Urknall, Zeitpunkt vor 13,7 Millliarden Jahren, an dem das ►Universum seine größtmögliche Dichte und Temperatur hatte.

Dass es einen Urknall gegeben haben muss, folgt aus vielen astronomischen Beobachtungen, etwa der ►Rotverschiebung - der Beobachtung, dass alle ►Entfernungen im Universum wachsen. Demzufolge müssen dereinst alle Galaxien am gleichen Ort gewesen sein. Auch wenn dieses Ereignis ziemlich lange her ist, kann man es anhand deutlicher Spuren im Universum rekonstruieren - der kosmischen ►Hintergrundstrahlung, der Materieverteilung, dem Massenverhältnis von Isotopen und der Helium- und Wasserstoffkonzentration. Das augenblickliche ►Standardmodell der Physik bietet zwar keine Erklärung für den Urknall selbst, erlaubt aber, die Ereignisse danach relativ genau zu bestimmen.

In der Millennium-Simulation der Virgo-Forschergruppe wurde im Frühjahr 2005 auf einem Parallelrechner des Max-Planck-Instituts in Garching die Entwicklung des Universums in hoher Genauigkeit durchgerechnet. Das Ergebnis der Simulation stimmt hervorragend mit der Materieverteilung in unserem heutigen Universum überein. Hier eine Chronik:

Zeitpunkt Null: Was den Urknall auslöste und wie das genau passierte, liegt im Bereich der Spekulationen, denn das Standardmodell taugt nicht für so kleine Zeiten. Ziemlich sicher ist, dass das Universum nicht aus einem Punkt explodierte, wie Sie noch in manchen Büchern lesen können. Der Physiker Gabriele Veneziano entwickelte eine Interpretation der Stringtheorie, nach der die Welt ein unendlich großer, ►ewiger, kalter, zehndimensionaler Raum ist. Zunächst sind alle zehn ►Dimensionen gleichwertig. Die Überlappung zweier schwingender, mehrdimensionaler Membranen in diesem Raum führte zur Abspaltung unserer drei Raumdimensionen zum Zeitpunkt Null. Die Abspaltung ging einher mit dem 'Aufrollen' der restlichen Dimensionen zu winzigen Größen und einer extremen Verdichtung und Erhitzung des Raums. Gemäß dieser Theorie gibt es ständig neue Urknalle, die jedesmal zur temporären Entstehung eines drei- oder auch mehrdimensionalen Universums führen.

Wie dem auch gewesen sein mag, alle weiteren Ereignisse lassen sich aus dem Standardmodell ableiten:

10^-43 Sekunden*: Das Universum beginnt dicht und heiß. Es gibt noch keine Atome oder Atomkerne, nur elektromagnetische Strahlung (so dass die Bibel mit ►"Es werde Licht!" nicht ganz falsch lag). Ein Liter Urknall wiegt 10⁹⁴ Kilogramm und hat eine Temperatur von 10³² Grad Celsius**. Die vier Grundkräfte, die die heutige Physik kennt - Schwerkraft, Starke und Schwache Kernkraft und Elektromagnetische Kraft - sind bei dieser Temperatur noch zu einer gemeinsamen Urkraft vereinigt.

Der Raum beginnt sich sofort auszudehnen***. Durch die Ausdehnung nehmen die Dichte und Temperatur der Strahlung ab. Die Schwerkraft spaltet sich als erste eigenständige Kraft von der Urkraft ab, denn sie gehorcht unterhalb einer bestimmten Temperatur einem anderen Kraftgesetz als die anderen drei Kräfte. Die Strahlung ist immer noch so energiereich, dass sich Strahlungsteilchen ständig spontan in kurzlebige Materie- und Antimaterieteilchen und zurück verwandeln. Dabei bildet sich aufgrund einer Unsymmetrie (►CP-Verletzung) ein winziger Überschuss an Materie im Vergleich zur Antimaterie. Dieser Überschuss von nur etwa 0,0000000001 Prozent ist die Grundlage für die gesamte heutige Materie des Universums.

10^-36 Sekunden: Die Strahlungstemperatur ist auf 10²⁷ Grad abgesunken. Auch die Starke Kernkraft spaltet sich bei die­ser Temperatur als eigene Kraft ab. Die Abspaltung bewirkt einen Phasenübergang in den Kraftfeldern, ähnlich wie wenn Wasser zu Eis gefriert. Hierbei wird Energie freigesetzt und beschleunigt 'inflationär' die Ausdehnung des Raumes, der sich in kurzer Zeit um den Faktor 10³⁰ ausdehnt. Der Bereich, der dem heute beobachtbaren Teil des Universums entspricht (►Hubble-Volumen), erreicht dabei schlagartig die Größe eines Tennisballs. Diese extrem schnelle Inflation des Raums ist die Ursache für die heute beobachtete gleichförmige Verteilung von Materie und Strahlung im Universum.

Die starke Ausdehnung kühlt zudem die Strahlung extrem ab, auf 10¹⁶ Grad (das ist eine Zahl, die man bereits aussprechen kann: Zehntausend Billionen Grad Celsius). Jetzt trennen sich auch die elektromagnetische Kraft und die Schwache Kernkraft. Damit ist die Aufspaltung der Urkraft in die vier heute bekannten Grundkräfte abgeschlossen.

10^-16 Sekunden: In dem heißen Plasma aus Strahlung und Teilchen, das den Raum erfüllt, entstehen jetzt durch Zusammen­ballung von Quarks und Antiquarks verschiedene Sorten schwerer Elementarteilchen. Mit abnehmender Temperatur zer­fallen die schwersten der Teilchen, bis nur noch Protonen und Neutronen - die späteren Bestandteile von Atomkernen - sowie ihre Antiteilchen übrig bleiben. Auch diese Teilchen vernich­ten sich gegenseitig bei Kollisionen mit ihren Antiteilchen, bis auf den schon erwähnten winzigen Materie-Überschuss.

Die Strahlungsenergie reicht zur Bildung schwerer Teilchen nicht mehr aus. Nur noch leichte Elementarteilchen - wie Elektronen und ihre Antiteilchen, die Positronen - können entstehen. Ein Raumvolumen von einem Liter wiegt jetzt nur noch gut 10 Milliarden Kilogramm bei einer Temperatur von einer Milliarde Grad Celsius.

10 Sekunden: Die Temperatur ist nun so niedrig, dass sich Protonen und Neutronen zu stabilen ►Atomkernen vereinigen können, ohne dass sie durch die Strahlung gleich wieder auseinander gerissen werden. 75% der Protonen schwirren als Wasserstoffkerne frei herum, die restlichen bilden zu 25% Helium (bestehend aus 2 Protonen und 2 Neutronen) und zu 0,001% Deuterium (1 Proton, 1 Neutron). Die ältesten Sterne bestehen heute noch aus genau dieser Mischung.

Die Ausdehnung des Raums bewirkt übrigens keineswegs, dass sich die Atomkerne selbst ausdehnen. Nur der Abstand zwischen ihnen vergrößert sich. Nach fünf Minuten hat die Materiedichte soweit abgenommen, dass sich keine neuen Atomkerne mehr bilden. Die übrig gebliebenen Neutronen sind nicht stabil und zerfallen im Verlauf der nächsten Minuten. Danach passiert einige Jahrtausende lang nichts Aufregendes mehr.

10000 Jahre: Durch die weiter sinkende Temperatur nimmt die Energie und Masse der Strahlung ständig ab. Es gibt jetzt mehr Materie als Strahlung im Universum. Bei der weiteren Abkühlung können positiv geladene Atomkerne negativ geladene Elektronen 'einfangen' und mit ihnen stabile Atome bilden. Diese sind elektrisch neutral und wechselwirken kaum noch mit den Strahlungsteilchen. Licht kann sich nun, etwa 400000 Jahre nach dem Urknall, ungehindert ausbreiten. Das Universum wird durchsichtig. Das Licht, das damals das Universum erfüllte, können wir heute noch als ►Hintergrundstrahlung wahrnehmen.

1 Million Jahre: Da die Strahlung keinen Druck mehr auf sie auswirkt, gerät die Materie nun stärker unter den Einfluss der Schwerkraft, die eine gegenseitige Anziehung der Teilchen bewirkt. Anfangs war die Materie fast völlig gleichförmig verteilt, abgesehen von geringen Dichteschwankungen, die in der bereits erwähnten Inflations-Phase 10^-36 Sekunden nach dem Urknall entstanden sind. Aus diesen Dichteschwankungen bilden sich nun großräumige Zusammenballungen. Die Atome verhalten sich dabei wie Schmeißfliegen: Je mehr sich auf einem Haufen versammeln, desto mehr Anziehung üben sie auf andere aus. Es kommt zu Massenansammlungen von Wasserstoff- und Heliumatomen.

1 Milliarde Jahre: Die Massenansammlungen ziehen sich durch die Schwerkraft dichter und dichter zusammen. Sie bilden schließlich ►Schwarze Löcher, die so massiv sind, dass sie den Raum um sich verkrümmen und zu einem geschlossenen Bereich abschnüren. Um sie herum rotieren große Wolken von durch die Anziehung eingefangenem Helium und Wasserstoffgas. Gasströme stürzen unter Aussendung enormer Strahlung in die Schwarzen Löcher hinein und verschwinden für immer. Diese Strahlungsquellen - die ►Quasare - existieren heute nicht mehr, dennoch sehen wir sie immer noch am Rand des beobachtbaren Bereichs des Universums.

In den rotierenden Gaswolken entstehen aus örtlichen Ver­dichtungen die ersten Sterne und Sternhaufen. Bis jetzt kannte die Welt nur Wasserstoff, Helium und Spuren anderer leichter Elemente; nun bilden sich in den Sternen durch Verschmelzen von Atomkernen alle schweren Elemente bis zum Eisen. Die größeren Sterne explodieren schon nach ein paar Millionen Jahren als Supernova. In der Explosion bilden sich auch Elemente, die schwerer als Eisen sind, und werden ins All geschleudert. Alle schweren Elemente, aus denen auch wir zusammengesetzt sind, wurden im Inneren von Sternen und in Supernova-Explosionen ausgebrütet (so dass wir im wahrsten Sinn des Wortes aus Sternenstaub bestehen).

Nachdem die Schwarzen Löcher die meisten Gaswolken in ihrer unmittelbaren Nähe an sich gezogen und verschluckt haben, versiegen die in sie hineinstürzenden Gasströme und damit auch die Quasarstrahlung. Die Schwarzen Löcher kommen zur Ruhe und werden weitgehend unsichtbar. Sie bilden die Zentren der um sie herum durch Sternbildung entstehenden Galaxien.

9 Milliarden Jahre: Am Rand einer sonst weiter nicht auffälligen Spiralgalaxie verdichtet sich eine Wolke aus Gas und Staub, die auch schwere Elemente aus früheren Supernova-Explosionen enthält. Unter dem Einfluss der Schwerkraft verklumpt diese Wolke schließlich zu einem Sonnensystem mit neun Planeten.

13,7 Milliarden Jahre: Die Temperatur der allumfassenden Strahlung ist nun auf unter -270 Grad Celsius abgesunken, nur 2,7 Grad über dem absoluten Nullpunkt. Dies ist die heute gemessene Temperatur der kosmischen ►Hintergrundstrahlung. Auf dem dritten Planeten des oben erwähnten Sonnensystems kriechen kleine Gruppen werkzeugbenutzender Lebewesen aus dem Dschungel. Sie starren in den Nachthimmel und beginnen sofort mit dem Grübeln über die ►Unendlichkeit...

Was passiert weiter? Da es keinen Grund gibt, die Computersimulation in der Jetztzeit anzuhalten, kann man sie bis zum Ende des Universums durchlaufen lassen. Das Ergebnis finden Sie unter ►Universum.

* = 0,000000000000000000000000000000001 Sekunden; Zehnerpotenz-Schreibweise s. ►Zahlen.

** Jede Strahlung besitzt nach der Einsteinformel ►E = mc² eine bestimmte Masse und nach dem Planck'schen Strahlungsgesetz eine bestimmte Temperatur, die beide von der Dichte und der Frequenz der Strahlungsteilchen abhängen. Strahlung kann sich spontan in Materie und Antimaterie gleicher Masse verwandeln. Wenn Materie mit Antimaterie in Berührung kommt, zerstrahlt sie wieder.

*** Auch wenn er bereits unendlich groß ist. Stellen Sie sich vor, der Raum bestünde aus unendlich vielen kleinen Gummiwürfeln, die sich alle gleichermaßen ausdehnen.

Weblinks zum Thema

■ The Myth of the Beginning of Time

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