Urknalltheorie in der Übersicht. Bild: Pixabay, gemeinfrei.

Zum Abschluss Urknallreihe hier noch ein Übersichtsartikel, der alle Folgen zusammenfasst und auf sie verlinkt.

 

Rotverschiebung

Im ersten Teil habe ich erläutert, was die Urknalltheorie eigentlich im Kern ausmacht und was nicht: ein heißer, kompakter Anfang und nachfolgende Expansion des Universums, wobei der exakte Ursprung, die ersten Bruchteile der ersten Sekunde oder die genaue Zusammensetzung aus Dunkler Energie, Dunkler Materie und baryonischer Materie nur konkrete Ausgestaltungen sind, von denen es viele gibt. Den Urknall schließen wir zunächst daraus, dass sich alle Galaxien rund um uns herum von uns zu entfernen scheinen, wie man an der Rotverschiebung ihrer Spektrallinien erkennt, und zwar symmetrisch in jeder Richtung (bis auf eine kleine Pekuliarbewegung von Erde, Sonne und Milchstraße). Da es nicht besonders wahrscheinlich ist, dass ausgerechnet wir der Mittelpunkt des Universums sind, geht man davon aus, dass das überall sonst genau so aussieht und somit der Raum selbst expandiert. Dass es sich bei der Rotverschiebung nicht um einen Dopplereffekt handelt, dafür spricht die Symmetrie, gegen eine gravitative Rotverschiebung spricht die Allgemeine Relativitätstheorie und gegen andere Effekte wie eine hypothetische Lichtermüdung spricht die Zeitdilatation, die wir bei Supernovae-Lichtkurven und Gammastrahlenschauern beobachten.

 

Hintergrundstrahlung

Im zweiten Teil ging es um die kosmische Hintergrundstrahlung, eine Vorhersage der Urknalltheorie: wenn man nur weit genug in die Ferne und damit in die Vergangenheit schaut, wird man irgendwann den Feuerball des heißen Plasmas sehen, der das Universum erfüllte, als es noch jung und dicht war. Ein thermisches Plasma ist ein Gas, das so heiß ist, dass die Elektronen bei Kollisionen von den Kernteilchen losgeschlagen werden. Die freien Elektronen sorgen dafür, dass Licht im Plasma in alle Richtungen gestreut wird, daher ist es undurchsichtig, wie die Oberfläche der Sonne, die auch ein thermisches Plasma ist. Als das Weltall unter 3000 K abkühlte, wurden die Elektronen wieder eingefangen (Rekombination) und das leuchtende, undurchsichtige Plasma zu gewöhnlichem, transparentem Gas. Da das überall bei derselben Temperatur passierte, sieht man in jeder Himmelsrichtung Strahlung der gleichen Frequenz von der letzten strahlenden Oberfläche des Plasmas – aber um den Faktor 1080 auf 2,73 K rotverschoben und damit nur von Radioteleskopen aufspürbar. Penzias und Wilson entdeckten das Signal zufällig bei Funkexperimenten und legten somit den ersten klaren Beweis für den Urknall vor.

 

Baryonische Akustische Oszillationen

Der dritte Teil dreht sich um die Feinstruktur der kosmischen Hintergrundstrahlung. Die kosmische Hintergrundstrahlung ist extrem gleichförmig, aber im Hunderttausendstel-Kelvin-Bereich findet man doch Strukturen, die von Druckwellen herrühren, die das Plasma durchlaufen haben. Eine Wechselwirkung von Strahlung mit Elektronen bzw. von diesen mitgezogenen Kernteilchen an Orten mit zufällig leicht erhöhter Dichte und Temperatur sorgte dafür, dass die Baryonische Materie durch die Strahlung von dort weggeschoben wurde, sich verdünnte und schließlich von der nicht verschobenen Dunklen Materie wieder angezogen und verdichtet wurde. So begann das Plasma wie unter Schallwellen zu schwingen: Baryonische Akustische Oszillationen (BAOs). Diese akustischen Dichtewellen breiteten sich von Licht angetrieben mit halber Lichtgeschwindigkeit aus, bis das Plasma rekombinierte und sich von der Strahlung entkoppelte. Die bis dahin gebildeten Verdichtungen wurden an Ort und Stelle eingefroren bzw. breiteten sich von nun an nur noch durch die Raumexpansion aus. Aus der Position und Höhe der einzelnen Spitzen im räumlichen Spektrum der Verdichtungen kann man Rückschlüsse auf die Anteile an sichtbarer und Dunkler Materie und die Hubble-Konstante der Raumexpansion schließen. Da die Dichte in den Wellenbergen ein wenig höher war als im umgebenden Gas zog es dieses dorthin und so wurden die Grundstrukturen des kosmischen Netzes angelegt. Im heutigen Universum findet man die gleichen Muster in der Verteilung der Galaxien wieder – um den Faktor 1080 vergrößert!

 

Der Ursprung der Elemente

Teil 4 handelt vom Ursprung der Elemente. Beim Urknall entstanden praktisch nur Wasserstoff und Helium; die schwereren “Metalle” wurden hauptsächlich durch die Sterne gebildet. Schaut man sich die Sterne an, so beobachtet man, dass zunehmend ältere Sterne immer weniger Metalle enthalten – man teilt sie nach ihrem Metallgehalt, der dem des Gases entspricht, aus dem sie einst entstanden sind, in eine metallreiche Population I (zu der auch die Sonne gehört) und eine metallarme Population II ein. Die allerersten Metalle wurden wahrscheinlich von einer vergangenen Population III von Riesensternen gebildet, die nur sehr kurz, aber heftig lebte und den Grundstock für die nachfolgenden Sterngenerationen legte.

Das Element Lithium entsteht hingegen nicht in Sternen, sondern wurde bereits in den ersten Minuten nach dem Urknall während der primordialen Nukleosynthese (Big Bang Nukleosynthesis, BBN) gebildet. Die wohlbekannte Physik der Kernfusion verrät uns somit etwas über Druck, Temperatur und Baryonenhäufigkeit im primordialen Gas und daher wissen wir, dass ein Großteil der Materie nicht an der Fusion teilnahm und somit nicht baryonisch sein kann, also nicht aus Protonen und Neutronen bestehen kann. Wenn man die entsprechenden Dichten von Materie, Photonen und Dunkler Materie einsetzt, die aus der kosmischen Hintergrundstrahlung folgen, dann erhält man eine Vorhersage für die relativen Häufigkeiten der verschiedenen Elemente, die bei der primordialen Nukleosynthese entstanden – und kommt nicht zufällig genau auf die Werte, den man in altem, unverändertem Gas vorfindet.

 

Das Alter der Sterne

Teil 5 zeigte einen Weg auf, wie man die Urknalltheorie leicht widerlegen könnte: in einem ewigen Universum sollte man sehr alte Sterne finden, denn einige können Billionen Jahre alt werden. Eine Untersuchung des Alters der Kugelsternhaufen unserer Milchstraße zeigt, dass diese rund 13,4 Milliarden Jahre alt sein müssen – dies erkennt man an ihrem Turn-off-Punkt im Hertzsprung-Russell-Diagramm. Mehr noch: das Element Beryllium wird zum größten Teil aus von kosmischer Strahlung zertrümmerten schwereren Kernen gebildet. Aus dem Berylliumgehalt des Gases, aus dem die Sterne in den Kugelsternhaufen der Milchstraße entstanden sind, kann man somit dessen Alter seit der Entstehung jener ersten Population-III-Sterne der Milchstraße erschließen, die mit ihren heftigen Supernovae die kosmische Strahlung hervorgebracht haben, die das Beryllium schuf. Demnach ist die Milchstraße selbst 13,6 Milliarden Jahre alt, was gut zum aus der Expansion des Universums folgenden Weltalter von 13,8 Milliarden Jahren passt. Aber ist die Milchstraße vielleicht ein Sonderfall und andere Galaxien sind viel älter? Nein, denn betrachtet man ferne Galaxien und schätzt ihr Alter aus der Farbe ihrer Sterne ab, die bei jungen Galaxien von blauweißen O- und B-Sternen bestimmt wird, dann sieht man nirgends Galaxien, die älter als das Urknall-Universum sind. Die Widerlegung der Urknalltheorie über das Alter des Sterne misslingt.

 

Die Entwicklung der Galaxien

Teil 6 behandelt die Entwicklung der Galaxien. Nicht nur die Sterne haben sich verändert, auch die Galaxien. Junge Galaxien wurden von ihren zentralen supermassereichen Schwarzen Löchern dominiert, in die Unmengen an Materie floss. Das machte ihre Akkretionsscheiben so hell, dass sie die Galaxie um das hundertfache und mehr an Leuchtkraft übertrafen. Von der Erde aus gesehen erscheinen diese fernen Galaxien daher als punktförmige Lichtquellen, denn die Galaxien selbst werden überstrahlt. Sie verraten sich jedoch durch ihre Radiostrahlung und wurden daher quasistellare Radioquellen (Quasare) genannt. Quasare gibt es nur im fernen Universum und mit der Entfernung steigt ihre Zahl rapide an. Ihre Hoch-Zeit war 2 Milliarden Jahre nach dem Urknall. Dass sie im heutigen Universum fehlen zeigt, dass sich die Galaxienpopulation weiterentwickelt hat und heute praktisch keine neuen Galaxien mehr entstehen.  Heutige Galaxien sind auch größer und erleiden weniger Kollisionen als im frühen Universum. Die Kollisionen haben die Galaxien durcheinander gewirbelt und aufgebläht, und da die Abstände im Weltall gewachsen sind, geschehen heute viel weniger Kollisionen als im frühen Universum. Das Universum ist in keinem steten Zustand, sondern befindet sich in steter Entwicklung, wie von der Urknalltheorie vorhergesagt.

 

Die verzerrte Geometrie des expandierenden Universums

Die skurrilsten Effekte der expandierenden Raumzeit sind in Teil 7 beschrieben: Dadurch, dass uns sehr ferne Objekte viel näher waren, als sie das Licht aussandten, das uns heute erreicht, sehen wir sie entsprechend größer und näher, als sie es eigentlich sind. Das führt zunächst dazu, dass sie in absoluten Durchmessern (ermittelt aus Sehwinkel und Entfernung) vergrößert erscheinen, und jenseits einer Rotverschiebung von ca. 2 beginnen sie sogar im Sehwinkel zu wachsen. Das junge Universum präsentiert sich uns wie unter einer Lupe, insbesondere die Strukturen in der kosmischen Hintergrundstrahlung. Es ist jedoch viel schwerer, diesen Effekt bei Galaxien nachzuweisen, da sie sich stark verändert haben. Dank Very Long Baseline Interferometrie von Radioteleskopen können wir den Effekt jedoch an den Kernen aktiver Galaxien nachweisen, denn diese können als Standardlineale verwendet werden. Auch über Quellenzählungen kann man feststellen, dass das frühe Universum vergrößert erscheint – man zählt hier die Galaxien in einem gewissen Volumen, das im frühen Universum durch den Lupeneffekt entsprechend ausgedünnt erscheint – wenn man die Helligkeitsentwicklung der Galaxien richtig modelliert, kann man auf diese Weise sogar die Dunkle Energie nachweisen.

Der ultimative Test der Urknalltheorie ist aber der Tolman-Flächenhelligkeitstest für Galaxien, der besagt, dass in einem expandierenden Universum die Flächenhelligkeit von vergleichbaren Galaxien mit der 4. Potenz der Rotverschiebung fallen müsste, während sie in einem Universum mit nicht-kosmologischer Rotverschiebung nur linear mit der Rotverschiebung fallen sollte. Der Test ist schwierig, aber Anfang der 2000er Jahre gelungen, wenn auch aufgrund der Galaxienentwicklung nicht ganz die 4. Potenz heraus kam – jedenfalls fällt die Helligkeit deutlich schneller als linear mit der Rotverschiebung.

 

Fazit

Somit gibt es eine ganze Reihe eindeutiger, quantitativer Belege für die Urknalltheorie, die sich gegenseitig stützen. Auch wenn es, wie eigentlich seit der ersten Veröffentlichung der Urknalltheorie, immer noch einige nicht erklärte Beobachtungen gibt, wie dereinst das unmöglich junge Alter des Universums, die unbekannten Zutaten von Dunkler Materie und Dunkler Energie und jüngst die widersprüchlichen Werte für die Hubble-Konstante, je nachdem, ob man sie an der Entfernung benachbarter Galaxien oder an der Hintergrundstrahlung misst, so kann damit nicht das Modell der Urknalltheorie insgesamt entkräftet werden. Es handelt sich vielmehr um damals oder heute noch ungelöste Feinheiten in der Ausgestaltung der Urknalltheorie, denn offenbar kennen wir noch nicht alle Naturgesetze, die hier eine Rolle spielen. Aber das grobe Bild muss stimmen, denn alle Teile passen wie ein Puzzle zusammen, und keine alternative Theorie hat annähernd die Erklärungsmacht der Urknalltheorie. Wir können daher mit großer Zuversicht davon ausgehen, dass es den Urknall wirklich gab.

Kommentare (19)

  1. #1 Karl Mistelberger
    mistelberger.net
    27. März 2019

    > seit der ersten Veröffentlichung der Urknalltheorie

    Siehe: https://scilogs.spektrum.de/das-zauberwort/gab-es-den-urknall/#comment-3188

    Der Artikel von Heinrich Päs wurde sehr ausführlich kommentiert.

  2. #2 Spritkopf
    27. März 2019

    Zum Abschluss Urknallreihe hier noch ein Übersichtsartikel, der alle Folgen zusammenfasst und auf sie verlinkt.

    Übersichtsartikel sind ja nun keine neue Idee, aber die Länge dieses Artikels bzw. deiner Zusammenfassungen der vorangegangenen Teile finde ich wirklich gelungen.

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  3. #3 Spritkopf
    27. März 2019

    @Karl Mistelberger

    Der Artikel von Heinrich Päs wurde sehr ausführlich kommentiert.

    Aber nicht mehr ganz so ausführlich, wenn du die Kommentare von Crackpots wie Lopez abziehst.

  4. #4 Alderamin
    27. März 2019

    @Spritkopf

    Jetzt muss ich nur noch Backlinks von den einzelnen Artikeln auf diesen hier setzen, dann kommt man überall hin. Heute Abend…

  5. #5 Alderamin
    27. März 2019

    @Karl Mistelberger

    Der Päs-Artikel beschäftigt sich aber auch mit den skurrilsten Gedankengängen um die Urknalltheorie herum, z.B. Zeitschleifen. Ich habe hier ja wohweislich nicht einmal die Inflation angesprochen, sondern mich auf die Dinge beschränkt, die messtechnisch schon belegt sind.

    Ich denke, dadurch dass in den Medien meistens über die kontroversen Punkte berichtet wird (klar, da ist ja gerade die Action) bekommen unbedarfte Leser möglicherweise den Eindruck, dass die ganze Theorie wackelig sei und z.B. davon abhinge, ob nun Dunkle Materie oder modfizierte Gravitation die Bewegung der Galaxien kontrollierten, was mit dem ΛCDM-Modell, aber nicht mit dem Urknall an sich zu tun hat. Daher hier nur die langweiligen Sachen, die weitgehend unumstritten sind. Wobei zufällig (?) die Messwerte herauskommen, die ΛCDM stützen. Alternative Urknall-Theorien sind eingeladen, sie zu reproduzieren.

  6. #6 till
    27. März 2019

    @Alderamin:

    Daher hier nur die langweiligen Sachen, die weitgehend unumstritten sind.

    Also ich fand die Artikel alles andere als langweilig! Im Gegenteil das ist eine tolle Artikelserie! Ich habe jeden einzelnen Artikel mit Begeisterung verschlungen. So gut verständlich und übersichtlich zusammengefasst habe ich diese Belege für den Urknall nämlich noch nicht gelesen.

  7. #7 KarlKaefer
    27. März 2019

    Vielen Dank für die Zusammenfassung, da ich bei einigen Artikeln mental überfordert war, fand ich die Zusammenfassung sehr viel leichter verständlich und auch für kleinere Geister verdaulich.
    Ich freu mich immer wieder sehr an deinen Kommentaren und natürlich auch an den Artikeln.

  8. #8 Alderamin
    27. März 2019

    @till, KarlKaefer

    Danke! Freut mich, dass die Artikel Euch gefallen haben. 🙂

  9. #9 Dr. Webbaer
    28. März 2019

    Gibt es im Metaphysischen noch etwas besonders anzumerken i.p. sog. Anfangssingularität ?`:

    -> https://de.wikipedia.org/wiki/Singularität_(Astronomie)

    MFG
    Dr. Webbaer

  10. #10 Alderamin
    28. März 2019

    @Dr. Webbaer

    Die Singularität ist ein Problem der Allgemeinen Relativitätstheorie, das noch nicht gelöst ist, ändert aber nichts am Gesamtbild der Urknalltheorie.

    Das ekpyrotische Universum hat keine Singularität, und im Rahmen der Schleifen-Quantengravitation oder der Stringtheorie tritt auch keine auf.

    Hier ist einfach noch Arbeit zu leisten. Deswegen sage ich ja, dass noch nicht klar ist, was in den ersten Bruchteilen der ersten Sekunde des Universums genau passiert ist. Aber was seit der Genese der Baryonen passierte, das ist gut erforscht.

  11. #11 anders
    28. März 2019

    Ich möchte mich auch für diese schöne Serie bedanken. Wie immer von Dir sehr gut aufbereitet und auch für mich einigermassen nachvollziehbar.

    Beizeiten noch ein Artikel zu 5G wäre auch nicht schlecht, finde deine Mobilfunk-Geschichte teilweise sehr erhellend.

  12. #12 Karl Mistelberger
    mistelberger.net
    29. März 2019

    Spektrum der Wissenschaft bietet hier einen fünfseitigen Artikel zum kostenlosen Download an:

    Das Alter der Welt von Erik Høg

    “Von jeher haben sich die Menschen gefragt, wie die Welt entstanden ist. Antworten fanden sie zunächst in Mythen und in den Schöpfungsgeschichten der verschiedenen Religionen. Weniger fantasiereich, aber ebenso faszinierend sind die Erklärungen, die auf wissenschaftlichen Untersuchungen beruhen.”

    Høg taucht in den deutschen Medien nur selten auf:

    At the age of 85-year old, Erik Høg is planning a satellite to be launched in 20 years

    ASTROMETRY OF THE FUTURE:

    Erik Høg, who celebrated his 85th birthday earlier this year, has just had his fourth major astrometry project approved, a project that he started in 2013 and one that ESA is now joining. A satellite that will be launched in 20 years.

  13. #13 Lallajunge
    Berlin
    5. Mai 2019

    Wer an den Urknall glaubt, kann auch an den Weihnachtsmann oder den Osterhasen glauben, aber Glauben ist nichts Schlimmes, gibt es schon immer und ewig.

  14. #14 Alderamin
    5. Mai 2019

    @Lallajunge

    Nee, nee, nee, so einfach nicht. Ganz konkret, wie war’s denn wirklich? Und dann schauen wir uns mal an, ob die Messdaten das hergeben. Hier wird nichts geglaubt, hier wird mit Belegen gearbeitet. Auf geht’s.

  15. #15 Captain E.
    6. Mai 2019

    @Lallajunge:

    Das ist aber genau umgekehrt gelaufen. Alle Welt, Physiker inklusive, hat an das statische Universum geglaubt. Dan kamen aber Menschen wie Eddington, Hubble oder Lemaítre und haben etwas beobachtet, was dazu überhaupt nicht passen konnte. Auch Einstein war lange Zeit ein “Gläubiger” des “Steady-State Universums”. Aber als er dann mit seinen eigenen Relativitätstheorien Kosmologie betreiben wollte, musste er so eine blöde “kosmologische Konstante” einführen, damit so etwas herauskommen konnte, und er hoffte, diese irgendwann auch noch wegfallen lassen zu können. Ein Astronom schrieb ihm später, dass die kosmologische Konstante die Schönheit der Formel störe, und soweit ich mich erinnern kann, bewies er dann noch, dass die RTs keineswegs ein statisches Universum zugrunde legten. Noch später kam ein anderer Astronom auf den Trichter, dass die RTs so ein statisches Universum sogar ausschließen.

    Mit anderen Worten: Die Menschen haben zu gewissen Zeiten an den Weihnachtsmann, den Osterhasen oder das statische Universum geglaubt. Heute ist es dagegen ziemlich klar, dass der Glaube an das statische Universum ein Irrglaube gewesen ist.

  16. #16 Deus
    12. Mai 2019

    >Da es nicht besonders wahrscheinlich ist, dass ausgerechnet wir der Mittelpunkt des Universums sind…

    Ist das eigentlich nur unwahrscheinlich oder tatsächlich beweisbar?

  17. #17 Deus
    12. Mai 2019

    Sorry, meinte mit ‘wir’ natürlich nicht die Erde oder unser Sonnensystem, sondern unsere Galaxie.

  18. #18 Alderamin
    12. Mai 2019

    @Deus

    Beweisen kann man das nicht. Generell gibt’s in der Naturwissenschaft keine Beweise, nur Belege – ein Beweis lässt keine Alternative zu, aber naturwissenschaftlich Modelle sind immer Abstraktionen, die ihre Grenzen haben und an der Realität getestet werden müssen.

    Ich habe in der Serie ja erklärt, warum man davon ausgeht, dass die Rotverschiebung durch die Expansion von Raum zustande kommt – ansonsten hätte man Schwierigkeiten zu erklären, warum die Hintergrundstrahlung von allen Seiten kommt. Unsere Galaxie befindet sich an keinem Ort, der irgendwie anders geartet ist als der Rest des beobachtbaren Universums, daher gibt es keinen Grund anzunehmen, dass wir uns hier in der Mitte irgendeiner Expansion in den Raum befinden. Wenn der Raum so expandiert, wie unser Modell es beschreibt, dann gibt es nirgendwo eine solche Mitte, so wie die Erdoberfläche keinen Mittelpunkt hat. Das Modell passt zu allen unseren Beobachtungen. Aber ein mathematischer, zwingender Beweis ist das nicht, den kann die Physik nicht leisten.

  19. #19 Alderamin
    12. Mai 2019

    @Deus

    Als Ergänzung zu

    ansonsten hätte man Schwierigkeiten zu erklären, warum die Hintergrundstrahlung von allen Seiten kommt.

    Alternative Modelle, denen gemäß die Hintergrundstrahlung irgendeine andere Quelle haben könnte, stehen im Widerspruch dazu, dass diese eine perfekte Schwarzkörper-Strahlungskurve hat – die ergibt sich aber nur, wenn sie überall komplett aus derselben Entfernung stammt. Käme sie von einem Gas, das den Raum in der Tiefe erfüllt, dann hätte sie bei verschiedenen Rotverschiebungen verschiedene Maxima, die sich alle überlagern würden und es käme eine ganz andere Kurve heraus.

    Und dann gibt es noch die Nachweise der verzerrten Geometrie in der Ferne. Das alles zusammen genommen lässt sich anders als durch einen expandierenden Raum kaum erklären – und dann gibt es auch keinen Grund anzunehmen, dass wir uns im Mittelpunkt einer Explosion befinden sollten.