Der Urknall – 5 Gründe daran zu glauben

15. April 2008 von Andreas Müller in Allgemein

Grund Nr. 1: Die Rotverschiebung entfernter Galaxien
In großen Entfernungen zur Erde, so groß, dass man weit über unsere Heimatgalaxie und den Galaxienhaufen, in dem sie sich befindet, hinausschaut, machten Astronomen eine erstaunliche Entdeckung: alle Himmelsobjekte bewegen sich von uns weg. Sie folgen nämlich der Ausdehnung des Raums - und zwar des ganzen Raums im Universum (siehe nächste Illustration). Mit modernen astronomischen Messungen lässt sich das recht einfach feststellen: Die Spektren der fernen Leuchtquellen sind immer rotverschoben, weil die sich ausdehnende, kosmische Raumzeit die Lichtwellen auseinander zieht.
Die Entdeckung der kosmologischen Rotverschiebung geht auf Vesto Slipher zurück (1912). 1929 erklärte Edwin Hubble dieses Phänomen durch den Hubble-Effekt: Je größer die Entfernung, umso größer die kosmologische Rotverschiebung. Wenn die Raumzeit expandiert, muss sie in der Vergangenheit kleiner gewesen sein. Geht man weit genug zurück in die Vergangenheit, knapp
14 Milliarden Jahre, gelangt man an einen Punkt, der beliebig klein war: den Urknall.

Grund Nr. 2: Die Häufigkeit leichter, chemischer Elemente
Die ersten chemischen Elemente entstanden durch "Verschmelzung" von Atomkernen. Im Innern von Sternen wie der Sonne geschieht das heute noch. In den ersten drei Minuten des Universums fungierte der Kosmos selbst als "Fusionsofen", weil er heiß und dicht genug war. Heiß meint eine Temperatur von etwa einer Milliarde Grad, also hundertmal heißer, als das Zentrum der Sonne.
In dieser kosmischen Frühzeit existierten weder Galaxien, noch Sterne und Planeten. Es gab nur ein heißes Urplasma aus Teilchen. Aber nach diesen drei Minuten kühlte das Universum infolge seiner Ausdehnung zu sehr ab, als dass die Fusion aufrecht erhalten werden konnte. So stoppte die Verschmelzung von Atomkernen schon beim leichten Element Lithium, dem dritten Element im Periodensystem nach Wasserstoff und Helium. Diese so genannte primordiale Nukleosynthese erklärt die hohen Häufigkeiten von Wasserstoff und Helium im Kosmos. Die schwereren Elemente konnten erst im Innern von Sternen entstehen - einige hundert Millionen Jahre nach diesen ersten drei kosmischen Minuten.
Die Hypothese vom heißen Ursprung der ersten, kosmischen Elemente wurde erstmals 1948 von den Theoretikern Ralph Alpher und George Gamow aufgestellt (Alpher-Bethe-Gamow-Theorie). Aus ihrer Arbeit ist das Diagramm unten entnommen, das zeigt, wie die relative Häufigkeit der Elemente mit ihrer Schwere nach rechts abnimmt. Vor allem zeigt die Abbildung, wie gut Beobachtung und Alpher-Bethe-Gamow-Modell (durchgezogene Linie) übereinstimmen.
Was lernen wir aus der primordialen Nukleosynhese? Das Universum muss klein und heiß gewesen sein, also einen Zustand gehabt haben, der bestens zu dem kurz nach dem Urknall passt. Die beobachteten Häufigkeiten der leichten Elemente bestätigen hervorragend dieses Szenario.

Grund Nr. 3: Die kosmische Hintergrundstrahlung
Ein Objekt beliebiger Temperatur gibt elektromagnetische Wärmestrahlung ab - auch ein heißes Plasma. Treffen die gerade beschriebenen Verhältnisse eines heißen, Teilchen gefüllten Kosmos zu, so muss eine solche Wärmestrahlung entstanden sein. Die Strahlung war allerdings anfänglich im Plasma "gefangen". Als das Plasma abkühlte, konnten die Atomkerne die freien Elektronen erstmals einfangen und wurden zu neutralen Atomen. Dieser neutrale Kosmos machte die Bahn frei für die Wärmestrahlung, die nun nicht mehr an freien Elektronen gestreut wurde (sog. Thomson-Streuung), sondern sich ungehindert im Kosmos ausbreiten konnte.
Gibt es diese Strahlung noch? Ja! In jedem Kubikzentimeter gibt es gut 400 Lichtteilchen dieser Urstrahlung. Astronomen nennen sie kosmische Hintergrundstrahlung, weil sie in alle Himmelsrichtungen als natürliches Untergrundsignal beobachtbar ist. Die kosmische Hintergrundstrahlung erreicht uns allerdings aus der Tiefe des Kosmos, so dass ihre Lichtwellen extrem rotverschoben und ihre Frequenzen um den Faktor 1100 verschieden sind.
Erstmals entdeckt wurde diese Strahlungsform 1965 von Arno Penzias und Robert Wilson - per Radioantenne durch einen Zufall. Moderne Experimente (siehe WMAP5) kartieren die Temperaturverteilung der Hintergrundstrahlung am ganzen Himmel extrem genau (Bild unten). Das erlaubt den Kosmologen Rückschlüsse auf Eigenschaften und Ursprung des Universums.

Grund Nr. 4: Entfernte explodierende Weiße Zwerge
Modelle vom Kosmos, die beschreiben, wie er sich genau über Jahrmilliarden ausdehnte, lassen sich mit Beobachtungen testen. Kosmologen müssen dazu die Entfernungen von Himmelskörpern extrem genau bestimmen. Astronomen verwenden entfernte Lichtquellen, deren absolute Helligkeit - sozusagen die "Helligkeit vor Ort" - gut bekannt sein muss. Mit Leichtigkeit beobachtbar ist hingegen die scheinbare Helligkeit, also die auf der Erde beobachtete Helligkeit. Aus bekannter scheinbarer und absoluter Helligkeit folgt über eine Entfernungsrelation (den sog. Distanzmodul) die Entfernung.
Die absoluten Helligkeiten von speziellen, explodierenden Sternrelikten sind sehr gut bekannt, weil diese Art Explosionen einerseits recht gut verstanden sind und andererseits eine mehr oder weniger konstante absolute Helligkeit haben. Die Sternüberbleibsel heißen Weiße Zwerge, weil sie aufgrund ihrer enormen Oberflächentemperatur blauweiß leuchten und anderseits winzige Sterne sind, die nur etwa Erdgröße haben. Weiße Zwerge, die sich aus ihrer Umgebung (beispielsweise von einem Nachbarstern) Materie einverleiben, wachsen und werden schwerer. Doch bei einer kritischen Grenzmasse (der Chandrasekhar-Masse, knapp anderthalbmal die Sonnenmasse) explodieren die Zwerge in einem hellen Blitz - nichts bleibt übrig. Der Blitz heißt in der Fachsprache Supernovae Typ Ia (siehe SNIa). Einige Galaxien vor und nach der SNIa zeigt die folgende Galerie, die 2006 mit dem Weltraumteleskop Hubble beobachtet wurde (Riess et al. 2006)

Was haben sie mit dem Urknall zu tun? Nun, viele beobachtete SNIa reihen sich in einem Diagramm wie an einer Perlschnur auf einer Linie auf. Diese Linie ist das Modell eines dynamischen Universums, das mit dem Urknall begann. Explodierende Weiße Zwerge sprechen daher ebenfalls für den Urknall und insbesondere für ein beschleunigt expandierendes Universum. Diese brisante Entdeckung gelang 1998 zwei Forschergruppen unabhängig voneinander, nämlich Saul Perlmutters Supernova Cosmology Project und Brian Schmidts High-z SN Search Team.

Grund Nr. 5: Die großräumige Struktur
Der letzte Pfeiler des Urknallmodells ist die Anordnung von Galaxien, von Galaxienhaufen und der intergalaktischer Materie im Raum. Solche Strukturen kommen nur zustande, wenn das Universum aus einem recht fein austarierten Mix diverser Energieformen besteht. Zu diese Energieformen zählen:

  • zu einem geringen Anteil "normale" Materie (aus denen Häuser, Autos, Menschen etc. bestehen),
  • zu einem größeren Anteil Dunkle Materie (vielleicht ist das eine neue Art Elementarteilchen?)
  • und zum größten Teil ein rätselhaftes Feld, die Dunkle Energie (vielleicht verursacht vom Vakuum?).

Verfolgt man das Zustandekommen dieser großen, kosmischen Strukturen zurück in die Vergangenheit, so fügt sich ein heißer, kleiner, dichter Kosmos hervorragend in dieses Strukturmodell ein. Der Urknall ist verträglich mit dem Verständnis der Kosmologen für die Strukturbildung. Im Supercomputer lassen sich die großräumigen Strukturen ausrechnen und visualisieren. Dabei entstehen so reizvolle Bild wie dieses (von Springel et al. 2005, MPA Garching), das im Prinzip einen Supergalaxienhaufen zeigt:

Mit diesen 5 Gründen kann man sich an einer Hand abzählen, dass es einen Urknall gegeben haben muss. Eine Hypothese ohne Urknall muss mit allen fünf genannten Beobachtungen konsistent sein. Erstaunlich, wie das von Fred Hoyle 1949 geprägte Schimpfwort "Big Bang" seinen Siegeszug antrat, dem Anfang der Welt einen Namen zu geben.

Die Urknallsingularität - eine logische Konsequenz?
Freilich fragen sich sowohl Laie, als auch Fachmann, ob die Welt in einem Punkt begann. Dieser "Punkt" heißt im Fachjargon Urknallsingularität. Der Priester und Kosmologe Georges A. Lemaitre war der Erste, der 1931 die Expansion des Universums "mathematisch zurückverfolgte" bis an ihren Anfang: einen Punkt. Er nannte das "die Geburt des Raums". Für diese Argumentation benutzte er Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie (ART). Die ART ist sehr nützlich, beschreibt sie doch die Dynamik des Kosmos im Großen unglaublich gut. Sie ist das Beste, was wir haben. Aber sie ist auch eine unquantisierte Theorie. Diese Unzulänglichkeit - so glauben einige Physiker - könnte sich dann bemerkbar machen, wenn das All mikroskopisch wird, also in den Anfängen des Kosmos. Daher darf der Beginn von Allem in einem Punkt bezweifelt werden.
Zurzeit gibt es nur theoretische Argumente für und gegen die Urknallsingularität. Die einzige Möglichkeit, um das experimentell zu testen, besteht wohl in der direkten Messung von Gravitationswellen, die sich noch weit vor der Hintergrundstrahlung auf den Weg ins expandierende All machten. Derartige Experimente sind schon in Betrieb (u.a. GEO 600 bei Hannover und LIGO in den USA), aber die notwendige Empfindlichkeit der Detektoren reicht offensichtlich noch nicht aus.

Bis wir weitere experimentelle Fakten haben, dürfen Sie sich fragen: Existieren Punkte in der Natur?


15 Kommentare zu “Der Urknall – 5 Gründe daran zu glauben”

  1. Leonard Burtscher Antworten | Permalink

    αβγ-Theorie

    Hallo Andreas,
    danke für diese schöne Zusammenfassung!

    Eine nette Anekdote zur Alpher-Bethe-Gamow-Theorie: Sie war das Werk des Doktoranden Ralph Alpher und seins Betreuers George Gamow. Den unbeteiligten (!) Hans Bethe, der ein guter Freund von Gamow war, nahmen die beiden mit dazu, um es das αβγ-Paper nennen zu können... Auf der englischsprachigen Wikipedia gibt es dazu noch ausführlichere Informationen.

    Nun sage bloß keiner mehr, Physiker hätten keinen Humor! :-)

  2. Helmut Dannerbauer Antworten | Permalink

    Schöne Zusammenfassung

    Hallo Andreas,

    kann mich Leonard's Meinung nur anschliessen, schöne Zusammenfassung! Weiter so!

  3. Andreas Müller Antworten | Permalink

    Erfreut.

    Danke Kollegen!
    Die Anekdote zu Bethe hat mich auch sehr erstaunt, als ich zum ersten Mal davon hörte, Leo. Nicht, dass Bethe es nötig gehabt hätte, die Autorenalmosen anzunehmen...
    Die bisherige Resonanz auf meinen Artikel zeigt mir: "Der Mann schreibt zu lange Posts!" ;-)
    Ich gelobe hiermit feierlich mich kürzer fassen zu wollen. Und wo ein Wille ist, ist auch ein Weg.
    -weg-

  4. Marco Antworten | Permalink

    In der Kürze liegt nicht immer die Würze

    >Die bisherige Resonanz auf meinen Artikel zeigt mir: "Der Mann schreibt zu lange Posts!" ;-)

    NEIN !!! Die Tendenz in den Medien geht sowieso in die Richtung "immer kürzer und oberflächlicher". Alles soll ohne die kleinste Anstrengung leicht konsumierbar sein (am besten, während man noch mehrere Dinge gleichzeitig tut).
    Da bin ich froh, wenn sich richtige Wissenschaftler die Mühe machen, Einblick in Ihre Arbeit zu geben.
    Was mich in dem obigen Artikel irritiert, ist nicht die Länge sondern das Wörtchen "glauben" im Titel. Gibt es nicht die Redensart "Glauben heißt nicht wissen" ?

  5. Andreas Müller Antworten | Permalink

    @Marco: Über kurz und lang

    Danke Marco, für "Ihr Credo pro Länge". Das ermutigt mich dazu, eine gesunde Mischung aus langen und kurzen Beiträgen "zu fahren".

    Zum Glauben:
    Ja genau, glauben heißt nicht wissen. Wissenschaftliche Erkenntnis hat (wie Popper schon feststellte) immer den Charakter der Vorläufigkeit. Ein Modell oder eine Theorie ist nur so lange gut, bis es ein besseres Modell, eine bessere Theorie gibt. In diesem Sinne glauben auch Wissenschaftler.
    Wie ich in diesem Artikel ausgeführt habe, gibt es viele sehr gute und belastbare Beobachtungen, die FÜR einen Urknall sprechen. Skeptisch bin ich (wie im letzten Absatz angedeutet), wie weit man in der Zeit zurück extrapolieren darf. Meine Überzeugung: Nicht zurück bis auf einen "Punkt", die Urknallsingularität. Hier sind sich die Wissenschaftler nicht einig. Neue Modelle und neue Tests werden das verifizieren oder falsifizieren müssen.

    Beste Grüße,
    Andreas Müller

  6. Marco Antworten | Permalink

    Dunkle Materie und Energie im Urknall

    Noch so eine Frage, die ich schon länger mit mir herumtrage:
    Wie kann man eigentlich seriöse Aussagen über den Urknall treffen, wenn man über 95 % des Energieinhalts des Universums praktisch kaum etwas weiß, nämlich über dunkle Materie und Energie ? Über dunkle Materie weiß man doch nur, daß sie keine elektromagnetische Strahlung aussendet, und daß sie gravitativ wirkt. Durch ihre Gravitation läßt sich offenbar zumindest ihre Masse in etwa ermitteln. ABER: Wie kann man das Verhalten dieser beiden Komponenten (DM, DE) modellieren, wenn man praktisch nichts von ihnen weiß ? Und man muß es ja doch offenbar irgendwie modellieren, oder ? Steht damit die Urknalltheorie nicht doch auf wackeligen Füßen ?

  7. Klaus Jusinger Antworten | Permalink

    Expandierendes Weltall ?

    Hallo,
    Hubble hat festgestellt, daß mit wachsenderer Entfernung die Rotverschiebung und damit Fluchtgeschwindigkeit zunimmt. Nur vermisse ich den Aspekt, daß wir ja in die Vergangenheit blicken d.h. das Licht weiter entfernter Galaxien Informationen liefert, die weiter zurückliegen als
    das Licht naher Galaxien. Und das heißt
    dann ja, daß die Expansionsgeschwindigkeit z.B. vor 100 Mio Lichtjahren ca. 16000 km/s betrug,
    vor 50 Mio Lichtjahren ca. 8000 km/s
    betrug. Und daraus würde ich schließen,
    daß der Kosmos zwar expandiert aber die
    Expansionsgeschwindigkeit sich verringert d.h. eine Kraft das Expansionstempo reduziert.
    Warum wird aus Hubbles Ergenissen immer nur der Entfernungsaspekt berücksichtigt, der meines Erachtens zum falschen Schluß eines beschleunigt expandierenden Weltalls führt ?
    mfg
    Klaus Jusinger

  8. Andreas Müller Antworten | Permalink

    @Klaus Jusinger

    allo Herr Jusinger,

    im Hubble-Gesetz ist auch der Zeitaspekt enthalten. In der relativistischen Kosmologie kann man mit einem FLRW-Universum sogar das Hubble-Gesetz nachrechnen. Das Hubble-Gesetz ist eine lineare Gesetzmäßigkeit, deren Linearität ab bestimmten Werten für die Rotverschiebung (z = 0,1) bzw. Entfernung (D = 420 Mpc) ihre Gültigkeit verliert.

    In dem Rotverschiebungsbegriff ist immer der Zeitaspekt enthalten. So können Sie die kosmologische Rotverschiebung in eine "kosmische Zeit" umrechnen. Wenn Sie diesem Link folgen, finden Sie eine 1:1-Zuordnung zwischen "kosmischer Zeit" (= Zeit seit dem Urknall) und kosmologischer Rotverschiebung z. Diese Zuordnung ist allerdings nicht universell, sondern hängt von eingestellten kosmologischen Parametern (Dunkle Energie, Dunkle Materie, Hubble-Konstante), also "der Kosmologie", ab.
    Außerdem finden Sie den Zeitaspekt in der kosmologischen Rotverschiebung so wieder, dass er mit einer kosmologischen Zeitdilatation einhergeht. Das beobachten Astronomen an Lichtkurven von Sternexplosionen: Je weiter die Explosion entfernt ist, umso weiter wird die Lichtkurve auseinandergezogen. Von uns aus gesehen ticken Uhren in der Tiefe des Weltalls langsamer.

    Es wird in der Kosmologie immer beides berücksichtigt: Entfernung (=Raum) und Zeit, die als Raumzeit miteinander verwoben sind.

    Bitte folgen Sie den Links in mein Lexikon, um weitere Details nachzulesen.

    Beste Grüße,
    Andreas Müller

  9. Vanessa Antworten | Permalink

    hi

    was ist der urknal darüber möchte ich mehr erfahren wäre nett wenn ihr mir informaitonen darüber schickt

  10. nimrud Antworten | Permalink

    singularität????

    die expansion der universen;es gibt oder gab wohl nicht nur einen urknall,den urknall den wir in unserer kurzen lebensspanne beobachten können ist nur eine folge einer vorangegangenen implosion,das heißt, die universen dehnen sich solange aus bis das hypervakuum in dem sich der urknall ausdehnt kein vakuum mehr ist,dadurch entsteht auf der gegenüberliegenden seite ein vakuum,das heißt,der punkt aus dem der urknall entsteht ist kein punkt sondern ein loch aus dem alles strömt,das heißt ,indem alles diesseits ausströmt entsteht auf der gegenseite eine implosion und ein vakuum .
    wenn unser universum irgendwann auf einen winzigen punkt sich wieder reduziert, taucht es auf der anderen seite des punktes als expandierend wieder auf, aber in einer anderen dimension;im zeitraffer und aus einer perspektive betrachtet ist unser universum ein kleines teilchen,welches auftaucht und wieder verschwindet um in einer anderen dimension wieder aufzutauchen,dieser vorgang wiederholt sich in ewigkeit.wie oben so unten,im großen wie im kleinen(man hat in der quantenphysik teilchen beobachtet die kurzzeitig in einer anderen dimension erscheinen und wieder verschwinden um woanders wieder zu erscheinen.

  11. Andreas Antworten | Permalink

    @nimrud

    Das hätte ich folgende Fragen:
    Was ist ein Hypervakuum?
    Wer soll gesehen haben, dass Teilchen in eine andere Dimension (Raumdimension?) verschwinden? Dazu gibt es sicherlich keine Publikation.
    Ihre Darstellung ist jedenfalls nicht konform mitdem Standardmodell der Kosmologie. Denn die Expansion wird nicht mit Drücken in Vakua erklärt, sondern durch eine expandierende Raumzeit.

    Beste Grüße,
    Andreas Müller

  12. nimrud Antworten | Permalink

    andreas

    diese teilchen ähneln den sogenannten gravitonen oder Subquanten die aus dem Dirac-Meer wie aus dem Nichts(da es kein Nichts gibt ,erscheinen sie aus einer anderen Dimension) erscheinen und wieder verschwinden.Und das meine darstellung nicht konform mit dem standardmodell der kosmologie ist deutet auf die richtigkeit meiner darstellung hin,das werden die nächsten versuche am LARGE HADRON COLLIDER zeigen.

  13. nimrud Antworten | Permalink

    andreas

    diese teilchen ähneln den sogenannten gravitonen oder Subquanten die aus dem Dirac-Meer wie aus dem Nichts(da es kein Nichts gibt ,erscheinen sie aus einer anderen Dimension) erscheinen und wieder verschwinden.Und das meine darstellung nicht konform mit dem standardmodell der kosmologie ist deutet auf die richtigkeit meiner darstellung hin,das werden die nächsten versuche am LARGE HADRON COLLIDER zeigen.

  14. nimrud Antworten | Permalink

    andreas

    publikationen z.B. gibt es von Prof.Lisa Randall von der Havard Uni.

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