Dieser Beitrag entstand im Rahmen eines Schüler(innen)praktikums in unserer Gruppe im Herbst 2019.
Kosmologie
Natalie Maier
Die Kosmologie setzt sich mit dem Ursprung und der Entwicklung des Universums (Weltalls) auseinander. Sie modelliert das Universum anhand physikalischer Gesetzmäßigkeiten, ist ein Teil der Physik und überlappt mit der Astronomie und der Astrophysik. Leicht gesagt: Die Kosmologie beschreibt die Entstehung und Entwicklung des Universums.
Der Urknall (Zeitliche Entstehung des Universums)
Der Urknall ereignete sich vor etwa 13,8 Milliarden Jahren. Aus ihm gingen Zeit, Raum und Materie hervor. Es gab eine Zeit zwischen dem Urknall und der Entstehung von Zeit, Raum und Materie, wie wir sie kennen: Sie wird Planck-Ära genannt. In dieser Zeit muss sich das Universum sehr schnell ausgedehnt haben. Seit dem Urknall expandiert das Universum immer weiter.
Durch die Messung dieser Expansion war es möglich einzuschätzen, wie weit der Urknall zurückliegt. Dafür drehten die Forscher den Gedanken um: Da das Universum sich ausdehnt, muss es immer kleiner werden, wenn man es in die Vergangenheit hinein betrachtet. Zum Urknall hin muss alle Materie immer näher beisammen gewesen sein: Der Urknall war ein Anfang voller Energie. Dass sich die Galaxien voneinander entfernen, lässt sich durch die Rotverschiebung feststellen: Je weiter eine Galaxie entfernt ist, umso rötlicher wird ihr Licht.
Die wichtigsten Belege der Urknalltheorie sind:
- Galaxien entfernen sich voneinander umso schneller, je weiter entfernt sie sind (Edwin Hubble)
- kosmische Hintergrundstrahlung (es gibt eine Strahlung, die das ganze Universum ausfüllt und nicht aus einer Richtung kommt, sondern von überall her)
- Menge des Wasserstoffs und Heliums
Bildung von Atomen (Nukleosynthese)
Kurz nach der Entstehung des Universums gab es nur Quarks (kleine Bestandteile z.B. von Protonen und Neutronen). Protonen und Neutronen bestehen aus drei Quarks und Energie. Quarks konnten sich erst zu Neutronen und Protonen verbinden, als es dafür kalt genug wurde. Danach bewegten sich die Protonen und Neutronen zunächst zu schnell, als dass eine Verbindung zwischen ihnen möglich gewesen wäre. Während die Temperatur abnahm, wurden Neutronen und Protonen langsamer und konnten sich schließlich zu Heliumkernen vereinigen. Das geschah einige Minuten nach dem Urknall. Ungefähr 400000 Jahre später bildeten sich die ersten Atome. Die Elektronen waren jetzt gebunden und konnten nicht mehr frei umherschwirren. Die Strahlung und die Materie trennten sich, und die Hintergrundstrahlung wurde freigesetzt. Damit wurde das Universum durchsichtig.
Galaxien & Sterne
In den Sternen verschmilzt Wasserstoff zu Helium. Dabei geht ein Teil der Masse verloren, die in Energie umgewandelt wird und den Stern zum Leuchten bringt. Sterne bilden sich in sogenannten Gasnebeln.
Diese Nebel (auch Wolken genannt) sind gewaltige Ansammlungen von Gas und Staub. In ihrem Inneren ist die Materie vor intensiver Strahlung geschützt und kann sich somit abkühlen. Sind die Wolken kalt genug, beginnen sie aufgrund der Gravitationskraft zu kollabieren.
Wenn das Gas kalt genug wird, können sich Moleküle bilden, die sich zu größeren Teilchen verbinden (die auch als Staub bezeichnet werden). Die Temperaturen sind so niedrig, dass das Gas, welches die Staubteilchen umgibt, an ihnen gefrieren kann.
Im Laufe der Zeit lagern sich weitere Moleküle an der Oberfläche der Staubteilchen ab. Der Kollaps der Gaswolke setzt sich fort. Aufgrund der dadurch weiter steigenden Dichte können schließlich im Zentrum der Wolke Wasserstoffkerne zu Helium verschmelzen. Das ist der Moment, zu dem der neue Stern zum ersten Mal zündet. Er ist zu diesem Zeitpunkt aber noch nicht sichtbar, da ihn eine große, dichte Staubwolke umgibt. Der neu entstandene Stern heizt jedoch das Gas und den Staub um sich herum auf, bringt die Eisschichten zum Schmelzen und zerstört den Staub. Etwa 10 000 Jahre dauert die Entstehung des Sterns noch nach diesem Moment. Galaxien sind Systeme aus Milliarden von Sternen und einer großen Menge an interstellarem Gas (Gas mit einer sehr geringen Dichte).
Supernovae
Eine Supernova ist eine Explosion eines Sterns. Sie markiert den Endpunkt eines Sternenlebens, jedoch nur für Sterne sehr großer Masse. Dabei kann der vergehende Stern für kurze Zeit so hell strahlen wie eine ganze Galaxie. Bei der Explosion stößt der Stern seine Schichten ab und schleudert sie weit hinaus in den Weltraum. Diese Schichten breiten sich immer weiter aus und werden zum Leuchten angeregt, sodass wir sie mit einem Teleskop beobachten können. Aus dem Stern selbst kann ein Pulsar entstehen, ein Neutronenstern oder sogar ein schwarzes Loch. (Schwarze Löcher sind wie Löcher im Weltraum: In ihrer Nähe ist der Raum durch die starke Gravitation so verbogen, dass ein Loch entsteht, aus dem nichts mehr entkommen kann, wenn es einmal hineingeraten ist.) Bei der Explosion einer Supernova wird sehr viel Strahlung ausgestoßen, die zum Teil auch aus schädlicher Röntgen- und Gammastrahlung besteht. Solche Strahlung würde Lebewesen schädigen und deren Strahlentod verursachen. Eine starke Druckwelle entsteht um den sterbenden Stern herum, die die Schichten des Sterns mit sich reißt und ins All hinaus trägt. Würde eine solche Druckwelle auf einen bewohnten Planeten treffen, könnte sie das Leben dort beenden, aber in unserer Nähe befinden sich keine Sterne, die so explodieren können. Die Sonne ist zu klein, um als Supernova zu enden.
Entstehung der Planeten
Eine riesige Gaswolke um einen Stern beginnt sich zusammen zu ziehen und zerfällt nach einiger Zeit in kleinere Wolken. Die anfängliche Gaswolke dreht sich um sich selbst. Beim Zusammenziehen wird die Drehung immer schneller. Durch die immer schnellere Drehung bildet sich die Gaskugel zu einer Scheibe ab.
In der Mitte entsteht eine große Verdichtung, die zu einem hell leuchtenden Stern wird. Aus der Scheibe können sich Planeten bilden. Es bilden sich Verdichtungen, zunächst noch kühle Gasbälle, die sich immer mehr zusammen ziehen und dabei langsam erhitzen. Aus jeder dieser Verdichtungen kann ein Planet entstehen, aus der Scheibe (auch protoplanetare Scheibe genannt) ein ganzes Sonnensystem.
Dunkle Materie
Bis heute ist nicht genau klar, wie die dunkle Materie aufgebaut oder entstanden ist. Eindeutig ist, das die dunkle Materie Masse hat und unsichtbar ist. Wie ist es jedoch möglich, etwas zu beschreiben, was man nicht sehen kann? Die Vorstellung sieht ungefähr so aus:
In Galaxien bewegen sich Sterne und andere Massen um ein Zentrum. Die Geschwindigkeit dieser Bewegung hängt jedoch von der Masse ab, die in der Galaxie steckt. Galaxien werden durch die Gravitationskraft zusammengehalten, die durch ihre Masse ausgeübt wird. Sie verhindert, dass die Galaxien auseinanderfliegen. Ein Stern, der beispielsweise näher an der dunklen Materie steht und stärker angezogen wird, muss sich schneller bewegen als ein Stern weiter außen. Aus diesen Bewegungen können wir schließen, dass 24% des Universums aus dunkler Materie besteht.
Dunkle Energie
Während Kosmologen bei der Frage nach der Natur der dunklen Materie Lösungsansätze suchen und vorschlagen, ist die Position bei der dunklen Energie einiges schwieriger. Dunkle Energie bezeichnet eine vermutete Substanz, mit der man die beschleunigte Ausdehnung (Expansion) des Universum erklären möchte. Dunkle Energie kann man nicht direkt messen oder nachweisen, jedoch sind ihre Auswirkungen erkennbar. Die Modellvorstellung und Theorie von Einstein besagt: Die dunkle Energie ist eine Eigenschaft des Raumes selbst. Wir wissen nicht, ob die dunkle Energie eine eigene Substanz ist oder eine Eigenschaft des Raumes.
Quellen: