Hintergrundinformation

Vom Universum zum Planeten Erde
Wie das Universum und die Erde entstanden sind

Die Entwicklung des Universums

Wenn kein künstliches Licht stört, sind in einer klaren Nacht mit bloßem Auge im besten Fall drei- bis viertausend Sterne sichtbar. Manche „Sterne“ am Himmel sind in Wirklichkeit Mehrfachsysteme aus zwei, drei, vier, fünf oder sechs Sternen, andere ganze Galaxien – Galaxien sind Ansammlungen von Sternen, die sich gegenseitig durch ihre Schwerkraft beeinflussen und die um ein gemeinsames Zentrum kreisen. Diese Galaxien wiederum verteilen sich nicht völlig gleichmäßig im Universum, sondern sind in Gruppen, Galaxienhaufen und Superhaufen angeordnet.

Die Milchstraße, gesehen von der Erde aus. Das Foto wurde im Rahmen des ESO-GigaGalaxy Zoom Projects aus zahlreichen Einzelfotos von Serge Brunier zusammengesetzt. Auf der Website www.gigagalaxyzoom.org/ kann das Foto in großer Auflösung detailliert betrachtet werden. © ESO/S. Brunier, Lizenz: >> c.c. 3.0

Aber auch, wenn der Sternenhimmel noch so prachtvoll ist: mit bloßem Auge sehen wir nur den kleinsten Teil aller Sterne - ein paar Tausend. Alleine unsere Heimatgalaxie, die Milchstraße, enthält weit mehr als 100 Milliarden Sterne – und sie ist nur eine von mindestens 100 Milliarden Galaxien. Wenn wir uns den gesamten beobachtbaren Kosmos als eine Kugel von 20 Metern Durchmesser vorstellen, wäre die Milchstraße darin ein Staubkörnchen von etwa einem Zehntel Millimeter Durchmesser. In Wirklichkeit ist schon dieses „Staubkörnchen“ riesig, sein Durchmesser beträgt 100.000 Lichtjahre: Licht, das sich mit der Lichtgeschwindigkeit von etwa 300.000 Kilometer pro Sekunde bewegt, bräuchte also 100.000 Jahre von einem Ende zum anderen. Das sind Dimensionen, die unser Vorstellungsvermögen bei weitem überfordern, aber immerhin konnten wir erforschen, wie es dazu gekommen ist.

Die Schwerkraft gibt dem Universum eine Struktur

Als 400.000 Jahre nach dem Urknall Wasserstoff und Helium entstanden waren, konnte die Schwerkraft zum ersten Mal eine erkennbare Wirkung entwickeln: Insgesamt blieb die auseinander treibende Kraft des Urknalls stärker – das Universum dehnt sich bis heute aus; aber in den Regionen, in denen das frühe Universum etwas dichter war (>> mehr), begann die Schwerkraft, Material zusammenzuziehen. Dadurch entstanden hier im Laufe der Zeit dichte Staub- und Gaswolken, die Ursprünge der heutigen Galaxien. Schon die ersten fotografischen Himmelsinventare gaben den Eindruck, dass die Galaxien eine schaumartige Struktur bilden: Es gibt dichte Bereiche (die Galaxienhaufen und Superhaufen), die durch Filamente verbunden sind, in denen sich weitere Galaxien finden. Zwischen diesen Strukturen sind riesige Leerräume eingeschlossen. Genaue dreidimensionale Untersuchungen mit Hilfe der Spektroskopie (die die Rotverschiebung [>> mehr] zur Entfernungsbestimmung nutzt) bestätigten dieses Bild. Allerdings reicht die bekannte Materie nicht aus, um diese Strukturen zu bilden: Dies wurde vor allem von der Dunklen Materie (mehr >> hier) verursacht, die die normale Materie dabei mitriss. Diese bildet den größten Anteil der Materie im Weltraum, die sichtbaren Galaxien sind daher nur eine Art von “Schaumkronen auf dem Ozean der Dunklen Materie” (>> Günther Hasinger). Moderne Teleskope zeigen zudem, dass die Galaxien im Laufe der Zeit wachsen und sich entwickeln: Aus einfachen elliptischen Galaxien können “Sombrero-Galaxien” werden, die von einem Staubring umgeben sind, oder die großen Spiralgalaxien. Dabei können große Galaxien kleine “verschlucken” oder zwei Galaxien sich miteinander vereinigen: Auch der Himmel ist nicht beständig, sondern einer ständigen Entwicklung unterworfen.

Spiralgalaxie NGC 1232, von oben gesehen. Auch
unsere Milchstraße ist eine solche Spiralgalaxie, die
wir jedoch von der Seite her sehen. © ESO, Lizenz:
>> c.c. 3.0

Das Leben der Sterne

Etwa 400 Millionen Jahre nach dem Urknall begannen in einigen der ersten Galaxienvorläufer besonders dichte Bereiche, in sich selbst zusammenzufallen. Dabei wurden sie immer dichter und heißer; die Reibung der Teilchen aneinander erzeugte Hitze. Schließlich wurde der Druck so groß, dass die Abstoßung zwischen den positiv geladenen Atomkernen überwunden wurde: Es begannen Kernfusionen; die ersten Sterne entstanden. Diese Kernfusion hatten wir schon (>> hier) als die Energiequelle der Sonne kennen gelernt: Zwei Wasserstoffatome verschmelzen zu einem Heliumatom; und dabei verlieren sie etwas Masse, die als Energie freigesetzt wird. Die freigesetzte Energie aus den Fusionsreaktionen wirkt der Schwerkraft entgegen, so dass der Stern nicht weiter zusammenfällt, sondern erst einmal seinen Brennstoff verbraucht. Etwa 400 Millionen Jahre nach dem Urknall wurde das Universum noch heller: erleuchtet diesmal von den ersten Sternen. Diese müssen sehr große Massen gehabt haben.

Die Lebensdauer eines Sternes hängt von seiner Größe ab: je größer der Stern, desto schneller verglüht er. Die größten Sterne, zu denen die ersten Sterne gehört haben, leuchten nur ein paar hunderttausend Jahre. Sie vergehen am Ende in spektakulären Supernovae, eine Art kosmische Atomexplosion, in denen sie bis zu zehn Milliarden Mal so hell wie die Sonne werden und ihr Material in den Raum schleudern. Dabei erreichen die Temperaturen mehrere Milliarden Grad; und dadurch können eine Reihe weiterer Kernfusionen stattfinden, bei denen alle weiteren chemischen Elemente des Universums entstehen – bis hin zum Uran, dem schwersten natürlich vorkommenden Element. Diese Mega-Sterne sind da entstanden, wo die höchste Materiedichte zu finden war; die diese mit ihrer Schwerkraft weiterhin Materie anzog, dürften sie in den Zentren der heutigen Galaxienhaufen gelegen haben. Nach ihrem Verglühen in einer Supernova hinterlassen sie eine Staub- und Gaswolke, in der nun alle natürlich vorkommenden chemischen Elemente vorhanden sind. Da große Sterne ein kurzes Leben haben, haben die Supernovae seit der Frühzeit des Universums dieses mit chemischen Elementen angereichert. Aus den von ihnen zurückgelassenen Gas- und Staubwolken entstanden vermutlich schon vor 12 Milliarden Jahren die meisten der Galaxien und in diesen die Sterne der nächsten Generation (eine solche Region, in der Sterne entstehen, zeigt die Abbildung >> hier) - wieder unter dem Druck der durch ihre eigene Schwerkraft zusammenfallenden Materie.

Der Crab-Nebel ist der Überrest einer Supernova, die
 in chinesischen historischen Quellen aus dem Jahr 1054
beschrieben wurde: Sie soll 23 Tage lang tagsüber
sichtbar gewesen sein und knapp zwei Jahre lang am
Nachthimmel. Abb.: NASA, ESA, J. Hester (Arizona
State University)

Diese Sterne der zweiten (oder dritten, vierten, ...) Generation unterscheiden sich durch das Vorhandensein der schweren Elemente von denen der ersten Generation. Solche Sterne können daher auch Planeten um sich haben - ein solcher Stern ist unsere Sonne (mehr >> hier). Und solche Sterne können auch kleiner sein; je kleiner Sterne sind, desto länger leuchten sie. Kleinere Sterne (wobei klein heißt: bis etwa 8 Mal so groß wie unsere Sonne) enden nicht ganz so spektakulär in Supernovae wie die großen Sterne. Sie werden zu „roten Riesen“, wenn am Ende ihrer Zeit der Wasserstoff weitgehend aufgebraucht ist und der Stern kollabiert; dabei steigen Druck und Temperatur im Inneren an, wodurch sich Leuchtkraft und Durchmesser erhöhen und in einer Serie von Kernfusionen Elemente bis hin zum Eisen entstehen - die kleineren Sterne reichern das Universum also ebenfalls mit chemischen Elementen, vom Kohlenstoff bis hin zum Eisen, an. Ist der Brennstoff verbraucht,  stößt der Stern seine verbleibende Wasserstoffhülle ab, das Zentrum kollabiert und wird zum “weißen Zwerg” - es sei denn, es kann Material von einem nahen Stern anziehen (wie in Doppelsternsystemen möglich). In diesem Fall kann es zu einer Supernova des Typs 1a kommen - durch das neue Material beginnt die Hülle meist explosionsartig wieder zu brennen: auch hier erscheint am Himmel ein neuer Stern. Am Ende fällt der Stern unter seiner Schwerkraft zusammen und explodiert ähnlich wie bei einer Wasserstoffbombe, seine Bestandteile werden ins Weltall zerstreut.

Ein erstaunliches Universum

Gas- und Staubwolken, Sterne und Planeten sind zwar die anschaulichsten, aber nicht die einzigen Bestandteile des Universums. Wenn sehr große Sterne in einer Supernova kollabieren, können sie ab einer bestimmten Masse so dicht werden, dass nicht einmal Licht ihrer Anziehungskraft entkommen kann: Ein „Schwarzes Loch“ ist entstanden. Solche Schwarzen Löcher kann man an ihrer Massenanziehungskraft erkennen; sie stehen auch in engen Zusammenhang mit den 1963 entdeckten Quasaren und den 1967 entdeckten Pulsaren. Quasare sind extrem helle, weit entfernte Himmelskörper – sie werden als junge Galaxien interpretiert, die kollabiert oder mit anderen Galaxien verschmolzen sind und in deren Zentrum ein Schwarzes Loch riesige Materiemengen anzieht. Bevor die Materie in das Schwarze Loch stürzt, bewegt sie sich auf einer Art Spiralbahn auf das Loch zu. Dabei wird sie extrem erhitzt – und an dieser Strahlungsenergie wurden die Quasare entdeckt. Quasare sind im jungen Universum mit dichterer Masse entstanden, heute findet man sie vor allem weit von der Erde entfernt - ein weiterer Beleg für die Urknall-Theorie. Pulsare sind das Überbleibsel einer Supernova eines kleineren Sterns, der als Neutronenstern endet: Durch die Verdichtung dreht er sich enorm schnell (wie ein Eistänzer, der die Arme anzieht, sich auch schneller dreht), und sein Magnetfeld gibt pulsierende Signale – daher der Name. Da die ersten Sterne groß genug waren, ein Schwarzes Loch zu bilden, findet sich heute vermutlich in den Zentren aller Galaxien (die ja dort entstanden, wo es schon in der Frühzeit des Universums genug Materie gab und sich daher die ersten Sterne bildeten) ein Schwarzes Loch; auch im Zentrum unserer Milchstraße. Entsprechend massenreiche, kompakte Objekte sind im Zentrum unserer Milchstraße und unser Nachbargalaxie, des Andromeda-Nebels, auch nachgewiesen; ein Schwarzes Loch gilt hierfür tatsächlich als die beste Erklärung. In beiden Galaxien gibt es rings um das vermutete Schwarze Loch jedoch eine Ansammlung junger Sterne, die man sich noch nicht richtig erklären kann - eigentlich sollte der Einfluss des Schwarzen Loches dort keine Staub- und Gaswolken vorkommen lassen.

Noch erstaunlicher sind aber andere Erkenntnisse: Die Schwerkraft der gesamten bekannten Materie im Universum reicht bei weitem nicht aus, um Galaxienhaufen zusammenzuhalten. Offenbar gibt es also noch unbekannte Materie: die oben schon erwähnte, sogenannte „Dunkle Materie“. Diese ist nicht sichtbar, daher ihr Name; aber auch die Dunkle Materie kann indirekt beobachtet werden: Sie führt dazu, dass die Rotationsgeschwindigkeit in Galaxien nicht wie nach den Keplerschen Gesetzen erwartet zum Rand der Galaxie hin abnimmt, sondern etwa gleich bleibt; sie krümmt die Raumzeit und verzerrt daher das Licht dahinterliegender Galaxien zu Bögen (“Gravitationslinseneffekt”), aus deren Größe sich auf die Masse der “Linse” schließen lässt. So konnte man berechnen, dass sie den weitaus größten Teil der gesamten Materie ausmacht. Wie die Dunkle Materie aufgebaut ist und aus welchen Elementarteilchen sie besteht, ist noch unbekannt; die Entdeckung geeigneter Kandidaten erhoffen sich die Physiker unter anderem vom europäischen Superbeschleuniger LHC (Large Hadron Collider) bei CERN (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire, die Europäische Organisation für Kernforschung) in Genf, der noch in diesem Jahr in vollen Betrieb geht.

Dazu kommt noch ein anderes Ergebnis: Messungen des WMAP-Satelliten legen nahe, dass die Ausdehnung des Universums sich beschleunigt. Eigentlich sollte die Gravitation die Ausdehnung verlangsamen; es scheint also eine Abstoßungskraft zu geben – auch diese ist völlig unbekannt und wird daher „Dunkle Energie“ genannt. Nach den WMAP-Daten besteht das Universum zu 74 Prozent aus Dunkler Energie, zu 22 Prozent aus Dunkler Materie und nur zu 4 Prozent aus gewöhnlicher Materie. Die Dunkle Energie hat noch einen interessanten Seitenaspekt: Mit ihr kommt Albert Einsteins „kosmologische Konstante“, die ja eine von ihm vermutete Abstoßungskraft repräsentieren sollte, wieder zu Ehren – seine „größte Eselei“ könnte doch noch ein großer Erfolg werden.

Weiter mit: >> Die Entstehung unseres Sonnensystems und der Erde

© Jürgen Paeger 2006 - 2010

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