Der Urknall – oder: als das Nichts explodierte …

Wie ist das Universum entstanden? Heute meinen die meisten Wissenschaftler: Alles begann vor 13,7 Milliarden Jahren mit dem Urknall. Fotografiert hat das damals natürlich niemand. Diese Aufnahme zeigt den Orionnebel – eine Region in unserer Galaxie, der Milchstraße. Bild: NASA, ESA, STScI
Wie ist das Universum entstanden? Heute meinen die meisten Wissenschaftler: Alles begann vor 13,7 Milliarden Jahren mit dem Urknall. Fotografiert hat das damals natürlich niemand. Diese Aufnahme zeigt den Orionnebel – eine Region in unserer Galaxie, der Milchstraße. Bild: NASA, ESA, STScI

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Quatsch! Das ganze Universum soll mit einem großen Knall begonnen haben? Einem „Big Bang“? Als ob es damals einfach „Peng!“ gemacht hätte … Was für ein Unsinn! So oder so ähnlich schimpfte ein Wissenschaftler, der von der Urknall-Theorie überhaupt nichts hielt. Und unfreiwillig hat er ihr so den Namen gegeben: der Theorie vom „Big Bang“. Heute sind sich die meisten Wissenschaftler einig, dass die Urknall-Theorie stimmt. Doch wie sind sie auf diese Idee gekommen? Und wie soll sich diesen Überlegungen zufolge das Universum entwickelt haben?

Kompakt & wissenswert
  • Schnelle Galaxien und hupende Autos
    Woher weiß man, dass sich die anderen Galaxien von uns entfernen? Man erkennt es daran, dass ihre Lichtwellen in die Länge gezogen sind. Stell dir zum Vergleich ein hupendes Auto vor: Wenn es sich dir nähert, werden die Schallwellen zusammengequetscht und der Ton der Hupe ist hoch. Wenn es an dir vorbeigefahren ist und sich entfernt, werden die Schallwellen der Hupe durch die Bewegung des Autos in die Länge gezogen – wie bei einer Spirale, an der man zieht. Dann klingt die Hupe tiefer. Wie beim Schall funktioniert das auch beim Licht: Nur dass da eben keine Hupe anders klingt, sondern das Licht der Galaxien anders aussieht. Es wird in den roten Bereich des Spektrums verschoben – und das nennt man „Rotverschiebung“.
  • Wie Sterne entstehen
    Auch heute noch kann man beobachten, wie sich neue Sterne bilden. Das passiert im Inneren von riesigen Gas- und Staubwolken. Das Problem dabei: Man kann nicht einfach mit einem Fernrohr in diese kosmischen Wolken hineinschauen. Doch die Wärmestrahlung der neuen Sterne verrät sie. Und mit Infrarot-Instrumenten kann man diese Wärmestrahlung aufnehmen – wie man mit einer Wärmebild-Kamera ein Haus fotografieren und sehen kann, wo Wärme entweicht und die Wände oder Fenster besser isoliert werden müssten. Sterne kann man so jedoch nicht vom Erdboden aus untersuchen, weil da unsere Atmosphäre stört. Dafür braucht man Satelliten. Oder ein ganz besonderes Flugzeug – wie beim deutsch-amerikanischen Projekt SOFIA: Ein großer Jumbo-Jet wurde da zur fliegenden Sternwarte umgebaut. SOFIA ist im Mai 2010 zum ersten Messflug gestartet.

Wie der oben erwähnte Wissenschaftler – er hieß Fred Hoyle – glaubten zunächst viele Experten, dass das Universum einfach schon immer da gewesen sein müsste: ein ewiges Universum. Doch ein paar „Kleinigkeiten“ passten nicht zu dieser Vorstellung. Vor allem: Man hatte beobachtet, dass sich die Galaxien immer weiter voneinander entfernen. Und da man die Geschwindigkeit messen konnte, mit der sich alles immer weiter ausdehnt, ließ sich auch zurückrechnen, wann die Galaxien früher einmal noch ganz dicht beieinander gewesen sein mussten. Immer genauer konnte man das messen und berechnen – und heute geht man davon aus, dass alle Materie vor 13,7 Milliarden Jahren an einem einzigen Punkt konzentriert war. Da ist sie anscheinend aus dem Nichts entstanden: einfach explodiert! Allerdings war sie damals noch nicht Materie, sondern erst mal nur pure Energie – aber dazu gleich mehr …

Das Echo dieser gewaltigen Explosion kann man übrigens heute noch nachweisen: Überall im Weltraum gibt es eine Strahlung – ganz unabhängig von der Strahlung, die Sterne aussenden. Sie wabert gewissermaßen im Hintergrund herum und heißt deshalb auch „kosmische Hintergrundstrahlung“. Als man sie gefunden hatte, war das ein weiterer wichtiger Beweis dafür, dass die Sache mit dem Urknall wohl stimmen musste.

Das Universum in der Hosentasche

Eine Region in unserer Milchstraße, in der gerade unzählige neue Sterne entstehen. Bild: NASA, ESA, STScI
Eine Region in unserer Milchstraße, in der gerade unzählige neue Sterne entstehen. Bild: NASA, ESA, STScI

Was vor dem Urknall war, und was genau zu diesem Zeitpunkt geschah, weiß niemand. Nun ja, „wissen“ weiß man ohnehin nichts davon. Schließlich ist keiner damals dabei gewesen. Doch die Wissenschaftler haben Modelle entwickelt. Vor allem für das, was nach dem Urknall passiert ist – und zwar schon für die ersten Sekundenbruchteile. Sogar für Bruchteile von Bruchteilen einer Sekunde. Ungeheuer heiß ist das junge Universum – immer dieser Theorie zufolge – damals gewesen. Und ungeheuer schnell hat es sich ausgedehnt. Eben war es noch so klein, dass es in deine Hosentasche gepasst hätte. „Was hast du denn da in der Tasche?“ „Ach, nur so ein Universum …“ Doch sofort dehnte es sich blitzartig aus. Und zwar offenbar schneller als erlaubt: schneller als mit Lichtgeschwindigkeit – was eigentlich gar nicht sein kann. Über dieses kleine Rechenproblem grübeln die Experten noch heute ...

Ein Nebel aus Licht

Anfangs war das Universum so unvorstellbar heiß, dass es nur aus Energie bestand. Materie konnte sich da nicht bilden. Die Elementarteilchen waren so geladen, dass sie nicht zusammenfanden, sondern nur nervös in der Gegend herumflitzen.

Manche Wissenschaftler würden übrigens bei solchen Sätzen graue Haare bekommen, weil wir das alles hier sehr einfach beschreiben. Andere haben schon graue Haare und werden sie sich jetzt wahrscheinlich raufen. Aber das soll nicht euer Problem sein. Besser einfach und halbwegs richtig als ganz richtig und dafür auch ganz unverständlich.

Das frühe Universum war also so etwas wie ein gigantischer Nebel aus Licht. Und damit war es undurchsichtig. Das nur für alle von euch, die schon auf anderen Seiten von DLR_next gelesen haben, dass Teleskope – wie das Weltraum-Teleskop Hubble – ja nicht nur tief ins All hinein schauen, sondern dabei auch tief in die Vergangenheit zurück blicken. Und zwar, weil das Licht, das man da von anderen Sternen einfängt, schon Millionen und Milliarden Jahre unterwegs war, bevor es bei uns ankommt. Da könnte man meinen, dass man dann nur noch etwas weiter in den Raum hinein und damit in die Vergangenheit zurück schauen müsste, um quasi den Urknall selbst zu beobachten. Das aber geht eben nicht so einfach: Denn wir können nur erkennen, was im Universum passierte, als es schließlich durchsichtig wurde.

Das Zeitalter der Materie

Die Entwicklung des Universums. Bild: DLR
Die Entwicklung des Universums. Bild: DLR

Und genau das geschah rund 400.000 Jahre nach dem Urknall. Inzwischen hatte sich das Universum so weit ausgedehnt, dass es dabei immer weiter abkühlte. Und erst dadurch konnten sich die kleinsten Teilchen zu Atomen zusammenschließen. Zum Vergleich: Ein wenig erinnert das an Feuchtigkeit in der Luft. Ist die Luft warm, ist sie wie ein Nebel einfach feucht und trüb. Wird sie kälter, kann sie die Feuchtigkeit nicht mehr speichern und es bilden sich Wassertropfen und es regnet. Allerdings spielen dabei ganz andere Prozesse eine Rolle – das ist also wirklich nur als Vergleich gedacht, um sich die Abläufe im jungen Universum vorstellen zu können.

Jedenfalls: Die Zeit der Strahlung und Energie war – grob gesagt – vorbei und das Zeitalter der Materie begann. Zuerst gab es da nur Wasserstoff und Helium. Alle anderen chemischen Elemente entstanden später. Doch das genügte, um die ersten Sterne zu bilden – und viel später auch Planeten und andere Himmelskörper.

Ganz nebenbei: Erstaunlich, dass das alles so passiert ist! Wäre die Kraft, mit der sich kleinste Teilchen und Atome gegenseitig anziehen, etwas anders beschaffen: Es wäre nie zu all dem gekommen! Die Kräfte, die alles zusammenhalten, sind gerade so stark, dass Materie so ist, wie wir sie kennen. Wären sie beispielsweise schwächer, würde dein Fuß, wenn du damit einen Ball schießt, einfach durch den Ball hindurchgehen. Ganz abgesehen davon, dass es dich in einem solchen Universum mit etwas anderen Bedingungen gar nicht geben würde. Und auch keine Fußbälle! Nie wäre da der FC Bayern deutscher Meister geworden! Kein einziges Mal! Aber eben auch nicht Schalke oder sonst jemand.

Doch unsere Welt ist, wie sie ist. Damit aber ein Planet wie die Erde überhaupt entstehen konnte, musste erst noch etwas passieren: Denn Wasserstoff und Helium – die ersten Elemente – genügten da allein nicht. Erst im Inneren der ersten Sterne bildeten sich nach und nach andere chemische Elemente. Doch auch Sterne strahlen nicht ewig. Und wenn sie dann nach einigen Millionen oder Milliarden Jahren am Ende ihrer Lebenszeit ausgebrannt waren und explodierten, setzten sie Gas- und Staubwolken frei, die diese neuen Atome in sich trugen. Diese kleinen Partikel zogen sich gegenseitig an und ballten sich allmählich wieder zu neuen Sternen zusammen, in denen dann weitere Elemente „gebacken“ wurden. Und erst so kamen die Bausteine des Lebens in die Welt …

Damit sind wir auf unserer kurzen Reise vom Urknall bis heute am Ziel angekommen. Tja, so schnell kann das gehen – wenn man wie gesagt alles sehr stark vereinfacht. Wenn ihr mehr darüber wissen wollt: Es gibt spannende Bücher zum Thema Urknall und zum Rest des Universums. Und natürlich auch noch viele spannende Dinge, die ihr hier in DLR_next entdecken könnt. Zum Beispiel die schönsten Bilder aus dem Universum, die wir hier für euch zusammengestellt haben ...