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Die Episode über den Urknall und die Entstehung der Materie

CL014 - Der Urknall und die ersten Sekunden unseres Universums

Die Episode über den Urknall und die Entstehung der Materie

Der Sommer beginnt heiß! Eva empfiehlt zur Abkühlung einen Besuch im Kino um sich den aktuellen Film von Wes Anderson, "Asteroid City" anzusehen. Der Juli war ein aufregender Monat für die Astronomie und die Raumfahrt. Gleich zu Beginn, am 01. Juli startete die ESA Euclid Mission von den USA aus ihre Reise. Beinah zeitgleich ließ eine Veröffentlichung die sozialen Netzwerke die Wissenschaftsblase heiß laufen: es wurden Hinweise auf gigantische Gravitationswellen mit Wellenlängen von 10 Lichtjahren entdeckt. Dabei könnte es sich um den Gravitationswellenhintergrund handeln, ein kosmisches Hintergrundrauschen aus der aktiven Frühzeit des Universums!

Es geht heiß weiter: Elka erzählt uns dieses Mal von der Entstehung des Universums und was in der ersten Sekunde nach dem Urknall alles passiert ist - und das ist eine ganze Menge!

Die Entstehung des Universums ist wohl eines der faszinierendsten Kapitel der Astronomie. Da sich alles in sehr sehr kleinen Maßstäben abspielt, wird bei diesem Thema die Verbindung zwischen Astronomie und Physik (Elkas Background) besonders deutlich. Doch zuerst zu der offensichtlichsten aller Fragen: "Was war vor dem Urknall?" Diese Frage ist sehr schwer zu beantworten. Die Standard-Antwort von Astrophysiker*innen lautet: "Raum und Zeit entstand erst durch den Urknall. Ein zeitliches DAVOR kann es also nicht gegeben haben". Man kann es sich vielleicht mit der Metapher vorstellen: "Was ist 1m nördlich vom Nordpol?" Nördlicher als der Nordpol geht nicht.

Georges Lemaitres Urknalltheorie

Der Astrophysiker und katholische Priester Lemaitre war in den 1920er Jahren der Erste, der die These vom Anfang des Universums aufgestellt hat, da er durch Rotverschiebung beobachtet hat, dass die Galaxien sich von uns wegbewegen, also das Universum expandiert. Seine Theorie wurde von den Kritikern zunächst spöttisch als "Big Bang" bezeichnet. Auch Einstein war zunächst dagegen, da es zu sehr nach göttlicher Schöpfung klang. Kurz vor seinem Tod erfuhr Lemaitre noch von der Entdeckung der kosmischen Hintergrundstrahlung, die seine Theorie erhärtete.

Die Planck-Ära

Am Beginn waren der ganze Raum und die ganze Materie in einem Volumen, das nur 1-Billionstel eines Punktes groß war. Dieses Pünktchen konnte nur expandieren. Hier beginnt eine sehr komplizierte Zeit, für die wir noch keine Berechnungsmodelle haben– die Planck Ära, 10^-43 Sekunden nach dem Urknall . In der Planck Ära war alles so heiß, dass es nur eine Urkraft gegeben hat. Die 4 fundamentalen Kräfte waren ununterscheidbar (Gravitation, elektromagnetisch, starke/schwache Wechselwirkung). Wir haben bis heute keine Theorie gefunden, die diese Zeit erfassen kann. Es gibt aber Bestreben die Theorie des Kleinen (Quantenphysik) und des Großen (Gravitation) zu vereinen (theory of everything), z.b. mit der Stringtheorie.

1 Billionstel Sekunde nach dem Urknall

Das Universum ist eine Suppe aus Quarks, Leptonen und Bosonen, also subatomare Teilchen. In der Quark-Leptonen Ära waren Materie und Antimaterie fast im Gleichgewicht, aber nur fast. 1 Milliarde zu 1 Millarde und 1.

1 Millionstel Sekunde nach dem Urknall

Die Suppe ist nicht mehr ganz so heiß. Die Quarks schnappen sich Tanzpartnerinnen und es entstehen schwere Partikel – die Hadronen. Die bekanntesten: die im Atomkern, also Neutronen und Protonen. Das minimale Ungleichgewicht zwischen Materie und Antimaterie in der Quark-Leptonen Suppe wurde jetzt an die Hadronen weitergegeben. Mit außergewöhnlichen Konsequenzen: Da das Universum nicht mehr heiß genug ist, um neue Quarks zu bilden. Fast alle Hadronen und Antihadronen annihilieren zu Strahlung, aber jedes Milliardste Hadron blieb alleine. Dieses einsame Hadron bildete die Basis zur Entstehung von Sternen, Planeten, Galaxien, Blumen und Menschen. Bei völligem Gleichgewicht wäre alles annihiliert und im Universum nur Strahlung.

1 Sekunde nach dem Urknall

Das Universum ist schon einige Lichtjahre groß. Mit 1 Milliarde Grad ist es zumindest noch heiß genug um Elektronen zu kochen. Diese poppen auf und verschwinden wieder mit ihrem Counterpart. Es passiert das gleiche wie mit den Hadronen, nur 1 in 1 Milliarden Elektronen bleibt über. Jetzt entstehen Atomkerne! Protonen verbinden sich mit Neutronen. Das ist die erste Phase der Nukleosynthese.

Was danach geschah

Jetzt kommt eine sehr lange und langweilige Phase. 2 Minuten nach dem Urknall bis 380.000 Jahre danach passiert nichts bedeutendes in unserer Teilchensuppe. Es ist heiß genug dass die Elektronen herumschwirren. Erst nach 380.000 Jahren kommt dieses Rumschwirren zu einem Ende, als die Temperatur auf unter 3000 Grad Kelvin fällt (halb so heiss wie die Sonne). Die Elektronen verbinden sich jetzt mit den Atomkernen. Jetzt können auch Photonen in der "Nebelsuppe" endlich frei herumschwirren. Es wurde Licht im bis dahin dunklen Universum! Heute ist dieses erste Licht als kosmische Hintergrundstrahlung zu sehen.

Milliarden Jahre nach dem Urknall beginnt die 2.Phase der Nukleosynthese: In den ersten Sternen verschmelzen Atomkerne und schwerere Elemente wie Kohlenstoff (wichtig für Leben!) oder Eisen werden gebildet. Durch Explosionen gelangen sie überall hin im Universum. "Wir sind aus Sternenstaub" ist also nicht nur romantisch sondern auch wissenschaftlich korrekt!

Wir haben Post bekommen! Karin, eine fleißige Hörerin seit der ersten Stunde und Christoph haben uns geschrieben. Die beiden betreiben das Café Sitzwohl in Seeboden am Millstätter See und weil Karin unseren Podcast so gerne hört kann man dort einen Cosmic Latte bestellen und bekommt einen Latte Macchiato mit Haselnusslikör serviert!

Zum Schluß macht Eva noch auf die Ignoranz der Medien gegenüber independent Podcasts aufmerksam. Ein Artikel mit Podcast-Empfehlungen in einer Fernsehzeitschrift hat leider wieder mal gezeigt, dass independent oder kleinere Podcasts schlichtweg nicht wahr genommen werden. Daher unser Aufruf: wenn ihr uns oder andere kleine Produktionen gerne hört, die nicht von Medien finanziert werden, spread the word! Erzählt euren Eltern, Freunden, Kindern, Nachbarn und Arbeitskolleginnen davon!

Zeitstrahl des Universums

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