Am Anfang expandierte das Universum sehr, sehr schnell.
(Bild: © Flickr / Jamie, CC BY-SA)
Paul Sutter ist Astrophysiker an der Ohio State University und Chefwissenschaftler am COSI Science Center. Sutter ist auch Gastgeber von Ask a Spaceman und Space Radio und führt AstroTours auf der ganzen Welt. Sutter hat diesen Artikel zu Space.coms Expert Voices: Op-Ed & Insights beigetragen.
Vor 13,8 Milliarden Jahren hatte unser gesamtes beobachtbares Universum die Größe eines Pfirsichs und eine Temperatur von über einer Billion Grad.
Das ist eine ziemlich einfache, aber sehr kühne Aussage, und es ist keine Aussage, die leicht oder leicht gemacht wird. Noch vor hundert Jahren hätte es geradezu absurd geklungen, aber hier sagen wir, es sei keine große Sache. Aber wie bei allem in der Wissenschaft werden einfache Aussagen wie diese aus Bergen mehrerer unabhängiger Beweislinien aufgebaut, die alle auf dieselbe Schlussfolgerung hinweisen - in diesem Fall auf den Urknall, unser Modell der Geschichte unseres Universums. [Das Universum: Urknall bis jetzt in 10 einfachen Schritten]
Aber wie sie sagen, nimm mein Wort nicht dafür. Hier sind fünf Beweise für den Urknall:
# 1: Der Nachthimmel ist dunkel
Stellen Sie sich für einen Moment vor, wir lebten in einem vollkommen unendlichen Universum, sowohl zeitlich als auch räumlich. Die glitzernden Ansammlungen von Sternen gehen für immer in alle Richtungen weiter, und das Universum war einfach immer und wird es immer sein. Das würde bedeuten, dass Sie, wo immer Sie in den Himmel schauen - wählen Sie einfach eine zufällige Richtung und starren - irgendwo da draußen in einiger Entfernung einen Stern finden müssen. Das ist das unvermeidliche Ergebnis eines unendlichen Universums.
Und wenn dasselbe Universum schon immer existiert hat, dann hat der Stern, der mit einer relativ schleppenden Geschwindigkeit von c durch den Kosmos kriecht, genügend Zeit, um Ihre Augäpfel zu erreichen. Selbst das Vorhandensein von dazwischenliegendem Staub würde das akkumulierte Licht einer Unendlichkeit von Sternen, die sich über einen unendlich großen Kosmos ausbreiten, nicht verringern.
Ergo sollte der Himmel mit dem kombinierten Licht einer Vielzahl von Sternen in Flammen stehen. Stattdessen ist es meistens Dunkelheit. Leere. Leere. Schwärze. Weißt du, Raum.
Der deutsche Physiker Heinrich Olbers war vielleicht nicht der erste, der dieses scheinbare Paradoxon bemerkte, aber sein Name blieb bei der Idee: Es ist als Olbers-Paradoxon bekannt. Die einfache Auflösung? Entweder ist das Universum nicht unendlich groß oder es ist nicht unendlich zeitlich. Oder vielleicht ist es auch nicht.
# 2: Quasare existieren
Sobald Forscher in den 1950er und 1960er Jahren empfindliche Radioteleskope entwickelten, bemerkten sie seltsam laute Radioquellen am Himmel. Durch signifikante astronomische Ermittlungen stellten die Wissenschaftler fest, dass diese quasi-stellaren Radioquellen oder "Quasare" sehr weit entfernte, aber ungewöhnlich helle, aktive Galaxien waren.
Was für diese Diskussion am wichtigsten ist, ist der "sehr entfernte" Teil dieser Schlussfolgerung.
Weil Licht Zeit braucht, um von einem Ort zum anderen zu gelangen, sehen wir keine Sterne und Galaxien wie sie jetzt sind, sondern wie sie vor Tausenden, Millionen oder Milliarden von Jahren waren. Das bedeutet, dass ein tieferer Blick in das Universum auch einen tieferen Blick in die Vergangenheit bedeutet. Wir sehen viele Quasare im fernen Kosmos, was bedeutet, dass diese Objekte vor Milliarden von Jahren sehr verbreitet waren. In unserer lokalen, aktuellen Nachbarschaft gibt es jedoch kaum Quasare. Und sie sind im fernen (dh jungen) Universum so verbreitet, dass wir in unserer Nähe viel mehr sehen sollten.
Die einfache Schlussfolgerung: Das Universum war in seiner Vergangenheit anders als heute.
# 3: Es wird größer
Wir leben in einem expandierenden Universum. Im Durchschnitt entfernen sich Galaxien weiter von allen anderen Galaxien. Sicher, einige kleine lokale Kollisionen entstehen durch übrig gebliebene Gravitationswechselwirkungen, wie zum Beispiel, wie die Milchstraße in einigen Milliarden Jahren mit Andromeda kollidieren wird. Aber im großen Maßstab gilt diese einfache, expansive Beziehung. Dies entdeckte der Astronom Edwin Hubble im frühen 20. Jahrhundert, kurz nachdem er herausgefunden hatte, dass "Galaxien" tatsächlich eine Sache waren. [Frontal Crash der Milchstraße mit Andromeda: Künstlerbilder]
In einem expandierenden Universum sind die Regeln einfach. Jede Galaxie tritt von (fast) jeder anderen Galaxie zurück. Licht von fernen Galaxien wird rot verschoben - die Wellenlängen des Lichts, das sie abgeben, werden aus der Perspektive anderer Galaxien länger und damit röter. Sie könnten versucht sein zu glauben, dass dies auf die Bewegung einzelner Galaxien im Universum zurückzuführen ist, aber die Mathematik passt nicht zusammen.
Das Ausmaß der Rotverschiebung für eine bestimmte Galaxie hängt davon ab, wie weit sie entfernt ist. Bei näheren Galaxien kommt es zu einer gewissen Rotverschiebung. Eine doppelt so weit entfernte Galaxie wird doppelt so rot verschoben. Viermal so weit? Das stimmt, viermal die Rotverschiebung. Um dies mit nur herumfliegenden Galaxien zu erklären, muss es eine wirklich seltsame Verschwörung geben, bei der sich alle galaktischen Bürger des Universums darauf einigen, sich in diesem sehr spezifischen Muster zu bewegen.
Stattdessen gibt es eine weitaus einfachere Erklärung: Die Bewegung von Galaxien beruht auf der Ausdehnung des Raums zwischen diesen Galaxien.
Wir leben in einem dynamischen, sich entwickelnden Universum. Es war in der Vergangenheit kleiner und wird in Zukunft größer sein.
# 4: Die Reliktstrahlung
Lassen Sie uns ein Spiel spielen. Angenommen, das Universum war in der Vergangenheit kleiner. Das heißt, es wäre sowohl dichter als auch heißer gewesen, oder? Richtig - der gesamte Inhalt des Kosmos wäre auf kleinerem Raum gebündelt worden, und höhere Dichten bedeuten höhere Temperaturen.
Irgendwann, als das Universum zum Beispiel eine Million Mal kleiner war als jetzt, wäre alles so zusammengeschlagen worden, dass es ein Plasma wäre. In diesem Zustand wären die Elektronen nicht an ihre Kernwirte gebunden und könnten frei schwimmen. All diese Materie ist in intensive, energiereiche Strahlung getaucht.
Aber als sich dieses Säuglingsuniversum ausdehnte, hätte es sich bis zu einem Punkt abgekühlt, an dem sich plötzlich Elektronen bequem um die Kerne ansiedeln und die ersten vollständigen Atome von Wasserstoff und Helium bilden könnten. In diesem Moment würde die verrückt-intensive Strahlung ungehindert durch das neu dünne und transparente Universum wandern. Und als sich dieses Universum ausdehnte, hätte sich Licht, das buchstäblich weißglühend begann, abgekühlt, abgekühlt und auf wenige Grad über dem absoluten Nullpunkt abgekühlt, wodurch die Wellenlängen fest im Mikrowellenbereich lagen.
Und wenn wir unsere Mikrowellenteleskope in den Himmel richten, was sehen wir dann? Ein Bad aus Hintergrundstrahlung, das uns allseitig umgibt und in alle Richtungen nahezu gleichmäßig (zu einem Teil von 100.000!) Ist. Ein Babybild des Universums. Eine Postkarte aus einer längst toten Zeit. Licht aus einer Zeit, die fast so alt ist wie das Universum.
# 5: Es ist elementar
Schieben Sie die Uhr noch weiter zurück als bis zur Bildung des kosmischen Mikrowellenhintergrunds, und irgendwann sind die Dinge so intensiv, so verrückt, dass nicht einmal Protonen und Neutronen existieren. Es ist nur eine Suppe ihrer grundlegenden Teile, der Quarks und Gluonen. Aber wieder, als sich das Universum aus den ersten Minuten seiner Existenz ausdehnte und abkühlte, erstarrten und bildeten sich die leichtesten Kerne wie Wasserstoff und Helium.
Wir haben heutzutage einen ziemlich guten Überblick über die Kernphysik und können dieses Wissen nutzen, um die relative Menge der leichtesten Elemente in unserem Universum vorherzusagen. Die Vorhersage: Diese erstarrende Suppe hätte ungefähr drei Viertel Wasserstoff, ein Viertel Helium und ein bisschen "anderes" hervorbringen sollen.
Die Herausforderung geht dann an die Astronomen, und was finden sie? Ein Universum, das ungefähr aus drei Vierteln Wasserstoff, einem Viertel Helium und einem geringeren Prozentsatz von "Sonstigem" besteht. Bingo.
Natürlich gibt es auch mehr Beweise. Dies ist jedoch nur der Ausgangspunkt für unser modernes Urknallbild des Kosmos. Mehrere unabhängige Beweislinien weisen alle auf dieselbe Schlussfolgerung hin: Unser Universum ist etwa 13,8 Milliarden Jahre alt und hatte einst die Größe eines Pfirsichs und eine Temperatur von über einer Billion Grad.
Weitere Informationen erhalten Sie in der Folge "Was passiert, wenn Galaxien kollidieren?" im Ask A Spaceman-Podcast, verfügbar bei iTunes und im Internet unter http://www.askaspaceman.com. Vielen Dank an Mike D., Tripp B., Sedas S., Isla und Patrick D. für die Fragen, die zu diesem Stück geführt haben! Stellen Sie Ihre eigene Frage auf Twitter mit #AskASpaceman oder folgen Sie Paul @PaulMattSutter und facebook.com/PaulMattSutter. Folgen Sie uns auf @Spacedotcom, Facebook und Google+. Originalartikel auf Space.com.
