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Geschichte des Universums

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Lerntext zum Thema Geschichte des Universums

Das Universum – Sternenstaub in unserer DNA

Der Blick in die Weiten des Universums und die Erforschung seiner Entstehung verbindet uns mit den Sternen und gibt Einblick in die faszinierende Geschichte von Raum, Zeit und Materie. Dieser Text gibt einen Einblick in die Grundlagen des Universums und seine beeindruckende Entwicklung, die eng mit der unseren verbunden ist. Letztendlich bestehen wir aus Sternenstaub.

Die Urknalltheorie

Die Urknalltheorie, eine zentrale Konzeption der Kosmologie, also der Wissenschaft von der Entwicklung und Struktur des Universums, beschreibt den Ursprung des Universums vor etwa $13,8$ Milliarden Jahren. Nach dieser Theorie begann das Universum als extrem heißes und dichtes Gebilde, das sich dann rapide ausdehnte. Dieser faszinierende Ursprung legte den Grundstein für die Entwicklungen, Strukturen und Phänomene, die wir heute im Universum beobachten können.

Die ersten Sekunden

In den ersten Sekunden nach dem Urknall bildeten sich bei extremen Temperaturen Materie und Antimaterie. Durch einen minimalen Überschuss an Materie – lediglich ein Milliardstel mehr – entstand die Grundlage für unser heutiges Universum. In den folgenden $15$ Minuten erlebte das Universum eine rasante Ausdehnung, die kosmische Inflation genannt wird. Dies führte zu einem homogenen und isotropen Universum. Zu diesem Zeitpunkt bestand das Universum hauptsächlich aus Quarks und Gluonen, die sich erst später zu Materie formten.

Was bedeutet homogen und isotrop?

Der Begriff homogen bedeutet, dass die Materie gleichmäßig im Raum verteilt war, ohne größere Unterschiede. Isotrop besagt, dass diese Gleichförmigkeit in alle Richtungen galt, ohne bevorzugte Orientierungen. Die kosmische Inflation führte so zu einem gleichmäßigen und ausgewogenen Universum.

Was ist Antimaterie?

Antimaterie ist eine besondere Form von Materie, sozusagen ihr Gegenteil, bei der die Teilchen entgegengesetzte Eigenschaften zu den normalen Teilchen aufweisen, wie etwa entgegengesetzte Ladungen. Wenn sich Teilchen und Antiteilchen treffen, löschen sie sich gegenseitig aus und werden zu reiner Energie.

Was sind Quarks und Gluonen?

Quarks sind Elementarteilchen, die die Bausteine von Protonen und Neutronen sind, aus denen die Atomkerne bestehen.

Gluonen sind winzige Teilchen in der Physik, die dafür verantwortlich sind, Quarks zusammenzuhalten, um Protonen, Neutronen und andere subatomare Teilchen zu bilden. Man kann sich Gluonen als Klebstoff vorstellen, der die Bausteine der Materie zusammenhält.

Die Entstehung der ersten Atome

In den ersten $300\,000$ Jahren kühlte das Universum schnell ab. Quarks und Gluonen kombinierten sich zu Protonen, Neutronen und Elektronen. Dieser Übergang kann noch heute in der sogenannten kosmischen Hintergrundstrahlung beobachtet werden. Anschließend konnten sich aus Protonen, Neutronen und Elektronen die ersten Atome des Universums bilden.

Das dunkle Zeitalter

In den nächsten $350$ Millionen Jahren kühlt das Universum immer weiter ab und es entstehen immer mehr Atome, vorwiegend Wasserstoff und Helium. Zu diesem Zeitpunkt haben sich noch nicht ausreichend viele Atome gebildet, damit Sterne entstehen können. Das Universum war größtenteils dunkel, was als das dunkle Zeitalter bekannt ist.

Die ersten Galaxien

Ungefähr $350$ Millionen Jahre nach dem Urknall bilden sich die ersten Sterne und Galaxien. Das Licht der Sterne und Galaxien erhellt das Universum und beendet das dunkle Zeitalter. In dieser Epoche, ca. $650$ Millionen Jahre nach dem Urknall, entsteht auch unsere Galaxie, die Milchstraße.

Unser Sonnensystem

In den nächsten Millionen Jahren expandiert das Universum weiter, kühlt ab und bildet viele weitere Galaxien, die sich weiterentwickeln. Erst $9,5$ Milliarden Jahre nach dem Urknall entsteht der uns nächste Stern, die Sonne. Damit beginnt auch die Entstehung unseres Sonnensystems aus den acht Planeten Merkur, Venus, Erde, Mars, Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun. Die mittlere Temperatur im Universum ist inzwischen auf ca. $2,7$ Kelvin gesunken und entspricht auch heute noch der mittleren Temperatur im Universum.

Überblick über die Urknalltheorie bis heute

Phase des Universums Zeit nach Urknall Beschreibung
Der Anfang des Universums einige Sekunden Ein geringer Überschuss an Materie gegenüber Antimaterie führt zur Entstehung des Universums.
Die Entstehung der ersten Atome die ersten $300\,000$ Jahre Quarks und Gluonen kombinierten sich zu Protonen, Neutronen und Elektronen.
Das dunkle Zeitalter die ersten $350$ Millionen Jahre Das Universum kühlt ab, es entsteht Wasserstoff und Helium.
Die ersten Galaxien nach $350$ Millionen Jahren Entstehung der ersten Galaxien
Die Milchstraße nach $650$ Millionen Jahren Es entsteht unsere Galaxie, die Milchstraße.
Unser Sonnensystem nach $9,5$ Milliarden Jahren Es entsteht unsere Sonne und damit auch unser Sonnensystem.
Das heutige Universum nach $13,8$ Milliarden Jahren Das Universum ist auf $2,7$ Kelvin abgekühlt und entspricht unserem heutigen Universum.

Die Entstehung von Sternen

Sterne entstehen aus großen Gaswolken im Universum. Durch die Schwerkraft werden diese Gaswolken dichter und heißer. Wenn die Temperatur und der Druck in ihrem Inneren ausreichend hoch werden, beginnt eine Kernfusion, bei der Wasserstoff zu Helium verschmilzt. Diese Fusion erzeugt enorme Energiemengen und lässt den Stern leuchten. So beginnt der Lebenszyklus eines Sterns. Am Ende ihres Lebens können sehr massereiche Sterne, die eine viel größere Masse haben als unsere Sonne, explodieren. Dabei verteilen die Sterne die Elemente, aus denen sie bestehen, im ganzen Universum – und sind damit die Grundlage für das Leben und die Menschen auf der Erde.

Wie wissen wir, was früher geschah?

Schaut man in den Himmel, sieht man nicht nur Sterne, sondern auch die Vergangenheit! Das liegt daran, dass das Licht Zeit braucht, um zu uns zu kommen. Zum Beispiel benötigt das Licht der Sonne etwa $8,3$ Minuten, bis es zu uns auf die Erde gelangt. Das bedeutet, dass die Sonne, die du oben siehst, eigentlich so aussieht, wie sie vor $8,3$ Minuten war. Du schaust also quasi in die Vergangenheit! Genauso ist es mit weit entfernten Galaxien. Wenn wir Galaxien betrachten, die über $13$ Milliarden Lichtjahre entfernt sind, sehen wir sie so, wie sie vor über $13$ Milliarden Jahren waren. Das Licht dieser Galaxien hat so lange gebraucht, um zu uns zu gelangen. Es ist, als ob wir einen Blick zurück in die Zeit werfen und sehen, wie das Universum vor langer, langer Zeit aussah. Das Beobachten des Himmels gibt uns also nicht nur einen Blick in den Raum, sondern auch einen Blick in die Vergangenheit!

Häufig gestellte Fragen zum Thema Geschichte des Universums

Was ist die starke Wechselwirkung?
Warum bestehen Menschen aus Sternenstaub?

Geschichte des Universums Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Lerntext 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.

  • 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.

  • 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.

  • 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.

  • 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.

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Geschichte des Universums
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