Geschichte des Universums

Geschichte des Universums Übung

• Gib einen zeitlichen Überblick über wichtige Ereignisse in der Geschichte des Universums.

  Tipps

  Die Zeitangaben beziehen sich alle auf den Urknall.

  Die Ereignisse bilden eine logische Reihenfolge.

  Lösung

  In den ersten zwei Minuten nach dem Urknall entstand die gesamte Materie, aus der das Universum heute besteht. Zu diesem Zeitpunkt gab es bereits einige leichte Elemente: Deuterium (ein Isotop des Wasserstoffs), das Edelgas Helium sowie Lithium-Kerne.

  300 000 Jahre nach dem Urknall können sich aufgrund geeigneter Rahmenbedingungen erstmals Atome bilden, indem die Atomkerne Elektronen für die Atomhülle einfangen.

  Die ersten Sterne entstehen dann jedoch erst nach 400 Millionen Jahren. Nach einer Milliarde Jahren beginnt die Quasarära: Kerne von Galaxien bilden sich, bestehend aus schwarzen Löchern und umgeben von Materie. Daraus entstehen nach sechs Milliarden Jahren die ersten normalen Galaxien wie unsere Milchstraße.

  Unsere Sonne ist vor 5,5 Milliarden Jahren entstanden, also 9,5 Milliarden Jahre nach dem Urknall. Heute ist das Universum etwa 15 Milliarden Jahre alt. Zu diesem Zeitpunkt wurdest du geboren.

• Beschreibe den Ablauf des Urknalls.

  Tipps

  Die Gravitation setzt vor der starken Wechselwirkung ein.

  Hadronen entstehen nur unter starker Wechselwirkung.

  Zu den Leptonen gehören Elektronen und Positronen.

  Lösung

  Die Ereignisse in den ersten Momenten des Urknalls kann man nicht beschreiben.

  Das erste beschreibbare Ereignis ist das Einsetzen der Gravitation. Materie und Antimaterie bilden sich, wobei vermutlich etwas mehr Materie entsteht. Aus diesem Überschuss bildet sich später alles, woraus heute das Universum besteht. Zu diesem Zeitpunkt gibt es nur die Teilchentypen Quarks und Leptonen.

  Anschließend setzt die starke Wechselwirkung ein. Quarks bilden nun so genannte Hadronen. In dieser Zeit entstehen also unter anderem Protonen und Neutronen, die Kernbausteine.

  Nun beginnt die Leptonenära: Alle Hadron-Antihadronpaare zerstrahlen und es bleibt nur der Teil der Materie übrig, der zu Beginn des Urknalls überschüssig war.

  Etwa zehn Sekunden nach dem Urknall bleiben nur noch Photonen und Neutrinos übrig. Die Leptonen (Positron-Elektronpaare) zerstrahlen ebenfalls. Deshalb nennt man diese Phase auch Strahlungsära.

  Rund 100 Sekunden nach dem Urknall beginnt die Nukleosynthese: Aus den Hadronen Protonen und Neutronen bilden sich in einer kurzen Zeitspanne Deuterium, Helium und Lithium-Kerne, also sehr leichte Elemente. Die gesamte Materie des Universums ist somit in einem sehr kurzen Zeitabschnitt entstanden.

• Charakterisiere die Teilchenfamilien sowie ihren Anteil an der Bildung von Atomen.

  Tipps

  Antiteilchen werden durch einen Querstrich über dem Symbol gekennzeichnet.

  Aus welchen Teilchen besteht der Atomkern, aus welchen die Atomhülle nach Bohr?

  Welche Teilchen bilden die Kernteilchen?

  Lösung

  Quarks gibt es in insgesamt sechs verschiedenen Formen mit dem jeweilige Antiteilchen dazu: $u/\bar{u},~d/\bar{d},~s/\bar{s},~c/\bar{c},~t/\bar{t},~b/\bar{b}$. Sie sind die Grundbausteine für die Hadronen und somit auch für die Kernteilchen Proton und Neutron.

  Die Gruppe der Leptonen besteht aus den Teilchen Antiteilchen-Paaren Elektron/Positron $e/~\bar{e}$, Myion/Antimyion $\mu/~\bar{\mu}$ und Tauon/Antitauon $\tau/~\bar{\tau}$. Außerdem gibt es zu jedem dieser Teilchen nochmal ein spezifisches Neutrino. Die Atomhülle wird von Elektronen gebildet, also sind die Leptonen die Teilchenfamilie, die an der Bildung der Atomhülle beteiligt ist.

  Hadronen sind die Teilchen, die sich aus Quarks zusammensetzen. Mesonen bestehen aus Quark-Antiquark-Paaren und Baryonen aus drei Quarks oder die Antibaryonen aus drei Antiquarks. Protonen und Neutronen gehören zu den Baryonen: Ein Proton setzt sich aus zwei u- und einem d-Quark zusammen, ein Neutron besteht aus einem u- und zwei d- Quarks. Hadronen bilden somit den Atomkern.

• Beurteile die folgenden Aussagen zur Geschichte des Universums.

  Tipps

  Führe dir den Ablauf des Urknalls noch einmal vor Augen.

  Eisen gehört zu den schweren Elementen.

  Lösung

  Seit dem Urknall expandiert das Universum. Bereits während des Urknalls breitete sich das Universum aus und verringerte dadurch beständig seine Temperatur.

  Dass es heute überhaupt Materie im Universum gibt, liegt an dem leichten Materieüberschuss, der während des Urknalls vermutlich vorlag. Sonst wäre alle Materie durch die Zerstrahlung mit der gleichen Menge an Antimaterie verschwunden.

  Die kosmische Hintergrundstrahlung, die man heute messen kann, liegt bei knapp drei Kelvin. Also nur drei Grad oberhalb des totalen Nullpunktes. Sie ist ein Relikt des Urknalls und bestätigt damit die Urknalltheorie nach dem kosmologischen Standardmodell.

  Alle schweren Elemente, die heute im Universum vorkommen, sind nach dem Urknall entstanden. Also entweder in aktiven Sternen oder bei dem Sterben von Sternen (Supernova). Darum ist auch das Eisen in unseren Blutkörperchen das Relikt von einem erloschenen Stern.

• Benenne die beiden gegensätzlichen Forschungsrichtungen der Physik, die zur Bildung des kosmologischen Standardmodells beigetragen haben.

  Tipps

  Die eine Forschungsrichtung beschäftigt sich mit großen und weit entfernten Objekten, die andere agiert in sehr kleinen Dimensionen.

  Das kosmologische Standardmodell dient zur Erklärung der Vorgänge bei der Entstehung und Entwicklung des Universums.

  Lösung

  Zur Erforschung der Geschichte des Universums dienen zwei sehr gegensätzliche Forschungsrichtungen der Physik.

  Die Astrophysik und Kosmologie beschäftigt sich mit der Beobachtung des Himmels. Je weiter ein Objekt von der Erde entfernt ist, desto weiter blickt man in die Vergangenheit, da sich auch das Licht nur mit einer begrenzten Geschwindigkeit ausbreitet. So ist es möglich, bei sehr weit entfernten Objekten frühere Stadien der Stern- und Galaxiebildung zu analysieren.

  Der zweite Forschungszweig ist die Teilchenphysik. Sie beschäftigt sich mit der Erforschung der kleinsten Teilchen und verwendet dafür riesige Teilchenbeschleuniger. Dort können die Teilchen erzeugt und untersucht werden. Ergebnisse dieser Forschungen ermöglichen die Aussage, welche Teilchen sich unter welchen Bedingungen bilden und ineinander umwandeln, also zu welchen Zeiten der Entstehung und Entwicklung des Universums existiert haben können.

• Erkläre, weshalb die Kosmologie einen Blick in die Vergangenheit ermöglicht.

  Tipps

  Welche Signalform durchquert das Vakuum des Weltalls?

  Tritt diese mit einer Zeitverzögerung auf oder nicht?

  Lösung

  Schall kann sich im Vakuum nicht ausbreiten, Lichtsignale hingegen schon. Würde sich Licht mit unendlicher Geschwindigkeit ausbreiten, könnten wir nicht in die Vergangenheit blicken. Alle Beobachtungen am Sternenhimmel würden den momentanen Zustand der Objekte zweigen. Da sich Licht jedoch mit einer hohen, aber endlichen Geschwindigkeit von rund 300 000 Kilometern pro Sekunde im Vakuum ausbreitet, sehen wir die Objekte mit einer Zeitverzögerung.

  Der andere Forschungszweig ist die Teilchenphysik. Sie beschäftigt sich mit der Erforschung der kleinsten Teilchen und verwendet dafür riesige Teilchenbeschleuniger. Dort können die Teilchen erzeugt und untersucht werden. Ergebnisse dieser Forschungen ermöglichen die Aussage, welche Teilchen sich unter welchen Bedingungen bilden und ineinander umwandeln, also zu welchen Zeiten der Entstehung und Entwicklung des Universums existiert haben können.