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Geschichte des Universums 10:32 min

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Transkript Geschichte des Universums

Hallo und herzlich Willkommen zu Physik mit Kalle. Wir beschäftigen uns heute, aus dem Bereich Astrophysik, mit der Geschichte des Universums. Für dieses Video solltet Ihr euch bereits ein wenig mit Atom- und Kernphysik auskennen. Das heißt Ihr solltet wissen was die starke Wechselwirkung ist und aus welchen Bauteilen Atome bestehen. Wir lernen heute: Wie man die Geschichte des Universums überhaupt erforschen kann. Was sich bei der Geburt des Universums, also beim Urknall, abgespielt hat. Und wie das Universum danach expandiert ist und sich langsam Sterne und Galaxien gebildet haben. Dann mal los. Unser Universum, so sagt die Urknalltheorie jedenfalls, ist im Urknall entstanden und expandiert seitdem. Aber wie findet man nun heraus, was genau wann passiert ist? Dazu verwendet man Zwei verschiedene Forschungsmethoden der Physik. Erstens beobachtet man den Himmel. Denn die Beobachtung, zum Beispiel weit entfernter Galaxien, ist natürlich gleichzeitig auch ein Blick in die Vergangenheit. Der Andromedanebel zum Beispiel, eine Galaxie, die man mit bloßem Auge am Himmel sehen kann, ist 2,5 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt. Das heißt das Licht ist 2,5 Millionen Jahre gereist, bis es bei uns war. Wenn wir diese Galaxie durch ein Teleskop betrachten, sehen wir also die Galaxie, wie sie vor zweieinhalb Millionen Jahren war. Je weiter entfernt die Galaxie ist, die man betrachtet, desto weiter sieht man auch in die Vergangenheit. Und so kann man versuchen einen Katalog zu erstellen, wann welche Art von Galaxis sich entwickeln konnte. Der zweite Forschungszweig, der hier von großem Nutzen ist, setzt auf der ganz anderen Seite der Skala an. Nämlich bei den ganz, ganz kleinen Teilchen. Die Teilchenphysik. Dort wird an riesigen Teilchenbeschleunigern, wie zum Beispiel am CERN in Genf, oder am DESY in Hamburg, festgestellt, welche Bedingungen nötig sind, um bestimmte Teilchen zu erzeugen. Dabei findet man Antworten auf Fragen wie: Welche Energien sind nötig, um ein Proton-Antiproton-Paar, oder ein Positron-Elektron-Paar zu erzeugen. Aus Ergebnissen dieser beiden Forschungszweige haben Theoretiker das sogenannte kosmologische Standardmodell entwickelt, das einen Ablauf des Urknalls beschreibt. Und wie der genau ausgesehen hat, das sehen wir uns nun im nächsten Kapitel an. Wir fangen mit unserem Ablauf natürlich beim Urknall an. Und da man ja von unserer jetzigen Zeit bis zum Urknall zurück rechnet, bitte nicht ärgern, aber wir fangen gleich mal an mit mehreren Fragezeichen. Denn, was in den ersten Momenten des Urknalls geschehen ist, das kann man nicht beschreiben. Das Erste was passiert und das wir auch erklären können, trägt sich bei 10-43 Sekunden und 1032 Kelvin zu. Jetzt nämlich, weniger als eine millionstel, millionstel, millionstel, millionstel, millionstel, millionstel Sekunde nach dem Urknall, setzt die Gravitation ein. Es bildet sich eine riesen Menge von Materie und Antimaterie. Allerdings, so vermutet man, ungefähr ein milliardstel mehr Materie, als Antimaterie. Dieses Milliardstel ist das, woraus heute das gesamte Universum besteht. Die gesamte Masse besteht zu diesem Zeitpunkt aus Quarks und Leptonen. Mehr dazu gleich. Und natürlich Anti-Quarks und Anti-Leptonen. Da die starke Wechselwirkung aber noch nicht wirkt, kann man die beiden noch nicht auseinanderhalten. Der nächste Schritt folgt ganze 10-35 Sekunden nach dem Urknall. Das Universum hat sich inzwischen auf 1027 Kelvin abgekühlt. Nun setzt die starke Wechselwirkung ein. Und aus Quarks bilden sich Hadronen. Und bevor Ihr nun mit diesen gesamten Teilchenfamilien völlig die Krise kriegt, drücken wir schnell den Pause Knopf und erklären wofür diese ganzen Begriffe nun stehen. Quarks nennt man eine der Drei Teilchenfamilien, aus denen alle Materie besteht. Man unterscheidet Sechs verschiedene Quarks und die dazugehörigen Anti-Quarks. Ihre Namen sind Up, Down, Strange, Charm, Top und Bottom. Ein Proton besteht zum Beispiel aus Zwei Up- und einem Down-Quark. Während ein Neutron aus nur einem Up-, dafür Zwei Down-Quarks besteht. Die zweite dieser Teilchenfamilien ist die der Leptonen. Zu den Leptonen gehören das Elektron, das Myon und das Tauon, sowie die Drei dazugehörigen Anti-Teilchen. Also das Positron, das Anti-Myon und das Anti-Tauon. Außerdem gehört noch zu jedem dieser Sechs ein sogenanntes Neutrino. Ein spezifisches, sehr leichtes, ungeladenes Teilchen. Hadronen nennt man nun Teilchen, die sich aus Quarks gebildet haben und der starken Wechselwirkung unterliegen. Man kann sie in mehrere Gruppen unterscheiden. Die Zwei wichtigsten sind die Mesonen, die aus Quark-Anti-Quark-Paaren bestehen. Und die Baryonen, die aus Drei Quarks bestehen, beziehungsweise die Anti-Baryonen, die aus Drei Anti-Quarks bestehen. Wichtigstes Beispiel und auch für uns jetzt interessant, Protonen und Neutronen sind Baryonen. Das heißt 10^-35 Sekunden nach dem Urknall, binden sich das erste Mal Protonen und Neutronen. Jetzt machen wir einen ein wenig größeren Sprung, auf eine millionstel Sekunde nach dem Urknall. Inzwischen ist unser Universums-Feuerball auf 1013 Kelvin abgekühlt. Bis jetzt war das Universum so heißt, dass sich Hadron-Anti-Hadron-Paare zerstrahlen konnten. Und aber auch ohne Probleme aus Strahlung wieder neu bilden könnten. Das hört nun auf. Nun zerstrahlen also alle noch übrigen Hadron-Anti-Hadron-Paare. Und übrig bleibt das oben angesprochene Milliardstel, dass mehr Materie als Antimaterie da ist. Man nennt den nun beginnenden Zeitabschnitt den Beginn der Leptonen Ära. Denn für die, ist für einen Paarbildungseffekt, noch genügend Energie vorhanden. Diese Ära dauert bis ganze Zehn Sekunden nach dem Urknall an. Dann hat das Universum eine Temperatur von 1010 Kelvin erreicht. Nun reicht die Energie nicht mal mehr, um neue Positron-Elektron-Paare zu erzeugen. Das heißt auch hier zerstrahlt alles, bis auf das Milliardstel Materieüberschuss. Das Einzige, was nur noch in großer Menge übrig ist, sind Photonen und Neutrinos. Man nennt diesen Zeitpunkt den Beginn der Strahlungsära. Diese endet, ungefähr 100 Sekunden nach dem Urknall, in der sogenannten Nukleosynthese. Das Universum hat nun eine Temperatur von 107 Kelvin. Und für eine kurze Zeit können sich aus Protonen und Neutronen, Deuterium-, Helium- und ein paar Lithium-Kerne bilden. Aufgrund der mit der Ausdehnung des Universums verbundenen Abkühlung, ist diese Phase schnell wieder vorbei. Aber nun ist die gesamte Materie, mit der das Universum seinen Anfang genommen hat, erschaffen. Ihr seht: Die Geburt des Universums war quasi in unter Zwei Minuten abgeschlossen. Wie ging es aber nun weiter? Das sehen wir uns im nächsten Kapitel an. Weiter geht es erst einmal mit einem gewaltigen Sprung. Wir haben also nun Materie, einen wabernden Plasmaball, aus leichten Kernen und Elektronen, der sich immer weiter ausdehnt. 300000 Jahre nach dem Urknall. Die Temperatur beträgt inzwischen 3000 Kelvin, passiert folgendes. Die thermische Energie ist kleiner als die Ionisierungsenergie leichter Atome. Das heißt zum ersten Mal können sich Atome bilden. Elektronen werden nun von den verschiedenen Kernen eingefangen. Und dadurch verlieren die Photonen ihre Streupartner. Das heißt das Universum wird nun durchsichtig. Hier entsteht die kosmische Hintergrundstrahlung. Mehr dazu findet Ihr im Video mit dem gleichen Titel. Das Universum dehnt sich nun weiter aus. Und 400 Millionen Jahre nach dem Urknall bilden sich endlich die ersten Sterne. Eine Milliarde Jahre nach dem Urknall ist der Beginn der sogenannten Quasarära. Das heißt es bilden sich eine ganze Menge aktive Galaxien. Es dauert allerdings noch eine ganze Weile, nämlich nochmal Fünf Milliarden Jahre, bis wir bei den normalen Galaxien angekommen sind. Und nun, nochmal Neun Milliarden Jahre später. Die Temperatur des Universums beträgt inzwischen 2,7 Kelvin, sind wir am heutigen Tag angekommen. Damit wir unsere Sonne noch schnell einordnen können, sie ist zirka 9,5 Milliarden Jahre nach dem Urknall entstanden. Wenn man sich nun überlegt, dass unser Universum begonnen hat mit Helium, Deuterium und Lithium und dass alle anderen schweren Elemente nur in Sternen und Supernovaexplosionen entstehen konnten, dann fällt einem auf: Wir haben auf der Erde nicht nur eine ziemlich hohe Konzentration an schweren Elementen, wir bestehen auch selber aus einer ganzen Menge schwerer Elemente, wie Kohlenstoff und Sauerstoff. Und das heißt wir alle bestehen aus Sternenstaub. Wir wollen nochmal wiederholen was wir heute gelernt haben. Aus Beobachtungen weitentfernter Objekt und Erkenntnissen aus der Teilchenphysik, hat sich das kosmologische Standardmodell entwickelt. Die gesamte Materie unseres Universums entstand in den ersten Zwei Minuten nach dem Urknall. Also Protonen, Neutronen, Elektronen und so weiter. Atome bildeten sich aber erst zirka 300000 Jahre danach. Bis zur Entwicklung von normalen Galaxien waren es sogar ganze Sechs Milliarden Jahre. Zum heutigen Zeitpunkt geht man davon aus, dass unser Universum ungefähr 15 Milliarden Jahre alt ist. Unsere Sonne ist dabei viereinhalb Milliarden Jahre alt. So, das war es schon wieder für heute. Ich hoffe ich konnte Euch helfen. Vielen Dank fürs Zuschauen. Vielleicht bis zum nächsten Mal. Euer Kalle.

4 Kommentare
  1. Ich bin Sternenstaub ;D

    Von Tahir9440, vor mehr als einem Jahr
  2. Kleine Korrektur: Mittlerweile hat man den Zeitpunkt des Urknalls exakter datiert. Danach ist unser Kosmos nicht 15 Mrd. Jahre, sondern ca. 13,8 Mrd. Jahre alt (+/- 100 Mio Jahre).

    Von Klaus H., vor fast 3 Jahren
  3. Wirklich sehr prima erklärt!! Obwohl ich das meiste noch nicht einmal gelernt habe, hab ich es sehr gut verstanden!! Danke für dieses tolle Video!!

    Von Avkcoc, vor mehr als 5 Jahren
  4. Sehr schön und kongresswürdig.
    Eine von vielen Fragen: Mehr als 10**(-43) kann man doch nicht näher an den Punkt Null, weil auch die Zeit gequantelt ist, oder?

    Danke und Gruß

    Andrè

    Von André Otto, vor fast 8 Jahren

Geschichte des Universums Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Geschichte des Universums kannst du es wiederholen und üben.

  • Gib einen zeitlichen Überblick über wichtige Ereignisse in der Geschichte des Universums.

    Tipps

    Die Zeitangaben beziehen sich alle auf den Urknall.

    Die Ereignisse bilden eine logische Reihenfolge.

    Lösung

    In den ersten zwei Minuten nach dem Urknall entstand die gesamte Materie, aus der das Universum heute besteht. Zu diesem Zeitpunkt gab es bereits einige leichte Elemente: Deuterium (ein Isotop des Wasserstoffs), das Edelgas Helium sowie Lithium-Kerne.

    300 000 Jahre nach dem Urknall können sich aufgrund geeigneter Rahmenbedingungen erstmals Atome bilden, indem die Atomkerne Elektronen für die Atomhülle einfangen.

    Die ersten Sterne entstehen dann jedoch erst nach 400 Millionen Jahren. Nach einer Milliarde Jahren beginnt die Quasarära: Kerne von Galaxien bilden sich, bestehend aus schwarzen Löchern und umgeben von Materie. Daraus entstehen nach sechs Milliarden Jahren die ersten normalen Galaxien wie unsere Milchstraße.

    Unsere Sonne ist vor 5,5 Milliarden Jahren entstanden, also 9,5 Milliarden Jahre nach dem Urknall. Heute ist das Universum etwa 15 Milliarden Jahre alt. Zu diesem Zeitpunkt wurdest du geboren.

  • Benenne die beiden gegensätzlichen Forschungsrichtungen der Physik, die zur Bildung des kosmologischen Standardmodells beigetragen haben.

    Tipps

    Die eine Forschungsrichtung beschäftigt sich mit großen und weit entfernten Objekten, die andere agiert in sehr kleinen Dimensionen.

    Das kosmologische Standardmodell dient zur Erklärung der Vorgänge bei der Entstehung und Entwicklung des Universums.

    Lösung

    Zur Erforschung der Geschichte des Universums dienen zwei sehr gegensätzliche Forschungsrichtungen der Physik.

    Die Astrophysik und Kosmologie beschäftigt sich mit der Beobachtung des Himmels. Je weiter ein Objekt von der Erde entfernt ist, desto weiter blickt man in die Vergangenheit, da sich auch das Licht nur mit einer begrenzten Geschwindigkeit ausbreitet. So ist es möglich, bei sehr weit entfernten Objekten frühere Stadien der Stern- und Galaxiebildung zu analysieren.

    Der zweite Forschungszweig ist die Teilchenphysik. Sie beschäftigt sich mit der Erforschung der kleinsten Teilchen und verwendet dafür riesige Teilchenbeschleuniger. Dort können die Teilchen erzeugt und untersucht werden. Ergebnisse dieser Forschungen ermöglichen die Aussage, welche Teilchen sich unter welchen Bedingungen bilden und ineinander umwandeln, also zu welchen Zeiten der Entstehung und Entwicklung des Universums existiert haben können.

  • Beschreibe den Ablauf des Urknalls.

    Tipps

    Die Gravitation setzt vor der starken Wechselwirkung ein.

    Hadronen entstehen nur unter starker Wechselwirkung.

    Zu den Leptonen gehören Elektronen und Positronen.

    Lösung

    Die Ereignisse in den ersten Momenten des Urknalls kann man nicht beschreiben.

    Das erste beschreibbare Ereignis ist das Einsetzen der Gravitation. Materie und Antimaterie bilden sich, wobei vermutlich etwas mehr Materie entsteht. Aus diesem Überschuss bildet sich später alles, woraus heute das Universum besteht. Zu diesem Zeitpunkt gibt es nur die Teilchentypen Quarks und Leptonen.

    Anschließend setzt die starke Wechselwirkung ein. Quarks bilden nun so genannte Hadronen. In dieser Zeit entstehen also unter anderem Protonen und Neutronen, die Kernbausteine.

    Nun beginnt die Leptonenära: Alle Hadron-Antihadronpaare zerstrahlen und es bleibt nur der Teil der Materie übrig, der zu Beginn des Urknalls überschüssig war.

    Etwa zehn Sekunden nach dem Urknall bleiben nur noch Photonen und Neutrinos übrig. Die Leptonen (Positron-Elektronpaare) zerstrahlen ebenfalls. Deshalb nennt man diese Phase auch Strahlungsära.

    Rund 100 Sekunden nach dem Urknall beginnt die Nukleosynthese: Aus den Hadronen Protonen und Neutronen bilden sich in einer kurzen Zeitspanne Deuterium, Helium und Lithium-Kerne, also sehr leichte Elemente. Die gesamte Materie des Universums ist somit in einem sehr kurzen Zeitabschnitt entstanden.

  • Erkläre, weshalb die Kosmologie einen Blick in die Vergangenheit ermöglicht.

    Tipps

    Welche Signalform durchquert das Vakuum des Weltalls?

    Tritt diese mit einer Zeitverzögerung auf oder nicht?

    Lösung

    Schall kann sich im Vakuum nicht ausbreiten, Lichtsignale hingegen schon. Würde sich Licht mit unendlicher Geschwindigkeit ausbreiten, könnten wir nicht in die Vergangenheit blicken. Alle Beobachtungen am Sternenhimmel würden den momentanen Zustand der Objekte zweigen. Da sich Licht jedoch mit einer hohen, aber endlichen Geschwindigkeit von rund 300 000 Kilometern pro Sekunde im Vakuum ausbreitet, sehen wir die Objekte mit einer Zeitverzögerung.

    Der andere Forschungszweig ist die Teilchenphysik. Sie beschäftigt sich mit der Erforschung der kleinsten Teilchen und verwendet dafür riesige Teilchenbeschleuniger. Dort können die Teilchen erzeugt und untersucht werden. Ergebnisse dieser Forschungen ermöglichen die Aussage, welche Teilchen sich unter welchen Bedingungen bilden und ineinander umwandeln, also zu welchen Zeiten der Entstehung und Entwicklung des Universums existiert haben können.

  • Charakterisiere die Teilchenfamilien sowie ihren Anteil an der Bildung von Atomen.

    Tipps

    Antiteilchen werden durch einen Querstrich über dem Symbol gekennzeichnet.

    Aus welchen Teilchen besteht der Atomkern, aus welchen die Atomhülle nach Bohr?

    Welche Teilchen bilden die Kernteilchen?

    Lösung

    Quarks gibt es in insgesamt sechs verschiedenen Formen mit dem jeweilige Antiteilchen dazu: $u/\bar{u},~d/\bar{d},~s/\bar{s},~c/\bar{c},~t/\bar{t},~b/\bar{b}$. Sie sind die Grundbausteine für die Hadronen und somit auch für die Kernteilchen Proton und Neutron.

    Die Gruppe der Leptonen besteht aus den Teilchen Antiteilchen-Paaren Elektron/Positron $e/~\bar{e}$, Myion/Antimyion $\mu/~\bar{\mu}$ und Tauon/Antitauon $\tau/~\bar{\tau}$. Außerdem gibt es zu jedem dieser Teilchen nochmal ein spezifisches Neutrino. Die Atomhülle wird von Elektronen gebildet, also sind die Leptonen die Teilchenfamilie, die an der Bildung der Atomhülle beteiligt ist.

    Hadronen sind die Teilchen, die sich aus Quarks zusammensetzen. Mesonen bestehen aus Quark-Antiquark-Paaren und Baryonen aus drei Quarks oder die Antibaryonen aus drei Antiquarks. Protonen und Neutronen gehören zu den Baryonen: Ein Proton setzt sich aus zwei u- und einem d-Quark zusammen, ein Neutron besteht aus einem u- und zwei d- Quarks. Hadronen bilden somit den Atomkern.

  • Beurteile die folgenden Aussagen zur Geschichte des Universums.

    Tipps

    Führe dir den Ablauf des Urknalls noch einmal vor Augen.

    Eisen gehört zu den schweren Elementen.

    Lösung

    Seit dem Urknall expandiert das Universum. Bereits während des Urknalls breitete sich das Universum aus und verringerte dadurch beständig seine Temperatur.

    Dass es heute überhaupt Materie im Universum gibt, liegt an dem leichten Materieüberschuss, der während des Urknalls vermutlich vorlag. Sonst wäre alle Materie durch die Zerstrahlung mit der gleichen Menge an Antimaterie verschwunden.

    Die kosmische Hintergrundstrahlung, die man heute messen kann, liegt bei knapp drei Kelvin. Also nur drei Grad oberhalb des totalen Nullpunktes. Sie ist ein Relikt des Urknalls und bestätigt damit die Urknalltheorie nach dem kosmologischen Standardmodell.

    Alle schweren Elemente, die heute im Universum vorkommen, sind nach dem Urknall entstanden. Also entweder in aktiven Sternen oder bei dem Sterben von Sternen (Supernova). Darum ist auch das Eisen in unseren Blutkörperchen das Relikt von einem erloschenen Stern.