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Oerknal
Physikalische Kosmologie
Ein Bild des Universums durch die WMAP

Allgemeines
Universum · Urknall · Alter des Universums · Chronologie des Universums
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Inflation · Urknall Nukleosynthese · kosmischer Mikrowellenhintergrund
Expandierendes Universum
Rotverschiebung · Hubbles Gesetz · metrische Raumausdehnung · Friedmann-Gleichung · FLRW-Metrik
Strukturbildung
Gestalt des Universums · flaches Universum
Zukunft des Universums
ultimatives Schicksal des Universums
Komponenten
dunkle Energie · Dunkle Materie
Experimente
Sloan Digital Sky Survey · Planck-Observatorium · Wilkinson Mikrowellen-Anisotropie-Sonde

Das Urknall oder Urknall ist der populäre Name des kosmologischeTheorie die auf der Grundlage der generelle Relativität macht es plausibel, dass 13.8 Milliarde vor Jahren Universum entstand aus einem sehr heißen Punkt (ca. 1028 K), mit einer fast unendlich großen Dichte, oder a Singularität. Gleichzeitig mit dem Urknall, Platz und Zeit Entstanden sind. Wie aus einem Punkt ein dreidimensionaler Raum entsteht, lässt sich mathematisch formulieren, aber visuell nicht vorstellbar. Dabei hilft jedoch das Bild eines analogen zweidimensionalen Raums: die Oberfläche einer Kugel, die von einem Punkt aus anschwillt. Diese Fläche ist gekrümmt, hat keine Kanten und ist endlich; Eigenschaften, die auch ein dreidimensionaler Raum haben kann. Auf das Bild eines aufgeblasenen Ballons bezieht sich der Begriff Inflation abgeleitet.

Die Theorie basiert unter anderem auf der Überwachung der Konstante expandierendes Universum, insbesondere die Rotverschiebung des Spektrallinien und Licht aus der Ferne Galaxien, es Doppler-Effekt, und die beobachtete Menge Helium die vorher gebildet wird Sterne Waren. Das generelle Relativität ist an dieser Stelle jedoch noch nicht vollständig, da die Idee einer infinitesimalen Dichte mit den Grundgesetzen der . kollidiert Physik.

Der Begründer der Urknalltheorie ist der Leuvener Professor und Priester Dr. Georges Lemaître. Der Begriff „Urknall“ wurde zuerst geprägt Fred Hoyle 1950 als abfällige Bezeichnung verwendet, um seine Abneigung gegen die Theorie auszudrücken. Hoyle selbst war für wettbewerbsfähig, aber jetzt aufgegeben stationäres Modell.

Zeitleiste

Entwicklungsstufen des Universums. Die Zeit ist auf der horizontalen Achse.

Hochrechnung der Expansion des Universums in der Zeit mit Hilfe der generelle Relativität führt zu einer unendlichen Dichte und Temperatur an einem endlichen Punkt in der Vergangenheit. Dieses Singularität widerspricht der allgemeinen Relativitätstheorie. Es wird viel darüber diskutiert, wie nah wir an die Singularität extrapolieren können, aber sicherlich nicht näher als das Ende der Planck-Ära, etwa 10−43 zweitens nach der Erschaffung des Universums (Planungszeit). Diese Singularität wird manchmal als "Urknall" bezeichnet, aber der Begriff kann sich auch auf die frühe heiße, dichte Phase selbst beziehen, die als "Geburt" des Universums betrachtet werden kann. Basierend auf Messungen der Ausdehnung von Typ-Ia-Supernovae, Messungen von Temperaturschwankungen im kosmischer Mikrowellenhintergrund und Messungen der Korrelationsfunktion von Galaxien hat das Universum ein berechnetes Alter von 13,772 ± 0,059 Milliarden Jahren. Die Übereinstimmung dieser drei unabhängigen Messungen fördert stark das Standardmodell des Urknalls (Lambda-CDM-Modell, Lambda-Cold Dark Matter-Modell), das den Inhalt des Universums detailliert beschreibt. Im Jahr 2013 neue Daten aus der Weltraumteleskop Planck ruimte dieses Alter auf 13,798 ± 0,037 Milliarden Jahre.

Die frühen Stadien des Urknalls sind Gegenstand vieler Spekulationen. In den gängigsten Modellen war das Universum mit einem enorm hohen Energiedichte und enorme Temperaturen und Drücke. Es war isotrop gefüllt mit homogene Reaktionen. Es expandierte sehr schnell und kühlte schnell ab. Ungefähr 10−37 Zweiter in der Verlängerung, verursacht a Phasenübergang ein kosmische Inflation, wo das Universum exponentiell wuchs. Nachdem die Inflation aufgehört hatte, bestand das Universum aus beiden Quark-Gluon-Plasma wie andere Elementarteilchen. Die Temperaturen wurden so hoch, dass die zufälligen Bewegungen der Teilchen relativistische Geschwindigkeit erreicht, und Teilchen-Antiteilchen-Paare aller Arten von Teilchen wurden bei Kollisionen kontinuierlich erzeugt und zerstört. Irgendwann kam eine unbekannte Antwort namens Baryogenese, was zu einer Asymmetrie im Baryonenzahl, was zu einem kleinen Überschuss von Quarks und Leptonen im Vergleich zu Antiquarks und Antileptonen - geordnet als 1 überschüssiges Teil pro 30 Millionen. Dies führte zur Dominanz von Angelegenheit Über Antimaterie im gegenwärtigen Universum.

Dann verursachte die sinkende Temperatur und die abnehmende Dichte einen Bruch von Symmetrie, so dass über Phasenübergänge die Grundkräfte der Natur und die Parameter der Elementarteilchen nahmen ihre gegenwärtige Form an. Nach 10−11 zweitens sind die Ereignisse weniger spekulativ, da die Bedingungen in Experimenten mit simuliert werden können Teilchenbeschleuniger. Nach etwa 10−6 Sekunden kombiniert Quarks und Gluonen umdrehen Baryonen zu formen wie Protonen und Neutronen. Ein kleiner Überschuss an Quarks gegenüber Antiquarks führte zu einem geringen Überschuss an Baryonen gegenüber Antibaryonen. Als die Temperatur nicht mehr hoch genug war, um neue Proton-Antiproton-Paare zu erzeugen (das gleiche gilt für Neutron-Antineutronen), entstand sofort eine MasseVernichtung, das ist nur 1 von 1010 der ursprünglichen Protonen und Neutronen und keines ihrer Antiteilchen. Ein ähnlicher Vorgang erfolgte nach ca. 1 Sekunde für Elektronen und Positronen. Nach diesen Vernichtungen bewegten sich die verbleibenden Protonen, Neutronen und Elektronen nicht mehr mit relativistischer Geschwindigkeit und die Energiedichte des Universums wurde dominiert von Photonen (mit einer kleinen Gruppe von Neutrinos).

Ein paar Minuten nach der Expansion, wenn die Temperatur etwa eine Milliarde Kelvin und seine Dichte war ungefähr die gleiche wie die der Erdatmosphäre auf Meereshöhe, Neutronen verschmolzen mit Protonen, um zu bilden Deuterium- und Helium-Atomkerne in einem Prozess namens . bilden Urknall Nukleosynthese. Die meisten Protonen blieben ungepaart, da Wasserstoff-Atomkerne. Als sich das Universum abkühlte, Energiedichte des Restmenge der Materie die Strahlung gravitativ dominieren. Nach etwa 379.000 Jahren verbanden sich die Elektronen mit den Atomkernen und bildeten die ersten Atome (meist Wasserstoff). Dadurch wurde der Weltraum transparent und die Strahlung entkoppelte sich von der Materie und setzte sich weitgehend ungehindert durch den Weltraum fort. Diese Strahlung wird als bezeichnet kosmischer Mikrowellenhintergrund.

Die Expansion des Universums

In der sehr gleichmäßig verteilten Materie begann über einen langen Zeitraum ein Gravitationsschneeballeffekt aufgrund sehr kleiner Dichteschwankungen und führte langsam zu den Strukturen von Gaswolken, die weiter zu Sternen, Galaxien und anderen astronomischen Strukturen kristallisierten, die wir beobachten können heute. .Die Details dieses Prozesses haben einen Bezug zu dem noch nicht verstandenen Dunkle Materie. Neben der sichtbaren baryonischen Materie gibt es drei Kandidaten für dunkle Materie: kalte dunkle Materie, warme dunkle Materie und heiße dunkle Materie. Die besten verfügbaren Messungen (von WMAP) zeigen, dass die Daten gut mit der Theorie eines Lambda-CDM-Modells übereinstimmen, in dem dunkle Materie als kalt angenommen wird (warme dunkle Materie wird durch frühe Reionisierung), und es wird geschätzt, dass Materie/Energie im Universum etwa 23% davon ausmacht, während baryonische Materie nur 4,6% ausmacht. In einem "erweiterten Modell", das heiße dunkle Materie in Form von Neutrinos enthält, wird die "physikalische Baryonendichte" zu Ωbha2 geschätzt auf etwa 0,023 (dies unterscheidet sich von der 'Baryonendichte' Ωb ausgedrückt als Bruchteil der gesamten Materie-/Energiedichte, wie oben beschrieben 0.046), und die zugehörige Dichte der kalten Dunklen Materie .cha2 beträgt etwa 0.11, die zugehörige Neutrinodichte ΩΩvha2 wird auf weniger als 0,0062 geschätzt.

Unabhängige Beweise von Supernovae vom Typ Ia und dem CMB deuten darauf hin, dass das heutige Universum von einer mysteriösen Energieform dominiert wird, die als . bekannt ist dunkle Energie, die wahrscheinlich den gesamten Raum durchdringt. Beobachtungen deuten darauf hin, dass 74 % der gesamten Energiedichte des heutigen Universums in dieser Form auftritt. Als das Universum noch sehr jung war, mag es mit dunkler Energie durchdrungen gewesen sein, aber mit weniger Raum und alles näher beieinander, herrschte die Schwerkraft und brach die Expansion langsam ab. Aber schließlich, nach vielen Milliarden Jahren der Expansion, führte der wachsende Überfluss an dunkler Energie dazu, dass sich die Expansion des Universums langsam beschleunigte. Dunkle Energie in ihrer einfachsten Formulierung hat die Form des kosmologische Konstante Begriff in Einsteins Gleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie, aber ihre Zusammensetzung und ihr Mechanismus sind unbekannt, und allgemeiner gesagt, die Details ihrer Zustandsgleichung (Kosmologie) und Beziehung zu den Standardmodell der Teilchenphysik weiterhin kontinuierlich untersucht werden, sowohl durch Beobachtungen als auch theoretisch.

Die gesamte kosmische Entwicklung nach der Inflation kann streng genommen durch das Lambda-CDM-Modell beschrieben werden, das die unabhängigen Gerüste der Quantenmechanik und Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie verwendet. Wie oben beschrieben, gibt es kein fundiertes Modell, das Ereignisse bis zu etwa 10 Ongeveer beschreibt−15 zweite. Anscheinend ist eine neue einheitliche Theorie der Quantengravitation erforderlich, um diese Barriere zu durchbrechen. Das Verständnis dieser frühen Stadien in der Geschichte des Universums ist derzeit eines der größten ungelösten Probleme der Physik.

Geschichte

Die Dynamik vs. das statische Universum

Vor dem Theorie des Urknalls formuliert wurde, wurde angenommen, dass a statisches Universum: ein Universum, das schon immer war und immer sein wird. Von dem Gravitationsgesetz von Newton Daraus folgt jedoch, dass ein solches Universum zusammenbrechen würde. Newton erkannte dieses Problem, versuchte es aber in einem Briefwechsel mit Richard Bentley retten, indem Sie angeben, dass, wenn die Angelegenheit gleichmäßig in a unendlich der raum war geteilt, es gab keine Center wäre, wo die Materie fallen würde.

Auch wenn die Rolle der Schwerkraft auf diese oder andere Weise abgewehrt werden kann, gibt es ein weiteres grundlegendes Problem mit dem statischen Universum. Denn wenn das Universum unendlich groß und statistisch einheitlich mit Sternen (oder Galaxien oder Galaxiengruppen) übersät ist, deren Dichte sich nicht systematisch entwickelt, dann muss der Hintergrund des Sternenhimmels die gleiche Helligkeit haben wie die Oberfläche der Sonne. Wir sehen jedoch, dass der Himmelshintergrund dunkel oder zumindest deutlich weniger hell ist als die Sonnenoberfläche: Das ist der Olbers' Paradoxon. Daraus folgt logisch, dass das Universum nicht gleichzeitig räumlich und zeitlich unendlich groß und gleichförmig sein kann. Ein Argument von Kelvin das Paradoxon zu negieren mit interstellarer Absorption durch kosmischer Staub bleibt bei Überlegungen zum Strahlungsgleichgewicht stecken.[1]

Einstein nahm auch ein statisches Universum an, aber vom Sein generelle Relativität sich als unbestreitbar erwiesen, dass das Universum expandieren oder kollabieren muss. Er postulierte dann die kosmologische Konstante um diesen Zusammenbruch zu verhindern. Der niederländische Astronom William de Sitter entwickelte ein anderes Modell des Universums und prognostizierte 1918 a18 Rotverschiebung was proportional zur Entfernung war. Es theoretisches Modell von De Sitter enthalten egal, aber erweitert. Die Idee von De Sitter ist jetzt wieder aktuell in der Inflationstheorie des Urknalls. Unabhängig von De Sitter gefunden Alexander Friedmann Lösungen der allgemeinen Relativitätsgleichungen, die ein expandierendes Universum beschreiben. Ausführlich zu De Sitters Universum, the Belgier römisch-katholischer Priester Georges Lemaître Lösungen für a dynamisches Universum. Es wurde vermutet, dass es vor dem Urknall überhaupt nichts gab, nicht einmal ein Zeit, so dass man nicht einmal von „vor dem Urknall“ sprechen kann.

Die ersten, die entdeckten, dass das Licht einiger Galaxien eine Rotverschiebung aufwies, was darauf hindeutet, dass sie sich von uns wegbewegten (die Doppler-Effekt), war früher William Huggins. Edwin Hubble war es jedoch, der zusammen mit Milton Humason einen linearen Zusammenhang zwischen der Rotverschiebung entfernter Galaxien und ihrer Entfernung berechnete. Diese Beziehung ist heute als die . bekannt Hubbles Gesetz (mit dem nach ihm benannten) Hubble-Konstante).

Der Urknall/Urknall

Zu Beginn des 20. Jahrhundert begann zu messen Spektren von Galaxien. Hier wurde vermerkt:

  • nur wenige nahe Galaxien, wie die Andromeda-Galaxie, habe einen Blauverschiebung und bewegen Sie sich so auf uns zu.
  • alle anderen galaxien hatten a Rotverschiebung.
  • das Rotverschiebung nimmt zu, je weiter das System entfernt ist. Dieser Befund wurde von Edwin Hubble in einem 1929 veröffentlichten Artikel beschrieben. Mit dem Hubble-Lemaître die Geschwindigkeiten, mit denen sich Galaxien aufgrund der Expansion des Universums von einem terrestrischen Beobachter entfernen, können berechnet werden.

Dies war der Grund für die Hypothese dass es einen großen Knall gab. In ferner Vergangenheit lagen die Galaxien also nicht nur näher beieinander, sondern auch die Expansion begann mit einem Urknall. Zu Beginn des Urknalls war das gesamte Universum in einem einzigen Punkt unendlicher Dichte konzentriert. Dieser Punkt heißt a Singularität. Die erste Theorie des Universums, die in einer gewaltigen Explosion aus einem Uratom entstanden sein muss, wurde 1931 von formuliert Lemaître. Auch Lemaître kam zu einer fast richtigen Schätzung, wann sich das Universum gebildet hätte: vor etwa 15 Milliarden Jahren.

Forschung mit dem Wilkinson Mikrowellen-Anisotropie-Sonde hat das Alter des Universums mit einer Ungenauigkeit von 1 Prozent auf 13,7 Milliarden Jahre bestimmt.

heißer Urknall

1948 wurde die heiße Urknalltheorie durch George Gamow zusammen mit Ralph Alpher formuliert. Die Theorie beschreibt, wie das Universum aus einem immens heißen und extrem kleinen punktförmigen Anfang entstand (Singularität).

Die Theorie beschreibt weiter genau, welche chemische Elemente nach 1 Sekunde, als das Universum noch eine Temperatur von 10 Milliarden Kelvin hatte, entstanden sind und in welchen Proportionen. Die während des Urknalls gebildeten Elemente sind Wasserstoff, Helium und Lithium, genauer gesagt die Isotope Wasserstoff, Deuterium, Tritium, Helium-3, Helium-4 und Lithium-7. Die Theorie sagte voraus, dass das Gewichtsverhältnis von Helium zu Wasserstoff 1:3 betragen würde, was der derzeit beobachteten Zusammensetzung sehr nahe kommt.

Gamov hatte einen Freund, den Physiker Hans Bethe, bat, auch seinen Namen zu dem Artikel hinzuzufügen (obwohl er nicht kooperierte), weil die Namen Alpher, Bethe und Gamov ähnlich klingen wie Alpha, Beta und Gamma, die ersten drei Buchstaben des griechischen Alphabets. Seitdem ist dieser Artikel als Alpher-Bethe-Gamov-Artikel oder Alpha-Beta-Gamma-Artikel bekannt.

Gamov und seine Mitarbeiter Alpher und Robert Hermann prognostiziert weiter, dass die Strahlung des Urknalls heute noch vorhanden sein und eine Temperatur von etwa 3 . haben solltek. Dieses kosmischer Mikrowellenhintergrund war von Arno Allan Penzias und Robert Woodrow Wilson 1964 durch Zufall entdeckt. Penzias und Wilson versuchten 1964, einen neuen Empfänger zum Laufen zu bringen, wurden jedoch durch ein störendes Geräusch behindert: die kosmische Mikrowellen-Hintergrundstrahlung. Penzias und Wilson dachten jedoch, es sei der Vogelkot im Empfänger und hatten keine Ahnung, dass sie die Strahlung mehrere Meilen von der Princeton University entfernt gefunden hatten. Robert Dicke und sein Team wurde mit allen Mitteln gesucht. Erschienen 1964 Natur daher zwei Artikel: einer von Penzias und Wilson, der die Entdeckung beschreibt, und ein anderer von Dicke, der die wissenschaftliche Relevanz der Entdeckung erklärt. Penzias und Wilson erhielten die Nobelpreis für Physik für ihre Arbeiten zur Hintergrundstrahlung.

Heute wird allgemein angenommen, dass das Universum ganz am Anfang eine kurze Phase extremer Expansion durchgemacht hat. Dieser Zeitraum wird auch genannt Die Sitter-Inflation erwähnt. Die Theorie, die dies beschreibt, heißt die Inflationstheorie und wurde 1979 von . entwickelt Alan Gutha und Andreas Linde.

Argumente

Es gibt vier Haupt Argumente zur Entstehung des Universums aus einem Urknall:

  • Spektroskopisch Beobachtungen von Galaxien deuten darauf hin, dass sich das Universum ausdehnt. Dies kann nur erklärt werden, wenn Galaxien ursprünglich in einem Punkt entstanden sind. Der Hauptindikator dafür ist, dass je weiter Galaxien von uns weg, desto schneller entfernen sie sich von uns. Das Rotverschiebung ist der einzige Hinweis darauf.
  • Das kosmischer Mikrowellenhintergrund die 1965 von Arno Penzias und Robert Wilson beobachtet wurde, scheint von allen Seiten zu kommen. Eine Erklärung für diese Strahlung bietet die Urknalltheorie.
  • Durch die Kombination der Urknalltheorie mit der Teilchenphysik entsteht die Theorie der Urknall Nukleosynthese: eine Beschreibung des Mechanismus, durch den Protonen und Neutronen entstanden, und aus ihnen wiederum Atomkerne der verschiedenen Isotope von Wasserstoff, Helium und andere leichte chemische Elemente. Aus dieser Theorie folgt eine Vorhersage der gegenseitigen Beziehung zwischen den leichten Elementen in den allerältesten Sternen (vor der Heliumbildung durch Kernfusion); die vorhergesagten Mengen stimmen gut mit den Beobachtungen überein.[2]
  • Als die Angelegenheit in dem Universum homogen verteilt wäre, dann ist die generelle Relativität von Einstein ein Urknall abgeleitet werden kann.

In 100 Milliarden Jahren werden die aktuellen Säulen, auf denen die Urknalltheorie ruht, voraussichtlich fast vollständig ausgelöscht. Das kosmischer Mikrowellenhintergrund wird dann so abgeschwächt, dass es gar nicht mehr wahrnehmbar ist. Auch der Ausbau der Universum wird dann nicht mehr beobachtbar sein, weil alle Galaxien hinter dem Ereignishorizont sind verschwunden und die intergalaktischer Raum es ist also fast leer. Dadurch erscheint die Materie im Universum nicht mehr homogen verteilt, sodass aus einer wiederentdeckten Relativitätstheorie nicht mehr auf einen Urknall geschlossen werden kann. Auch das Verhältnis zwischen den verschiedenen Elemente so verändert, dass es nicht viel wie beim Urknall und in der aktuellen Situation ist.

Grundlegende Probleme

Obwohl die Urknalltheorie von vielen Kosmologen als die beste Erklärung für den Ursprung und die Entwicklung des Universums seit der Entdeckung des kosmischen Mikrowellenhintergrunds akzeptiert wurde, gab es einige wichtige Fragen, die die Theorie nicht beantworten konnte. Diese Probleme waren:

Das Inflationstheorie von Alan Gutha und Andreas Linde konnte in den 1980er Jahren eine Antwort darauf geben. Dies ist daher eine Ergänzung zur Theorie des Urknalls und keine völlig eigenständige Alternative. Darüber hinaus kollidiert die Idee einer unendlich großen Dichte mit der Quantenmechanik.

Zukunft

Die Urknalltheorie ist eine Theorie über den Ursprung des Universums. Es gibt eine Reihe von Möglichkeiten für die Zukunft des Universums:

  • Das Universum wird sich ewig ausdehnen und diese Expansion wird sich mit beschleunigter Geschwindigkeit fortsetzen (großer Riss).
  • Die Expansion des Universums wird durch die Schwere, und kollabieren daher im Laufe der Zeit genau wie beim Urknall, aber rückwärts (großes Knirschen).
  • Das Universum wird sich ewig ausdehnen und die Wärmeenergie im Universum wird sich immer weiter ausbreiten, wodurch es kälter und kälter wird (große Kälte).
  • Das Universum wird sich ausdehnen, aber es gibt mehrere Räume, die dasselbe tun und sich schließlich überschneiden. Dies hängt eng mit der Idee von a . zusammen Multiversum. Neue Zentren entstehen, wo sich Materie rekombiniert und wo auch neue Urknalle entstehen können. Dadurch entsteht eine Art „Superuniversum“.

Jüngste Beobachtungen und Entfernungsmessungen sprechen für die beschleunigte Expansion des Universums, die die Einführung eines noch wenig verstandenen Phänomens erfordert, das als . bekannt ist dunkle Energie.

Siehe auch

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