Zeitalter des Universums
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Vorwort
Während das Universum langsam abstirbt, verändert es sich, wie alle Körper, ständig und stellt verschiedene kosmische Körper in den Vordergrund seiner Zeitalter. Wie die Professoren Fred Adams und Gregory P. Laughlin in ihrem Buch "Die fünf Zeitalter des Universums" beschrieben haben, gibt es, wie der Titel schon sagt, fünf Zeitalter, die das Universum durchläuft, bevor es schließlich zum Stillstand kommt. In diesem Kapitel wollen wir untersuchen, wo wir uns derzeit befinden, wie wir dorthin gelangt sind und wie sich das Universum in naher oder ferner Zukunft verändern wird.
Primordiales Zeitalter
Das primordiale Zeitalter begann mit dem Urknall, einem folgenschweren Ereignis, das die Geburt des Universums, wie wir es kennen, markierte. Zu diesem Zeitpunkt war das Universum extrem heiß, dicht und von einem intensiven Energieschub durch die Explosion angetrieben. Als sich das Universum ausdehnte und abkühlte, begannen sich Elementarteilchen wie Protonen, Neutronen und Elektronen zu bilden.
Innerhalb weniger Minuten nach dem Urknall kam es zu Kernreaktionen, bei denen die ersten Atomkerne, vor allem Wasserstoff und Helium, entstanden. Dieser Prozess wird als Urknall-Nukleosynthese (opens in a new tab) bezeichnet und ist für die Häufigkeit dieser Elemente im heutigen Universum verantwortlich. Das Universum war jedoch noch zu heiß und zu dicht, als dass sich das Licht ungehindert hätte ausbreiten können, sodass das Universum mit einem heißen, dichten und ionisierten Gas, dem Plasma, gefüllt war.
In den nächsten Hunderttausenden von Jahren dehnte sich das Universum weiter aus und kühlte ab, so dass sich Elektronen mit Atomkernen verbinden konnten, was zur Bildung neutraler Atome führte. Dieses Ereignis, das als Rekombination (opens in a new tab) bekannt ist, markierte einen entscheidenden Wendepunkt im primordialen Zeitalter. In diesem Zeitabschnitt wurde das Universum für Licht durchlässig, und die kosmische Mikrowellenhintergrundstrahlung wurde emittiert. Diese Strahlung, die noch heute nachweisbar ist, liefert wertvolle Erkenntnisse über das frühe Universum.
Im primordialen Zeitalter begannen winzige Fluktuationen in der Dichte der Materie aufzutreten. Diese Schwankungen dienten als Basis für die Bildung kosmischer Strukturen. Unter dem Einfluss der Schwerkraft zogen Regionen mit etwas höherer Dichte mehr Materie an, was mit der Zeit zur Bildung von Sternen, Galaxien und Galaxie-Clustern führte.
Das Sternzeitalter
Wie der Name schon andeutet, markiert das Sternzeitalter einen Punkt im Leben des Universums, an dem die Sterne die dominierenden kosmischen Strukturen im Universum waren - und es immer noch sind, da wir dieses Zeitalter gerade erleben -, die Sonnensysteme antreiben und möglicherweise Planeten in ihren Systemen Leben schenken.
Es ist das Zeitalter mit den besten Chancen für die Entstehung von Leben, da das primordiale Zeitalter nicht stabil genug war und sich Strukturen wie Planeten und Sonnensysteme noch nicht gebildet haben. Mit der Zeit verbrauchen die Sterne ihren Brennstoff und die meisten von ihnen - mehr als 97 % von ihnen (opens in a new tab) - werden zu Weißen Zwergen. Du fragst dich vielleicht: "Aber warum?". Nunja...
Tod eines Sterns
Um das Ende dieses Zeitalters und die folgenden Zeitalter zu verstehen, müssen wir wissen, was ein Stern ist, wie er funktioniert und warum er stirbt. Sterne sind, einfach ausgedrückt, Kugeln aus Wasserstoffgas, die sich aus kosmischem Nebel gebildet haben. Kosmische Nebel entstehen aus Masse, die im primordialen Zeitalter nicht von einem Sonnensystem oder einer Galaxie angezogen wurden.
Sterne erzeugen Energie durch Kernfusion: Wasserstoffatome werden miteinander verbunden und es entstehen Heliumatome, was genau das ist, was in einer Wasserstoffbombe passiert. Ähnlich wie bei Fusionsreaktoren wird dabei eine Menge Energie erzeugt, die zum größten Teil aus Strahlung besteht. Wenn der Wasserstoff im Stern eines Tages aufgebraucht ist, wird das entstandene Helium zu Kohlenstoff fusioniert, bis schließlich auch die Heliumvorräte zu Ende gehen. Die Energie und damit die Strahlung, die während des Prozesses der Kernfusion entsteht und abgegeben wird, erzeugt einen Druck, der den Stern und seine Schwerkraft stabilisiert.
Sobald die Kernfusion anhält, kann der Druck nach außen nicht mehr aufrechterhalten werden, und der Stern kollabiert aufgrund der nach innen wirkenden Schwerkraft in seinem Kern. Alles, was übrig bleibt, ist ein langsam abkühlender Weißer Zwerg, der keine Wärme mehr produziert, ähnlich wie ein Brot, das aus dem Ofen genommen wird und auf Zimmertemperatur abkühlt - in unserem Fall auf den absoluten Nullpunkt, oder zu englisch "absolute zero".
Das Degenerative Zeitalter
Auch, wenn man anhand des Namens denken könnte, dies sei unser aktuelles Zeitalter, liegt das degenerative Zeitalter erst in ferner Zukunft. Wie diese Studie (opens in a new tab) erläutert, existieren 95 % der Sterne, die jemals geboren werden, bereits jetzt, was darauf hindeutet, dass das Universum kaum noch mehr Potenzial für Leben schaffen wird, als es derzeit gibt. Dafür gibt es viele Gründe, aber die simpelste Art und Weise, dies zu verstehen, ist, den Urknall mit der Explosion eines üblichen Feuerwerks zu vergleichen:
Die meiste Hitze und Masse befindet sich in der Nähe des Zentrums, wo die Explosion stattfindet, während in den äußersten Teilen der Explosion immer weniger Trümmer zu finden sind.
Nach der Hypothese des Protonenzerfalls könnten Protonen während des gesamten degenerativen Zeitalters in Pionen und Positronen zerfallen. Dies würde Leben jenseits dieses Zeitalters nahezu unmöglich machen, da Planeten und andere feste Körper langsam zerfallen und nichts als schwarze Löcher zurücklassen würden.
Das Zeitalter der schwarzen Löcher
Während Planeten und andere feste Körper durch den Protonenzerfall langsam dahinschwinden, nehmen Schwarze Löcher den Platz der vorherrschenden Materieform im Universum ein. Irgendwann wird alle Materie entweder zerfallen oder von Schwarzen Löchern verschlungen werden, bis nichts außer ihnen übrig bleibt . Bis vor einigen Jahrhunderten wäre man davon ausgegangen, dass das Zeitalter der schwarzen Löcher nicht nur der letzte Schritt in der Geschichte des Universums ist, sondern auch ein ewiger Zustand, denn lange Zeit hielt man schwarze Löcher für unsterblich.
Wie Stephen Hawking jedoch gezeigt hat, lässt die Hawking-Strahlung Schwarze Löcher mit unvorstellbar langsamer Geschwindigkeit zerfallen, was uns zwar das Messen dieses Zerfalls verwährt, die Entdeckung dieses Phänomens allerdings nur noch beeindruckender macht.
📘 Hawking-Strahlung
Vereinfacht ausgedrückt haben Teilchen in der Quantenfeldtheorie viele geringe Wahrscheinlichkeiten, sich zu einem bestimmten Zeitpunkt an einem beliebigen Ort im Raum zu befinden, anstatt sich nachweislich an einem bestimmten Ort aufzuhalten. Das bedeutet, wir wissen nicht, wo das Teilchen ist und es kann bspw. mit einer Wahrscheinlichkeit von je 10% an 10 verschiedenen Orten sein. Dies wird als Superposition bezeichnet. Die Wahrscheinlichkeiten der Teilchen, sich an einem bestimmten Ort zu befinden, auch Quantenwellenaktivitäten genannt, heben sich gegenseitig auf und addieren sich zu einer Wahrscheinlichkeit von 1, also 100% wie im obigen Beispiel, was bedeutet, dass es immer nur ein Teilchen mit einem unsicheren Ort gibt. Bei einer Interaktion mit der Außenwelt, z. B. einer Beobachtung durch uns, kollabiert die Wellenfunktion, die den stochastisch beschriebenen Aufenthaltsort des Teilchens beschreibt, zu einem einzigen Zustand, wie du in der Abbildung oben sehen kannst. Dadurch wird dem Teilchen eine bestimmte Position zugewiesen und alle Chancen, sich an einem anderen Ort aufzuhalten, werden ausgelöscht.
Der Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs funktioniert in gewisser Weise ähnlich, hebt aber nur einen Teil der Quantenwellenaktivität beim Kollaps der Wellenfunktion auf. Dadurch hebt sich die Quantenwellenaktivität nicht mehr vollständig gegenseitig auf: Alle addierten Wahrscheinlichkeiten betragen einfach ausgedrückt mehr als 100%, was bedeutet, dass es mehr als ein Teilchen gibt. Es entsteht ein teilchenreiches Feld anstelle einer "Leere von Wahrscheinlichkeiten".
Da alle Partikel eine gewisse Energie besitzen und diese Energie von irgendwoher kommen muss, wird sie vom umliegenden schwarzen Loch genommen. Dies verringert sehr langsam aber stetig die Gesamtmenge an Energie im schwarzen Loch, was ultimativ auch zum Verlust der Masse des schwarzen Lochs und damit einer Verkleinerung dessen führt. Dies war nur eine sehr vereinfachte Darstellung. Wenn du mehr über die Hawking-Strahlung erfahren möchtest, schau dir gern Stephen Hawking's eigene Fassung zur Hawking-Strahlung (opens in a new tab) an.
Das letzte Zeitalter des Universums
Für das allerletzte Zeitalter unseres Universums werden wir uns ansehen, wie es enden wird, obwohl wir feststellen werden, dass der Begriff "Ende" überhaupt nicht korrekt ist, weil es letztendlich nicht in absehbarer Zeit enden wird. Um mehr zu erfahren, blätter gern zum nächsten Kapitel.
Zusätzliche Ressourcen
- Professoren Gegory P. Laughlin und Fred Adams schrieben ein Buch über 'The Five Ages of the Universe', von dem ich jede Menge Inspiration für diesen Artikel übernommen hab. Schau es dir gern an, falls du hier tiefer in die Materie gehen möchtest.
- Falls du einen etwas naturwissenschaftlich angehauchten Hintergrund haben solltest, schau dir gern Hawking's eigenes Paper zur Erläuterung der Hawking-Strahlung an.
- Veritasium hat ein sehr spannendes und tiefgreifendes Video zum Kollaps der Wellenfunktion in Zusammenarbeit mit Professor Sean Caroll veröffentlicht. Es lohnt sich wirklich!