehnte. Es verdoppelte sich in der Größe vielleicht 100 mal oder mehr, alle innerhalb der Spanne von ein paar winzigen Bruchteilen einer Sekunde. (Inflation scheint die spezielle Relativitätstheorie zu verletzen, aber das ist nicht der Fall, sagen Wissenschaftler. Die spezielle Relativitätstheorie besagt, dass keine Information oder Materie schneller als die Lichtgeschwindigkeit zwischen zwei Punkten im Raum transportiert werden kann. Aber Inflation war eine Ausdehnung des Raumes selbst.)

„Inflation war der ‚Knall‘ des Urknalls“, sagte Filippenko SPACE.com „Vor der Inflation gab es nur ein bisschen Zeug, das möglicherweise nur ein bisschen expandierte. Wir brauchten so etwas wie Inflation, um das Universum groß zu machen.“Dieses schnell expandierende Universum war ziemlich leer von Materie, aber es beherbergte riesige Mengen dunkler Energie, so die Theorie. Dunkle Energie ist die mysteriöse Kraft, von der Wissenschaftler glauben, dass sie die aktuelle beschleunigte Expansion des Universums antreibt.

Während der Inflation ließ dunkle Energie das Universum glätten und beschleunigen. Aber es blieb nicht lange.“Es war nur vorübergehende dunkle Energie“, sagte Carroll SPACE.com . „Es wandelte sich durch einen Prozess, der als Aufwärmen bezeichnet wird, in gewöhnliche Materie und Strahlung um. Das Universum wurde während der Inflation nicht mehr kalt, sondern wieder heiß, als die gesamte dunkle Energie verschwand.“

Wissenschaftler wissen nicht, was die Inflation ausgelöst haben könnte. Das bleibt eine der Schlüsselfragen in der Urknallkosmologie, sagte Filippenko.

Eine andere Idee

Die meisten Kosmologen betrachten Inflation als die führende Theorie, um die Eigenschaften des Universums zu erklären — insbesondere, warum es relativ flach und homogen ist, wobei ungefähr die gleiche Menge an Material in alle Richtungen gleichmäßig verteilt ist.Verschiedene Beweislinien deuten darauf hin, dass Inflation eine Realität ist, sagte der theoretische Physiker Andy Albrecht von der University of California, Davis.

„Sie alle hängen ziemlich gut mit dem Inflationsbild zusammen“, sagte Albrecht, einer der Architekten der Inflationstheorie. „Die Inflation hat sich unglaublich gut entwickelt.“Inflation ist jedoch nicht die einzige Idee, die versucht, die Struktur des Universums zu erklären. Theoretiker haben ein anderes entwickelt, das zyklische Modell, das auf einem früheren Konzept namens ekpyrotisches Universum basiert.

Diese Idee besagt, dass unser Universum nicht aus einem einzigen Punkt oder ähnlichem hervorgegangen ist. Vielmehr „prallte“ es in die Expansion — in einem viel ruhigeren Tempo, als die Inflationstheorie vorhersagt — aus einem bereits existierenden Universum, das sich zusammengezogen hatte. Wenn diese Theorie richtig ist, Unser Universum hat wahrscheinlich eine endlose Abfolge von „Pony“ und „Crunches“ durchlaufen.“Der Anfang unseres Universums wäre schön und endlich gewesen“, sagte Burt Ovrut von der University of Pennsylvania, einer der Urheber der ekpyrotischen Theorie.Das zyklische Modell postuliert, dass unser Universum aus 11 Dimensionen besteht, von denen wir nur vier beobachten können (drei von Raum und eine von Zeit). Unser vierdimensionaler Teil des Universums wird als Brane (kurz für Membran) bezeichnet.

Es könnte andere Branes geben, die da draußen im 11-dimensionalen Raum lauern, so die Idee. Eine Kollision zwischen zwei Adern könnte das Universum von der Kontraktion zur Expansion gebracht haben und den Urknall auslösen, für den wir heute Beweise sehen.

Auf der Suche nach Gravitationswellen

Bald werden Wissenschaftler sicher wissen, welche Theorie — Inflation oder das zyklische Modell — eine bessere Darstellung der Realität ist.Zum Beispiel würde Inflation wahrscheinlich viel stärkere Gravitationswellen erzeugen als ein ekpyrotischer „Bounce“, sagte Filippenko. Die Forscher suchen also nach Anzeichen für diese theoretischen Verzerrungen der Raumzeit, die noch beobachtet werden müssen.

Der Planck-Satellit der Europäischen Weltraumorganisation, der 2009 gestartet wurde, könnte die schwer fassbaren Gravitationswellen finden. Es könnte auch andere Beweise sammeln, die die Waage in beide Richtungen kippen könnten, sagte Ovrut.

„Das sind Dinge, die in den nächsten 10 Jahren diskutiert und hoffentlich entschieden werden“, sagte Ovrut SPACE.com.

Das Universum, das wir kennen, nimmt Gestalt an

Kosmologen vermuten, dass die vier Kräfte, die das Universum regieren — Schwerkraft, Elektromagnetismus und die schwachen und starken Kernkräfte — bei der Geburt des Universums zu einer einzigen Kraft vereinigt wurden, die aufgrund der extremen Temperaturen und Dichten zusammengedrückt wurde.

Aber die Dinge änderten sich, als sich das Universum ausdehnte und abkühlte. Um die Zeit der Inflation, die starke Kraft wahrscheinlich getrennt. Und um etwa 10 Billionstelsekunden nach dem Urknall wurden auch die elektromagnetischen und schwachen Kräfte deutlich.Kurz nach der Inflation war das Universum wahrscheinlich mit einem heißen, dichten Plasma gefüllt. Aber um etwa 1 Mikrosekunde (10 bis minus 6 Sekunden) oder so hatte es genug abgekühlt, um die ersten Protonen und Neutronen zu bilden, denken Forscher.In den ersten drei Minuten nach dem Urknall begannen diese Protonen und Neutronen miteinander zu verschmelzen und bildeten Deuterium (auch als schwerer Wasserstoff bekannt). Deuteriumatome verbanden sich dann miteinander und bildeten Helium-4.

Rekombination: Das Universum wird transparent

Diese neu geschaffenen Atome waren alle positiv geladen, da das Universum noch zu heiß war, um das Einfangen von Elektronen zu begünstigen.

Aber das änderte sich etwa 380.000 Jahre nach dem Urknall. In einer Epoche, die als Rekombination bekannt ist, Wasserstoff- und Heliumionen begannen, Elektronen zu fangen, elektrisch neutrale Atome bilden. Licht streut deutlich von freien Elektronen und Protonen, aber viel weniger von neutralen Atomen. So konnten Photonen jetzt viel freier durch das Universum cruisen.Die Rekombination veränderte das Aussehen des Universums dramatisch; es war ein undurchsichtiger Nebel gewesen, und jetzt wurde es transparent. Die kosmische Mikrowellenhintergrundstrahlung, die wir heute beobachten, stammt aus dieser Zeit. Trotzdem war das Universum nach der Rekombination lange Zeit ziemlich dunkel und leuchtete erst richtig auf, als die ersten Sterne etwa 300 Millionen Jahre nach dem Urknall zu leuchten begannen. Sie halfen, vieles von dem, was die Rekombination erreicht hatte, rückgängig zu machen. Diese frühen Sterne — und vielleicht einige andere mysteriöse Quellen – warfen genug Strahlung ab, um den größten Teil des Wasserstoffs des Universums wieder in seine Bestandteile Protonen und Elektronen zu spalten.

Dieser als Reionisation bekannte Prozess scheint rund 1 Milliarde Jahre nach dem Urknall seinen Lauf genommen zu haben. Das Universum ist heute nicht mehr so undurchsichtig wie vor der Rekombination, weil es sich so stark ausgedehnt hat. Die Materie des Universums ist sehr verdünnt, und photonenstreuende Wechselwirkungen sind daher relativ selten, sagen Wissenschaftler.

Im Laufe der Zeit zogen Sterne zusammen, um Galaxien zu bilden, was zu immer mehr großräumigen Strukturen im Universum führte. Planeten verschmolzen um einige neu entstehende Sterne, einschließlich unserer eigenen Sonne. Und vor 3, 8 Milliarden Jahren hat das Leben auf der Erde Wurzeln geschlagen.

Vor dem Urknall?Während vieles über die ersten Momente des Universums spekulativ bleibt, ist die Frage, was dem Urknall vorausging, noch mysteriöser und schwer zu bewältigen.

Für den Anfang mag die Frage selbst unsinnig sein. Wenn das Universum aus dem Nichts kam, wie einige Theoretiker glauben, markiert der Urknall den Moment, in dem die Zeit selbst begann. In diesem Fall würde es so etwas wie „vorher“ nicht geben, sagte Carroll.

Aber einige Vorstellungen von der Geburt des Universums können mögliche Antworten vorschlagen. Das zyklische Modell zum Beispiel legt nahe, dass ein sich zusammenziehendes Universum unserem expandierenden Universum vorausging. Auch Carroll kann sich etwas vorstellen, das vor dem Urknall existierte.“Es könnte nur ein leerer Raum sein, der vor unserem Urknall existierte, dann brachte eine Quantenfluktuation ein Universum wie unseres hervor“, sagte er. „Man kann sich vorstellen, dass sich eine kleine Blase des Weltraums durch eine Fluktuation abklemmt und mit nur einem winzigen Klecks Energie gefüllt wird, die dann in das Universum hineinwachsen kann, das wir durch Inflation sehen.“

Filippenko vermutet auch, dass etwas in dieser Richtung wahr sein könnte.“Ich denke, die Zeit in unserem Universum begann mit dem Urknall, aber ich denke, wir waren eine Fluktuation von einem Vorgänger, einem Mutteruniversum“, sagte Filippenko.

Werden wir es jemals erfahren?Kosmologen und Physiker arbeiten hart daran, ihre Theorien zu verfeinern und die frühesten Momente des Universums immer schärfer in den Fokus zu rücken. Aber werden sie jemals wirklich wissen, was beim Urknall passiert ist?

Es ist eine gewaltige Herausforderung, zumal Forscher an einem 13,7 Milliarden Jahre alten Planeten arbeiten. Aber zähle die Wissenschaft nicht aus, sagte Carroll. Schließlich haben die Menschen vor 100 Jahren sehr wenig über das Universum verstanden. Wir wussten zum Beispiel nichts über die allgemeine Relativitätstheorie oder die Quantenmechanik. Wir wussten nicht, dass sich das Universum ausdehnt, und wir wussten nichts über den Urknall.

„Wir wissen all diese Dinge jetzt“, sagte Carroll. „Das Tempo des Fortschritts ist erstaunlich schnell, daher würde ich niemals dem Pessimismus nachgeben. In der jüngeren Geschichte der Kosmologie und Physik gibt es keinen Grund, pessimistisch über unsere Aussichten zu sein, den Urknall zu verstehen.“Albrecht äußerte sich ähnlich optimistisch und sagte, wir könnten eines Tages sogar herausfinden, was, wenn überhaupt, vor dem Urknall existierte.

„Ich stütze meine Hoffnung auf die Tatsache, dass die Kosmologie so erfolgreich war“, sagte er SPACE.com . „Es scheint, dass die Natur uns eine klare Botschaft gesendet hat, dass wir mit dem Universum wirklich Wissenschaft betreiben können.“

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