Die Frage, wie das Universum begann und wie es enden wird, hat die Menschheit seit Jahrtausenden beschäftigt. Die alten Griechen und viele andere Zivilisationen glaubten, dass unser Universum ewig sei. Aristoteles war einer der ersten Menschen, der anders dachte, und schlug vor, dass das Universum in dem eingeschlossen sei, was er eine „Himmelssphäre" nannte. Zu jedermanns Überraschung wurde um 1930 entdeckt, dass das Universum nicht unendlich alt ist, sondern ein endliches Alter hat. Der Astronom Edwin Hubble machte die erstaunliche Beobachtung, dass sich alle Galaxien voneinander entfernen. Daher muss man davon ausgehen, dass sie vor 1000 Jahren näher beieinander waren als heute, vor 1 Million Jahren noch näher und so weiter. Schließlich muss zu einem bestimmten Zeitpunkt in der Vergangenheit, vor etwa 13,7 Milliarden Jahren, alle Materie im Universum bei einer enorm großen Dichte und Temperatur komprimiert worden sein.

Der Urknall. Bildquelle: Counterbalance Foundation

Da die Expansion aus diesem Anfangszustand wie eine gigantische Explosion verläuft, wurde diese Theorie schnell als der Urknall bekannt. Ursprünglich wurde der Name „Urknall" ironisch verwendet und von Gegnern der Urknalltheorie geprägt, weil es in den 1930er Jahren vielen Menschen unvorstellbar schien, dass das Universum nicht unendlich alt ist. Der Name Urknall wird jedoch seitdem verwendet, weil er die Vorstellungskraft von Wissenschaftlern und Laien gleichermaßen anregte.

Derzeit ist die Urknalltheorie die am weitesten akzeptierte Theorie über den Ursprung des Universums — aber sie ist weit davon entfernt, vollständig zu sein. Die Urknalltheorie erklärt, wie sich das Universum nach seiner Entstehung entwickelt haben könnte, aber es gibt noch viele weitere kosmologische Fragen. Wie geschah der Urknall? Und wenn sich unser Universum ausdehnt, in was dehnt es sich aus? Einige dieser Fragen sind spannende neue Herausforderungen für Astronomen, während andere schlichtweg verwirrend sind. Zum Beispiel wissen wir, was mit dem Universum ab einem Bruchteil einer Sekunde nach dem Urknall geschah, können aber den ersten Bruchteil einer Sekunde, in dem Raum und Zeit erschaffen wurden, nicht vollständig erklären. Wenn man also fragt, was vor dem Urknall war? Nun, nichts, denn Raum und Zeit existierten nicht bis zum Urknall, also gibt es kein Vorher des Urknalls und es gab keinen Ort, an dem irgendetwas hätte sein können.

Die Urknalltheorie besagt, dass alle Materie von Anfang an existierte, aber alles an einem Ort war. Vor dem Urknall gab es weder Zeit noch Raum. Hubble entdeckte, dass sich die Galaxien voneinander entfernten, was zur Idee des sich ausdehnenden Raums führte. Das bedeutet, dass es nicht die Bewegung der Galaxien selbst ist, die sie voneinander entfernt. Es ist der Raum selbst, der die Galaxien auseinanderbewegt.

In Albert Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie erklärt er, wie jedes Objekt im Raum in den Raum eingebettet ist und der Raum selbst sich ausdehnt, wodurch der Abstand zwischen den Objekten zunimmt. Alle Punkte aus Materie und Raum befanden sich vor dem Urknall in einem Punkt, was bedeutet, dass der Urknall überall stattfand.

Es ist vielleicht einfacher, sich einen Gummiballon vorzustellen. Der Ballon stellt den Raum dar (in diesem Fall zweidimensional). Auf dem Ballon werden Hunderte von Markierungen als Galaxien platziert. Wenn man den Ballon aufbläst, scheinen sich die Markierungen voneinander zu entfernen, aber in Wirklichkeit hat sich die Ballonhaut zwischen den Markierungen gedehnt und alle „Galaxien" weiter auseinanderbewegt.

Edwin Hubble erkannte, dass sich alle Galaxien voneinander entfernten, indem er Licht von extrem weit entfernten Quellen beobachtete. Er stellte fest, dass dieses Licht zum roten Ende des sichtbaren Spektrums hin verschoben war. Dies lässt sich durch den Dopplereffekt erklären, der besagt, dass Licht, das von einer sich vom Beobachter entfernenden Quelle ausgesandt wird, mit einer niedrigeren Frequenz beobachtet wird.

Eine niedrigere Frequenz bedeutet, dass das beobachtete Licht röter erscheint als das von der Quelle ausgesandte Licht. Dieser Effekt wird als Rotverschiebung bezeichnet.

Illustration des Dopplereffekts. Bildquelle: epicphysics.com

Der Dopplereffekt gilt für alle Arten von Wellen, lässt sich aber am einfachsten anhand von Schall erklären. Stellen Sie sich ein Motorrad vor, das sich auf einen Beobachter B zubewegt. Sein Motor sendet Schallwellen (Lärm) in alle Richtungen aus, aber da das Motorrad vorwärtsfährt, holt es die zuvor freigesetzten Schallwellen ein, was bedeutet, dass der Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Wellenfronten kleiner wird. Dies erhöht die Frequenz der Schallwellen, sodass B einen höheren Ton hört. Hinter dem Motorrad ist der Effekt umgekehrt, da der Abstand zwischen Wellenfronten zunimmt, je weiter sich das Motorrad von Beobachter A entfernt, der einen tieferen Ton hört.

Licht wird einen ähnlichen Effekt erfahren. Für Licht aussendende Objekte, die sich auf den Beobachter zubewegen, werden die Wellen zusammengedrückt, was eine höhere Frequenz und kürzere Wellenlängen bedeutet, die bläulich erscheinen. Für Galaxien, die sich von uns entfernen, wird das Licht zu niedrigeren Frequenzen (längeren Wellenlängen) hin verschoben und erscheint röter.

Dieses Bild zeigt, dass das Licht weit entfernter Galaxien rot statt gelb ist, weil sie sich von uns entfernen. Quelle: ESA/NASA

Theorien über das frühe Universum sind höchst spekulativ, da es sehr schwierig ist, Details über Ereignisse zu kennen, die vor 13,7 Milliarden Jahren stattfanden.

Wir wissen, dass am Anfang des Universums die Temperatur so hoch war, dass alle Materie in Elementarteilchen wie Quarks, Elektronen und Photonen aufgelöst war. Es gab keine Atomkerne, Atome, feste Körper, Planeten oder Sterne. Zu diesem Zeitpunkt konnten nur Elementarteilchen existieren.

Etwa eine Millisekunde nach dem Urknall kühlten die Temperaturen genug ab, um die Bildung von Protonen und Neutronen durch die Verschmelzung von drei elementaren Quarks zu ermöglichen.

Es gibt sechs verschiedene Arten von Quarks. Zwei davon bilden fast alle Materie: das Up- und das Down-Quark. Drei Quarks können sich zu einem Proton (2 Up + 1 Down) oder einem Neutron (1 Up + 2 Down) zusammenfügen.

Im Jahr 1965 bauten zwei amerikanische Wissenschaftler, Penzias und Wilson, eine neue Radioantenne von beispielloser Empfindlichkeit, um Satellitensignale zu messen. Sie entdeckten zufällig eine mysteriöse Mikrowellenstrahlung aus dem Weltraum, hatten aber keine Ahnung über deren Ursprung. Es wurde später herausgefunden, dass diese Strahlung beim Urknall entstanden ist. Sie wird als kosmische Mikrowellen-Hintergrundstrahlung bezeichnet und erhöht die Temperatur des Weltraums von null auf 2,7 K. Die Strahlung ist in alle Richtungen nahezu vollkommen gleichmäßig.

Sie können die Hintergrundstrahlung sogar selbst beobachten! Jeder, der schon einmal einen analogen Fernseher gesehen hat, bevor er richtig eingestellt wurde, weiß, dass auf dem Bildschirm „Rauschen" zu sehen ist. Etwa 10% des zu sehenden Flimmerns ist auf die Hintergrundstrahlung zurückzuführen. Bei digitalen Fernsehern ist das natürlich nicht der Fall.

Woher kommt sie?

Nach der Entstehung der ersten Atomkerne aus Wasserstoff, Helium und Spuren von Lithium blieben diese leichten Elemente in einem Elektronenmeer eingebettet, das aus noch früheren Momenten in der Geschichte des Universums stammte. Jedes Elektron trägt eine negative elektrische Ladung, während jedes Proton positiv geladen ist. Diese Protonen und Elektronen ziehen sich aufgrund ihrer entgegengesetzten Ladungen an und versuchen, Wolken um die Protonen zu bilden.

Die hohe Temperatur löste die Wolken jedoch sofort auf und schickte Protonen und Elektronen auf zufälligen Bahnen durch den Raum. Es dauerte 300.000 Jahre, bis das Universum sich ausdehnte und abkühlte, bis es eine Temperatur erreichte, bei der eine Elektronenwolke stabil bleiben konnte. Kerne mit begleitenden Elektronen sind das, was wir heute als Atome kennen.

Die Bahnen von Photonen (Lichtteilchen) können durch Kollisionen mit elektrischen Ladungen verändert werden, aber sie interagieren nicht mit neutralen Atomen. Daher setzten die ursprünglichen Urknall-Photonen ungestört ihre Bahnen fort, sobald alle Elektronen in Atome eingebaut waren, und wir sehen diese Photonen heute als kosmische Hintergrundstrahlung. Diese Strahlung liefert somit eine Momentaufnahme des Universums in einem „Säuglingsalter" von 300.000 Jahren.

Die Abbildung zeigt ein detailliertes Gesamthimmelbild des frühen Universums, das aus neun Jahren WMAP-Daten erstellt wurde. Die verschiedenen Farben in diesem Bild zeigen, dass das Universum 300.000 Jahre nach dem Urknall nicht überall gleich war. Die Farbunterschiede zeigen Temperaturschwankungen an, die den Keimen entsprechen, aus denen die Galaxien entstanden. Quelle: NASA/WMAP

Gibt es Belege für die Urknalltheorie? Tatsächlich wird diese Theorie durch folgende Beobachtungen gestützt:

1. Die Ausdehnung des Universums, bei der sich Galaxien voneinander entfernen. Das bedeutet, dass alle Materie des Universums zum Zeitpunkt des Urknalls bei enormer Temperatur und Dichte komprimiert worden sein muss.
2. Das Vorkommen leichter Kerne ²H, ³He, ⁴He und ⁷Li lässt sich nur erklären, wenn man annimmt, dass sie in den ersten Minuten nach dem Urknall entstanden.
3. Die Beobachtung der kosmischen Hintergrundstrahlung aus dem Weltraum. Der Ursprung dieser Strahlung lässt sich erklären, wenn man annimmt, dass sie kurz nach dem Urknall entstand.

Etwa eine Milliarde Jahre nach dem Urknall bestand das Universum nur aus Wasserstoff und Helium in Gasform. Es gab weder Sterne noch Planeten. Schließlich begannen einige Gaswolken, sich auf sich selbst zusammenzuziehen, um Protosterne zu bilden, die schließlich heiß genug wurden, um sich zu entzünden und die ersten Sterne zu bilden. Aus Sternen bildeten sich dann Galaxien und Planeten. Unser Sonne bildete sich jedoch erst, nachdem Generationen von Sternen entstanden und vergangen waren, 8 bis 9 Milliarden Jahre nach dem Urknall.

Ein einzelnes Staubkorn aus dem Beginn des Sonnensystems. Quelle: NASA

Der umgebende Staub und das Gas verschmolzen langsam unter dem Einfluss der Schwerkraft, da größere Stücke kleinere anzogen. Mit wachsender Größe machte ihr Gewicht sie schließlich kugelförmig und sie wurden zu Planeten.

Wir haben Glück, dass unser Sonnensystem sich relativ spät gebildet hat. Unser Planet besteht aus Gestein, das in früheren Zeiten des Universums nicht existierte. Diese schweren Elemente mussten von anderen Sternen hergestellt und dann beim Tod der Sterne in den Weltraum zurückgeworfen werden. Diese Materie sammelte sich dann um unsere Sonne und bildete nicht nur die Erde, sondern auch Merkur, Venus und Mars.

Das Sonnensystem, bestehend aus der Sonne und den Planeten, entstand aus einer Gas- und Staubwolke, die ungefähr so aussah. Quelle: NASA

Selbst wenn man messen kann, wie schnell sich die Galaxien voneinander entfernen, ist es nicht einfach vorherzusagen, was in der Zukunft des Universums passieren wird. Die Ausdehnung des Universums wird hauptsächlich durch den Urknall angetrieben, aber die Materie im Universum kann alles gravitativ zurück zum Zentrum ziehen.

Es gibt mehrere Möglichkeiten, die alle von der Dichte des Universums abhängen:

1. Wenn die Dichte des Universums gering ist, kann die Gravitationskraft der Materie im Universum die Ausdehnung nicht überwinden, sodass das Universum sich für immer weiter ausdehnen wird. Je geringer die Dichte, desto schneller kann es sich ausdehnen. Dies wird als Modell des offenen Universums bezeichnet.
2. Wenn die Dichte des Universums hoch ist, wird sich das Universum eine Weile ausdehnen, aber verlangsamen, bis es eine maximale Größe erreicht. Dann wird die Schwerkraft alles wieder zurückziehen, bis das Universum wieder in die Singularität kollabiert, aus der es begann — was wir den Großen Kollaps nennen. Dies nennt man ein geschlossenes Universum, da es eine endliche Größe hat und zu einem weiteren Urknall führen kann, der ein neues Universum erzeugt.
3. Wenn die Dichte genau auf der Grenze zwischen den beiden Modellen liegt — was wir als kritische Dichte bezeichnen — wird sich das Universum weiter ausdehnen, aber die Expansionsrate wird sich verlangsamen.

Die Abbildung veranschaulicht die drei Modelle der Ausdehnung des Universums. Aktuelle Beobachtungen scheinen das Modell des offenen Universums zu unterstützen.

Die Erde ist etwa 4.600 Millionen Jahre alt. Am Anfang war die Erde so heiß, dass alles geschmolzen war. Nach 500 Millionen Jahren hatte sich die Erde genug abgekühlt, sodass Ozeane entstehen und der Planet bewohnbar werden konnte. Dann erschienen die ersten primitiven Lebensformen in den Ozeanen. Es dauerte dann eine enorm lange Zeit (etwa 4.000 Millionen Jahre), bis sich das Leben von den ersten primitiven Lebensformen zu Pflanzen, dann zu Tieren und schließlich zu Menschen entwickelte.

Menschen leben erst seit 4 Millionen Jahren auf der Erde. Und erst seit weniger als 100 Jahren versteht die Menschheit, wie das Universum aufgebaut ist und wie es durch den Urknall entstanden ist.

Die Bedingungen auf der Erde waren genau richtig für das Leben. Die Temperatur ist genau richtig für flüssiges Wasser, nah genug an der Sonne, um ihre Energie zu nutzen, Sauerstoff zum Atmen und ein Mond, der unser Klima stabilisiert.

Diese Illustration stellt die natürlichen Phänomene dar, die das Leben, wie wir es auf der Erde kennen, geschaffen haben. Quelle: California Space Institute

Viele Wissenschaftler glauben, dass es außerhalb der Erde Leben gibt. Mit Milliarden anderer Sternsysteme erscheint es absurd zu glauben, dass die Erde der einzige Planet ist, der Leben beherbergen kann. In unserem Sonnensystem sind die wahrscheinlichsten Orte, wo primitives Leben existieren könnte, der Mars und einer der Jupitermonde. Auf dem Mars gibt es Hinweise darauf, dass früher Wasser vorhanden war, und Wissenschaftler glauben, dass unter der eisigen Oberfläche von Europa ein riesiger Ozean liegt.

Stand 2011 wurden über 500 Planeten außerhalb des Sonnensystems entdeckt, und es werden immer mehr gefunden. Auf einigen davon könnten genau die richtigen Bedingungen für Leben vorhanden sein. Vielleicht gibt es technische Zivilisationen, die uns weit voraus sind. Einige Menschen meinen jedoch, dass wir, wenn es so viele Außerirdische gäbe, inzwischen einige gesehen hätten. Dies wird als Fermis Paradoxon bezeichnet, weil Enrico Fermi diese Idee als erster formulierte. Eine der plausibelsten Erklärungen dafür ist, dass die enormen Entfernungen zwischen verschiedenen fortgeschrittenen Zivilisationen keinen Kontakt ermöglichen. Selbst wenn es 1.000 fortgeschrittene Zivilisationen gäbe, wenn wir alle 1.000 Lichtjahre voneinander entfernt sind, ist es unwahrscheinlich, dass jemand die Erde besuchen kommt.

Einige Wissenschaftler sind der Meinung, dass es unglaublich glücklich ist, dass sich aus allen unendlichen Möglichkeiten, wie unser Universum hätte sich entwickeln können, genau das ergeben hat, was genau die richtigen Bedingungen für unser Überleben geschaffen hat. Zum Zeitpunkt des Urknalls gab es beispielsweise nur einen winzigen Überschuss (ein Milliardstel) an Materie gegenüber Antimaterie im Universum. Wenn die Mengen genau gleich gewesen wären, hätte sich alle Materie und Antimaterie gegenseitig vernichtet und wäre in Strahlung umgewandelt worden, was zu einem langweiligen Universum ohne irgendetwas Festes geführt hätte, einschließlich uns selbst. Wenn der Materieüberschuss nur geringfügig größer oder kleiner als der tatsächliche Wert gewesen wäre, wäre kein Leben möglich gewesen. Wäre er etwas größer gewesen, hätte sich das Universum aufgrund der Gravitationsanziehung zusammengezogen. Es hätte schlicht nicht genug Zeit gegeben, um Leben zu entwickeln. Andererseits, wäre der Materieüberschuss nur etwas kleiner gewesen, wäre die Ausdehnung so schnell gewesen, dass sich keine gebundenen Strukturen hätten bilden können und das Universum würde nur Elementarteilchen enthalten.