Was war der Urknall und was lässt uns glauben, dass dies eine produktive Theorie darüber ist, wie alles begann?
Kosmologie ist die Lehre von der Entstehung und Entwicklung des Universums und die derzeit am weitesten verbreitete Theorie ist die des Urknalls.
Diese Theorie besagt, dass vor etwa 13.000.000.000 Jahren die gesamte Materie und der Raum, aus denen das Universum besteht, in einem sehr kleinen Volumen konzentriert waren. Die Theorie besagt, dass das Universum als ein extrem kleines Volumen voller Energie entstand, was dem Universum eine sehr hohe Temperatur verlieh. Als sich das Universum ausdehnte, bildeten sich die fundamentalen Atomteilchen als eine Mischung, die von Wasserstoff mit etwas Helium und fast nichts anderem dominiert wurde.
Einige der größten aktuellen Probleme in der Astrophysik ergeben sich aus der Betrachtung, wie sich die Galaxien gebildet haben und wie die Masse des Universums beschaffen ist (wir können nur 10 Prozent dessen identifizieren, was dort sein muss).
Die Erforschung des frühen Universums ist aufgrund der endlichen Lichtgeschwindigkeit möglich. Wenn wir viele Millionen Lichtjahre entfernte Galaxien betrachten, sehen wir sie so, wie sie waren, als das Licht sie verließ – vor vielen Millionen Jahren. Diese entfernten Objekte sind natürlich lichtschwach und daher möchten Astronomen immer größere Teleskope und effizientere Detektoren verwenden, um weiter in der Zeit messen zu können.
Bis weit in das 20. Jahrhundert hinein wussten Astronomen nicht, dass die Milchstraße eine Galaxie ist und dass die durch große Teleskope gesehenen „Inseluniversen“ Galaxien sind, Systeme aus vielen, vielen Sternen, die wie die Milchstraße gruppiert sind.
Die grundlegende Entdeckung, die dies demonstrierte, wurde von Hubble gemacht, der zeigte, dass Galaxien immer weiter auseinander klafften. Daraus lässt sich ableiten, dass sich der Weltraum selbst ausdehnt und man schnell erkannte, dass die Milchstraße eine von sehr vielen Galaxien ist und wie die Sonne keinen besonderen Platz im Galaxiensystem einnimmt.
Diese Theorie erhielt 1965 einen Schub, als man entdeckte, dass Strahlung von 3 Grad K, die Mikrowellen-Hintergrundstrahlung, aus allen Richtungen des Weltraums kam. Es wurde vorhergesagt, dass diese Strahlung ein Überbleibsel aus der sehr frühen Zeit im Zeitalter des Universums ist, bevor Materie gebildet wurde, als das Universum noch mit heißer Strahlung gefüllt war. Die Strahlung war isotrop und entsprach einer Temperatur, die der rotverschobenen Strahlung des Urknalls entsprach.
Aus der Beobachtung von Galaxien mit optischen Wellenlängen war es nicht möglich, evolutionäre Effekte zu finden, und so war die Hypothese, dass sich das Universum in einem stationären Zustand befand, plausibel. 1997 machte das Hubble-Weltraumteleskop (HST) sehr tiefe Aufnahmen von Galaxien in enormen Entfernungen von der Milchstraße. Objekte in dieser Entfernung wurden so gesehen, wie sie waren, als das Universum nur 10 % seines aktuellen Alters hatte. Die „Hubble Deep Field“-Bilder zeigten einen deutlichen Unterschied in der Erscheinung von Galaxien im frühen Universum von denen, die wir heute sehen – ein definitiver Beweis für evolutionäre Veränderungen.
Die theoretische Analyse des Urknalls hatte verschiedene Erfolge bei der Vorhersage der Eigenschaften des resultierenden Universums. Die größte davon ist die Vorhersage der relativen Häufigkeiten der Elemente und ihrer Isotopenverhältnisse. Bei der Untersuchung der ältesten Sterne, deren Material durch die Anhäufung von Material, das in den Zentren früherer Sternengenerationen verarbeitet wurde, am wenigsten verändert wurde, hat sich gezeigt, dass ihre Häufigkeitsverhältnisse mit den vorhergesagten hervorragend übereinstimmen.
Die Ausdehnung des Universums ab dem Urknall hängt stark von der Masse des Universums ab. Es gibt einen kritischen Wert, der bedeuten würde, dass sich das Universum für lange Zeit ausdehnt, sich allmählich verlangsamt und dann einen stabilen Zustand erreicht. Eine Masse kleiner als dieser Wert bedeutet, dass sich das Universum für immer ausdehnt, während ein größerer Wert bedeutet, dass sich das Universum bis zu einer maximalen Größe ausdehnt und sich dann zusammenzieht – und schließlich zu einem sehr kleinen Volumen zurückkehrt.
Astronomen gehen davon aus, dass die Masse des Universums diesem kritischen Wert entspricht, können aber nur ein Zehntel der Materie lokalisieren, die erforderlich ist, um diesen Wert zu erreichen. Die gleiche Diskrepanz wird in der Anziehungskraft einzelner Galaxien und in Galaxienhaufen beobachtet. Die Masse scheint da zu sein, aber wir können sie nicht identifizieren. Dies wird als „Missing-Massen-Problem“ bezeichnet.
Eines der am schwersten zu akzeptierenden Konzepte ist, dass das Universum alles ist, was es gibt. Nicht nur Materie und Energie, sondern auch alle Dimensionen. Es gibt kein „Außen“ des Universums und es hat keinen „Rand“.
Wenn wir an den Urknall denken, denken wir instinktiv an das kleine Universum, das sich wie eine Kugel in eine leere Leere ausdehnt. Das ist leider falsch. Die Dimensionen, die wir gewöhnlich verwenden, drei räumliche und eine zeitliche, sind alle durcheinander, wenn es um das frühe Universum geht und unsere normalen Vorstellungen von Raum und Zeit nicht gültig sind.
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