Unser sich ausdehnendes Universum: Alter, Geschichte & andere Fakten

Das Universum wurde mit dem Urknall als ein unvorstellbar heißer, dichter Punkt geboren. Als das Universum gerade einmal 10-34 Sekunden alt war – also ein Hundertstel eines Milliardstels eines Billionstels einer Billionstel Sekunde – erlebte es einen unglaublichen Expansionsschub, der als Inflation bezeichnet wird und bei dem sich der Raum selbst schneller als die Lichtgeschwindigkeit ausdehnte. Während dieser Zeit verdoppelte sich die Größe des Universums um mindestens das 90-fache, von subatomarer Größe auf die Größe eines Golfballs, und das fast augenblicklich.

Die Arbeit, die zum Verständnis des sich ausdehnenden Universums notwendig ist, beruht auf einer Kombination aus theoretischer Physik und direkten Beobachtungen durch Astronomen. In einigen Fällen konnten die Astronomen jedoch keine direkten Beweise sehen – wie im Fall der Gravitationswellen, die mit dem kosmischen Mikrowellenhintergrund, der Reststrahlung des Urknalls, verbunden sind. Eine vorläufige Ankündigung über den Fund dieser Wellen im Jahr 2014 wurde schnell zurückgezogen, nachdem Astronomen herausfanden, dass das entdeckte Signal durch Staub in der Milchstraße erklärt werden kann.

Nach Angaben der NASA setzte sich das Wachstum des Universums nach der Inflation fort, allerdings mit einer langsameren Geschwindigkeit. Während sich der Raum ausdehnte, kühlte das Universum ab und es bildete sich Materie. Eine Sekunde nach dem Urknall war das Universum mit Neutronen, Protonen, Elektronen, Anti-Elektronen, Photonen und Neutrinos gefüllt.

Verwandt: Was ist die Urknalltheorie?

Während der ersten drei Minuten des Universums wurden die leichten Elemente während eines Prozesses geboren, der als Urknall-Nukleosynthese bekannt ist. Die Temperaturen kühlten von 100 Milliarden (1032) Kelvin auf 1 Milliarde (109) Kelvin ab, und Protonen und Neutronen kollidierten und bildeten Deuterium, ein Isotop des Wasserstoffs. Der größte Teil des Deuteriums verband sich zu Helium, und es entstanden auch Spuren von Lithium.

Für die ersten 380.000 Jahre oder so war das Universum im Wesentlichen zu heiß, als dass Licht hätte scheinen können, so das französische Nationale Zentrum für Weltraumforschung (Centre National d’Etudes Spatiales, CNES). Die Schöpfungshitze ließ die Atome mit so viel Kraft aufeinanderprallen, dass sie in ein dichtes Plasma zerfielen, eine undurchsichtige Suppe aus Protonen, Neutronen und Elektronen, die das Licht wie Nebel streute.

Rund 380.000 Jahre nach dem Urknall kühlte sich die Materie so weit ab, dass sich die Atome in der Zeit der Rekombination bildeten und ein durchsichtiges, elektrisch neutrales Gas entstand, so die NASA. Dies löste den ersten Lichtblitz des Urknalls aus, der heute als kosmische Mikrowellen-Hintergrundstrahlung nachweisbar ist. Danach versank das Universum jedoch in Dunkelheit, da sich noch keine Sterne oder andere helle Objekte gebildet hatten.

Rund 400 Millionen Jahre nach dem Urknall begann das Universum in der Epoche der Reionisation aus dem kosmischen Dunkel zu erwachen. Während dieser Zeit, die mehr als eine halbe Milliarde Jahre dauerte, kollabierten Gasklumpen so stark, dass die ersten Sterne und Galaxien entstanden, deren energiereiches ultraviolettes Licht den neutralen Wasserstoff ionisierte und größtenteils zerstörte.

Obwohl sich die Expansion des Universums allmählich verlangsamte, da die Materie im Universum durch die Schwerkraft an sich selbst zog, begann laut NASA etwa 5 oder 6 Milliarden Jahre nach dem Urknall eine mysteriöse Kraft, die heute als dunkle Energie bezeichnet wird, die Expansion des Universums wieder zu beschleunigen – ein Phänomen, das bis heute anhält.

Etwa 9 Milliarden Jahre nach dem Urknall wurde unser Sonnensystem geboren.

Der Urknall

Der Urknall ereignete sich nicht als Explosion in der üblichen Weise, wie man sich so etwas vorstellt, auch wenn man es dem Namen nach vermuten könnte. Das Universum dehnte sich nicht in den Weltraum aus, da der Weltraum vor dem Universum nicht existierte, so die NASA. Stattdessen ist es besser, sich den Urknall als das gleichzeitige Auftreten des Weltraums überall im Universum vorzustellen. Das Universum hat sich seit dem Urknall nicht von einem einzigen Punkt aus ausgedehnt – vielmehr hat sich der Raum selbst gedehnt und Materie mit sich getragen.

Da das Universum per Definition den gesamten Raum und die Zeit, wie wir sie kennen, umfasst, kann die NASA laut dem Modell des Urknalls nicht sagen, wohin sich das Universum ausdehnt oder was den Urknall ausgelöst hat. Obwohl es Modelle gibt, die über diese Fragen spekulieren, hat bisher keines von ihnen realistisch prüfbare Vorhersagen gemacht.

Im Jahr 2014 gaben Wissenschaftler des Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics bekannt, dass sie ein schwaches Signal im kosmischen Mikrowellenhintergrund gefunden haben, das der erste direkte Beweis für Gravitationswellen sein könnte, die ihrerseits als „smoking gun“ für den Urknall gelten. Die Ergebnisse wurden heiß diskutiert, und die Astronomen zogen ihre Ergebnisse bald zurück, als sie erkannten, dass Staub in der Milchstraße ihre Befunde erklären könnte. mysteriöse Wellen

Alter

Das Alter des Universums wird derzeit auf etwa 13,8 Milliarden Jahre geschätzt, plus/minus 130 Millionen Jahre. Im Vergleich dazu ist das Sonnensystem nur etwa 4,6 Milliarden Jahre alt.

Diese Schätzung stammt aus der Messung der Zusammensetzung der Materie und der Energiedichte im Universum. So konnten die Forscher berechnen, wie schnell das Universum in der Vergangenheit expandierte. Mit diesem Wissen konnten sie die Uhr zurückdrehen und extrapolieren, wann der Urknall stattfand. Die Zeit zwischen damals und heute ist das Alter des Universums.

Struktur

Wissenschaftler gehen davon aus, dass es in den frühesten Momenten des Universums keine nennenswerte Struktur gab, Materie und Energie waren nahezu gleichmäßig verteilt. Laut NASA führte die Anziehungskraft kleiner Schwankungen in der Dichte der Materie damals zu der riesigen netzartigen Struktur aus Sternen und Leere, die wir heute sehen. Dichte Regionen zogen durch die Schwerkraft immer mehr Materie an, und je massereicher sie wurden, desto mehr Materie konnten sie durch die Schwerkraft anziehen und bildeten Sterne, Galaxien und größere Strukturen, die als Haufen, Superhaufen, Filamente und Wände bekannt sind, mit „großen Wänden“ aus Tausenden von Galaxien, die mehr als eine Milliarde Lichtjahre lang sind. Weniger dichte Regionen wuchsen nicht und entwickelten sich zu Bereichen mit scheinbar leerem Raum, die als Voids bezeichnet werden.

Inhalt

Bis vor etwa 30 Jahren dachten Astronomen, dass das Universum fast ausschließlich aus gewöhnlichen Atomen oder „baryonischer Materie“ besteht, so die NASA. In letzter Zeit gibt es jedoch immer mehr Beweise, die darauf hindeuten, dass der Großteil der Bestandteile, aus denen das Universum besteht, in Formen vorliegt, die wir nicht sehen können.

Es stellt sich heraus, dass Atome nur 4,6 Prozent des Universums ausmachen. Vom Rest bestehen 23 Prozent aus dunkler Materie, die wahrscheinlich aus einer oder mehreren Arten subatomarer Teilchen besteht, die nur sehr schwach mit gewöhnlicher Materie wechselwirken, und 72 Prozent aus dunkler Energie, die offenbar die beschleunigte Expansion des Universums antreibt.

Wenn es um die Atome geht, die wir kennen, macht Wasserstoff etwa 75 Prozent aus, während Helium etwa 25 Prozent ausmacht, wobei schwerere Elemente laut NASA nur einen winzigen Bruchteil der Atome des Universums ausmachen.

Form

Die Form des Universums und ob es in seiner Ausdehnung endlich oder unendlich ist, hängt vom Kampf zwischen seiner Expansionsrate und der Anziehungskraft ab. Wie stark diese Anziehungskraft ist, hängt unter anderem von der Dichte der Materie im Universum ab.

Wenn die Dichte des Universums einen bestimmten kritischen Wert überschreitet, dann ist das Universum „geschlossen“ und „positiv gekrümmt“ wie die Oberfläche einer Kugel. Das bedeutet, dass Lichtstrahlen, die anfangs parallel verlaufen, langsam konvergieren, sich schließlich kreuzen und wieder zu ihrem Ausgangspunkt zurückkehren, wenn das Universum lange genug dauert. Wenn dies der Fall ist, ist das Universum laut NASA nicht unendlich, hat aber kein Ende, so wie die Fläche auf der Oberfläche einer Kugel nicht unendlich ist, aber keinen nennenswerten Anfang oder Ende hat. Das Universum wird irgendwann aufhören zu expandieren und in sich zusammenfallen, der so genannte „Big Crunch“

Wenn die Dichte des Universums geringer ist als diese kritische Dichte, dann ist die Geometrie des Raums „offen“ und „negativ gekrümmt“ wie die Oberfläche eines Sattels. Wenn dies der Fall ist, hat das Universum keine Grenzen und wird sich ewig ausdehnen.

Wenn die Dichte des Universums genau der kritischen Dichte entspricht, dann ist die Geometrie des Universums „flach“ mit null Krümmung wie ein Blatt Papier, so die NASA. Wenn dies der Fall ist, hat das Universum keine Grenzen und wird sich für immer ausdehnen, aber die Expansionsrate wird sich nach einer unendlichen Zeit allmählich dem Nullpunkt nähern. Jüngste Messungen deuten darauf hin, dass das Universum flach ist, mit einer Fehlerquote von nur 2 Prozent.

Es ist möglich, dass das Universum insgesamt eine kompliziertere Form hat, während es eine andere Krümmung zu besitzen scheint. Zum Beispiel könnte das Universum die Form eines Torus oder eines Doughnuts haben.

Expandierendes Universum

In den 1920er Jahren entdeckte der Astronom Edwin Hubble, dass das Universum nicht statisch ist. Vielmehr dehnte es sich aus; ein Fund, der zeigte, dass das Universum offenbar in einem Urknall geboren wurde.

Danach dachte man lange, dass die Schwerkraft der Materie im Universum die Expansion des Universums sicher verlangsamen würde. Dann, im Jahr 1998, zeigten die Beobachtungen des Hubble-Weltraumteleskops von sehr weit entfernten Supernovae, dass das Universum vor langer Zeit langsamer expandierte als heute. Mit anderen Worten: Die Expansion des Universums verlangsamte sich nicht aufgrund der Schwerkraft, sondern beschleunigte sich auf unerklärliche Weise. Der Name für die unbekannte Kraft, die diese beschleunigte Expansion antreibt, ist Dunkle Energie, und sie bleibt eines der größten Rätsel der Wissenschaft.

Zusätzliche Berichte von Nola Taylor Redd und Elizabeth Howell, Mitarbeiter von Space.com.