Hinweis: Dieser Artikel ist ein Beitrag zum ScienceBlogs Blog-Schreibwettbewerb 2015. Hinweise zum Ablauf des Bewerbs und wie ihr dabei Abstimmen könnt findet ihr hier. Informationen über die Autoren der Wettbewerbsbeiträge findet ihr jeweils am Ende der Artikel.
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In ihrem Buch „Die 5 Zeitalter des Universums [Eine Physik der Ewigkeit]“ aus dem Jahre 1999 beschreiben die beiden Physiker Fred Adams und Greg Laughlin die wahrscheinliche Zukunft des Universums. Damals war die Dunkle Energie gerade erst neu entdeckt und hatte es noch nicht in das Buch geschafft. Ich möchte im Folgenden versuchen, die zukünftige Entwicklung des Universums zu beschreiben, in Anlehnung an das Buch und angereichert mit aktuellem Wissen.
Im Folgenden werden häufig große oder kleine Zahlen in Exponentialschreibweise (10n) verwendet, wobei n die Zahl der Nullen angibt, die hinter einer 1 stehen müssten (oder bei negativem n davor), um die Zahl auszuschreiben, also etwa 103 für 1000, 10-3 für 0,001. Wann immer eine solche Zahl auftaucht, mache man sich klar, dass ein um 1 höherer Wert für n gleich das Zehnfache bedeutet. So ist 1032 nicht ein bisschen mehr als 1028, sondern das Zehntausendfache.
Das Zeitalter der Urmaterie
Das Universum begann vermutlich als winzige Quantenfluktuation der Raumzeit. Es platzte ein winziges Volumen von vielleicht einem Hundertbillionstel Durchmesser eines Protons eines sogenannten „falschen Vakuums“ in die Existenz, welches von einem Feld einer gewaltigen Energiedichte erfüllt war. Eine sehr hohe Energiedichte bewirkt nach der Allgemeinen Relativitätstheorie eine abstoßende Gravitation, die das falsche Vakuum inflationär wachsen ließ.
Alle 10-35 Sekunden verdoppelte sich der Durchmesser des jungen Weltalls, so dass die Enden eines Protondurchmessers von 1,7•10-15 m bereits mit dem halben Billionfachen der Lichtgeschwindigkeit auseinander strebten. Vielleicht dauerte das ganze nur 10-33 s oder 100 Verdopplungen, da war das Weltall schon um einen Faktor 1030 angewachsen. Die Inflation endete, als das falsche Vakuum in den Zustand niedrigerer Energiedichte des heutigen Vakuums fiel. Die überschüssige Vakuumenergie wurde als Strahlung frei und heizte den Raum auf bis zu 1028 K auf.
Aus dieser Energie entstanden in der sogenannten Baryogenese neben anderen Teilchen Quarks und Antiquarks (Baryonen sind Teilchen, die aus 3 Quarks bestehen, wie Protonen und Neutronen), aber aufgrund einer noch nicht verstandenen Asymmetrie kamen auf 100 Millionen Antiquarks 100 Millionen-und-ein Quark. Quarks und Antiquarks vernichteten sich dann wieder zu Strahlung, bis auf den winzigen Überhang der Quarks. Nach einer Millionstel Sekunde war deren Teilchendichte so hoch wie in einem Neutronenstern, die Temperatur auf 10 Billionen K gefallen und die Quarks verbanden sich mit ihresgleichen zu zusammengesetzten Teilchen wie Protonen und Neutronen.
Nach einer Sekunde war das Weltall auf 10 Milliarden K abgekühlt, 200.000-mal so dicht wie Wasser, und Protonen und Neutronen begannen zu leichten Atomkernen wie Deuterium, Helium und Lithium zu verschmelzen. Diese primordiale Nukleosynthese dauerte gerade einmal 3 Minuten, dann war die Temperatur und Dichte des Universums so weit abgesunken, dass keine Fusionen mehr statt fanden; heute finden wir noch genau das damals entstandene Verhältnis der Elemente und ihrer langlebigen Isotope in ursprünglichem Gas wieder.
Nun war das Weltall ziemlich gleichmäßig mit einem heißen Gas aus leichten Atomkernen, Elektronen, den bisher noch nicht identifizierten Teilchen der dunklen Materie, sowie sehr viel Strahlung (Photonen) erfüllt, die ständig vom Gas absorbiert und wieder ausgesendet wurden. Das Weltall war ein undurchdringlicher Feuerball, ein Plasma.
Nach 380.000 Jahren weiteren Wachstums war es auf rund 3000 K abgekühlt und die Kerne hatten die meisten Elektronen eingefangen, so dass das Gas transparent wurde und die Photonen erstmals freie Bahn bekamen. Wir können heute noch diese Photonen empfangen, ihre Wellenlänge ist mittlerweile durch die Expansion des Alls um den Faktor 1100 gewachsen und lässt sich mit Radioteleskopen als kosmischer Mikrowellen-Hintergrund nachweisen. Wir können den Feuerball also gewissermaßen heute noch sehen.
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