Big Bang Theory – der Urknall

Big Bang Theory – der Urknall Übung

• Beschreibe die Entstehung des Universums.

  Tipps

  Durch die Wirkung der dunklen Materie expandiert der Raum heute beschleunigt.

  Lösung

  Nach dem heutigen Stand der Forschung begann das Universum und mit ihm die Dimensionen Zeit und Raum vor etwa 13,8 Milliarden Jahren mit dem Urknall zu existieren. Nach dem Urknall begann der Raum sich sehr schnell auszudehnen, wodurch die Energiedichte im Universum ebenso schnell sank. Schließlich bildeten sich im abkühlenden Universum die ersten Elementarteilchen und noch in der ersten Sekunde nach dem Urknall hatte sich ein Plasma aus geladenen Atomkernen und freien Elektronen gebildet. Nach etwa 380 000 war die Energiedichte im Universum dann so weit gesunken, dass die Atomkerne Elektronen einfangen konnten. So bildeten sich die ersten Wasserstoff- und Heliumatome.

  Der Raum hat seit dem Urknall nicht aufgehört sich auszudehnen. Tatsächlich dehnt er sich inzwischen sogar beschleunigt aus. Als Grund dafür vermutet man eine neue Art Energie, die als dunkle Energie bezeichnet wird. Die dunkle Energie soll nach dem heutigen Stand der Forschung etwa 70% der gesamten Energie im Universum ausmachen.

• Beschreibe den Urknall.

  Tipps

  Die Erde ist etwa 4,8 Milliarden Jahre alt.

  Die ersten Teilchen waren zu heiß, um Atome zu bilden. Sie mussten erst kühler und damit langsamer werden.

  Lösung

  Das Universum entstand nach unserem heutigen Wissen vor etwa 13,8 Milliarden Jahren mit dem Urknall aus einem unendlich kleinen, heißen und dichten Volumen, in dem die gesamte Energie des Universums vorhanden war. Weniger als eine Sekunde nach dem Urknall war das Universum dann so weit abgekühlt, dass sich aus einem Teil dieser Energie die ersten Teilchen bildeten, aus denen weitere 380 Tausend Jahre später die ersten Wasserstoffatome entstanden.

  Weitere 100 Millionen Jahre später bildeten sich die galaktischen Gaswolken, aus denen anschließend die Galaxien entstanden. Unsere Galaxie, die Milchstraße bildete sich nach neuesten Erkenntnissen etwa 200 Milliarden Jahre nach dem Urknall. Dies erkannte man am Alter des ältesten Sterns in der Milchstraße, der etwa 13,6 Milliarden Jahre alt ist.

  Unser Sonnensystem mit der Erde bildete sich schließlich etwa 9 Milliarden Jahre nach dem Urknall. Es ist also inzwischen auch schon etwa 4,8 Milliarden Jahre alt.

• Erkläre die Spur des Urknalls.

  Tipps

  Die Photonen des Urknalls kennt man auch als kosmische Hintergrundstrahlung.

  Durch die Ausdehnung des Raumes vergrößert sich auch die Wellenlänge der Strahlung darin. Diesen Effekt nennt man kosmische Rotverschiebung.

  Lösung

  Nachdem das Universum durchsichtig wurde und die hochenergetischen Photonen kaum noch mit der Materie wechselwirkten, entkoppelte sich ihre Entwicklung vom Rest des Universums. Aus diesem Grund ist diese Strahlung als eine Spur des Urknalls auch heute noch messbar. Wir kennen sie als kosmische Hintergrundstrahlung.

  Durch die Expansion des Raumes hat sich die Strahlung jedoch stark verändert, denn die Ausdehnung des Raumes vergrößerte auch die Wellenlänge der kosmischen Hintergrundstrahlung und kühlte sie damit gewissermaßen ab. Diesen Effekt nennt man kosmische Rotverschiebung und er hat dazu geführt, dass die Hintergrundstrahlung inzwischen im Mikrowellenbereich messbar ist, obwohl es sich bei der Strahlung kurz nach dem Urknall noch um UV-Strahlung handelte.

  Auch bei sehr weit entfernten Galaxien kann man eine kosmische Rotverschiebung feststellen. Das Licht aus diesen Galaxien braucht viele Millionen oder sogar Milliarden Jahre, in denen sich der Raum weiter ausdehnt, bevor es bei uns ankommt.

  Die kosmische Rotverschiebung und die kosmische Hintergrundstrahlung sind die wichtigsten Beweise für die Ausdehnung des Universums und die Urknalltheorie.

• Erkläre die Ausdehnung des Universums.

  Tipps

  Die dunkle Energie macht etwa 70% der gesamten Energie in unserem Universum aus. Was die dunkle Energie ist, wird noch erforscht.

  Die Wirkung der dunklen Energie beschleunigt die Expansion des Universums.

  Lösung

  Man kann sich nur sehr schwer vorstellen, was vor dem Urknall existierte. Ebenso schwierig ist es, sich zu überlegen, was außerhalb des Universums ist. Denn die Dimensionen Raum und Zeit gibt es nur in unserem Universum und sie sind nach unserem heutigen Verständnis durch den Urknall entstanden.

  Wir wissen, dass sich der Raum selbst seit dem Urknall ausdehnt. Das kannst du dir in etwa vorstellen, wie die Gummihaut von einem Luftballon. Stelle dir vor, du schreibst deinen Namen auf den Luftballon und bläst ihn dann auf. Dadurch vergrößert sich die Oberfläche des Ballons und mit ihm deine Schrift. Ebenso wie die zweidimensionale Oberfläche des Ballons vergrößert sich der dreidimensionale Raum unseres Universums.

  Forscher haben herausgefunden, dass sich der Raum immer schneller vergrößert. Die Expansion des Universums läuft also beschleunigt ab. Als Grund dafür vermutet man eine bisher unentdeckte Energieform, die jedoch 70% der Energie in unserem Universum ausmachen soll. Da niemand bisher so richtig weiß, was diese Energie ist, nennt man sie auch dunkle Energie.

• Nenne das Alter des Universums.

  Tipps

  Vor etwa 4,8 Milliarden Jahren entstand die Erde.

  Die Erde entstand 9 Milliarden Jahre nach dem Urknall.

  Lösung

  Nach dem heutigen Stand der Forschung geschah der Urknall vor etwa 13,8 Milliarden Jahren. So alt ist also unser Universum. Nach etwa 9 Milliarden Jahren entstand dann unser Sonnensystem und mit Ihm die Erde. Menschen gibt es allerdings erst seit etwa 300 000 Jahren.

• Erkläre die Entstehung der ersten Atome.

  Tipps

  Quarks und Gluonen sind die kleinsten bekannten Elementarteilchen.

  Hadronen wie beispielsweise das Proton bestehen aus drei Quarks.

  Atomkerne bestehen aus Neutronen und Protonen. Beides sind Hadronen.

  Ionen sind geladene Atomkerne. Mit freien Elektronen bilden sie Atome.

  Lösung

  Innerhalb der ersten Sekunde nach dem Urknall dehnte sich das Universum stark aus und kühlte sich stark ab. Dabei veränderte sich auch der Zustand des Universums rapide.

  Die ersten Momente im Leben des jungen Universums können wir mit unserem heutigen physikalischen Wissen gar nicht verstehen. Diese Zeit ist die sogenannte Singularität, in der auch der Raum und die Zeit noch nicht die Eigenschaften hatten, die wir kennen. Wir haben nur eine Vorstellung davon, wie sich das Universum ab etwa $10^{-44}\text{ s}$ nach dem Urknall entwickelt hat.

  Zu diesem Zeitpunkt war die gesamte Energie des Universums in einem so kleinen Raum konzentriert, dass sie in Form eines Quark-Gluonen-Plasmas vorlag, also in einer Art Suppe der kleinsten bekannten Elementarteilchen. Als sich der Raum dann weiter ausdehnte und somit die Energiedichte des Universums sank, kühlte sich das Universum gewissermaßen ab. Aus den Quarks und Gluonen bildeten sich Hadronen wie die Protonen und die Neutronen, aus denen anschließend die ersten Atomkerne entstanden. All dies geschah noch innerhalb der ersten Sekundenbruchteile des Universums.

  Nachdem das Universum etwa 0,01 s alt war, erreichte es einen Ionen-Elektronen-Plasma-Zustand. Es bestand aus geladenen Atomkernen, den Ionen, und freien Elektronen. Erst nach Ablauf der ersten 380 000 Jahre bildeten sich dann aus diesem Plasma-Zustand die ersten Atome.