2003_1   Entwicklung des jungen Universums

Abriß des derzeitigen Wissensstands - Zeitraum: ab cirka 300.000 Jahre nach dem Urknall bis zu den ersten Galaxien

Zeit: cirka 300.000 Jahre nach dem Urknall. Das Universum ist ein monströser, undurchsichtiger Feuerball, ein heiß glühendes Plasma aus Quarks, freien Elektronen und Photonen. Diese leuchtende Feuerwand ist der Rand des sichtbaren Universums.

Da sie sich jedoch wegen der Expansion fast mit Lichtgeschwindigkeit von uns fortbewegt, erscheint sie nicht als sichtbares Licht, sondern stark rotverschoben als kosmische Hintergrundstrahlung.

Das ursprünglich gleichmäßig verteilte Materieplasma verdichtete sich aufgrund seiner eigenen Schwerkraft. Es entstehen Materieklumpen Die energiereichen Photonen treiben die Plasmaklumpen immer wieder auseinander. Die entgegengesetzt wirkenden Kräfte, der Wechsel von Entstehen und Vergehen von Verdichtungen, versetzen das Plasma in Schwingungen, deren Frequenz von der Größe der Klumpen abhängt. Die Materieverteilung ist noch so dicht, daß sich die Dichteschwankungen wellenartig ausbreiten können. Diese Dichtewellen bringen das Universum wie eine Glocke in Grund- und Obertönen zum Schwingen.

Diese Schwingungen sind als Störungen in der kosmischen Hintergrundstrahlung feststellbar. Der Peak des Grundtons wurde mit dem Bumerang-Experiment und Anfang 2001 wurde ein Oberton entdeckt.

Zeit: cirka 400.000 Jahre nach dem Urknall. Das Universum ist so groß und so kühl, daß nun Elektronen und die Nukleonen des Plasmas Wasserstoffatome bilden. Dadurch kollidieren die Elektronen nicht mehr mit den Photonen, die sich nun frei ausbreiten. Materie und Strahlung ist entkoppelt. Das Gas und damit das Universum werden transparent.

Es beginnt das dunkle Zeitalter. Kein Stern erhellt das Universum. Gigantische Wolken aus Wasserstoff und Helium wirbeln durch das Weltall. Sichtbare Strukturen gibt es im jungen Universum nicht und mit der Expansion wird es dunkler und kühler. Die Materieklumpen können sich ungestört zusammenballen, die Schwingungen versiegen.

Die Strahlung verschiebt sich zu immer größeren Wellenlängen. In dieser Strahlung gibt es geringe Abweichungen in der Homogenität und dieselben Fluktuationen (kleine Dichteunterschiede) gibt es natürlich auch in der Materieverteilung. Die ungleichmäßig verteilten Gasmassen ballen sich zu unregelmäßigen wirbelnden Gaswolken zusammen und verdichten sich unter ihrer eigenen Gravitation immer weiter. Je größer die Verdichtungen, umso stärker wirkt die Anziehung und zudem werden die Unterschiede mit zunehmender Schwerkraft immer größer. Die unzähligen kleinen und großen Materieverdichtungen werden zu unterschiedlichen Materieklumpen, zu großen und gigantischen Molekülwolken aus Wasserstoff und Helium mit dazwischen liegenden masseärmeren Wasserstoffbrücken.

Zeit: cirka 500.000 Jahre nach dem Urknall. Die ersten Systeme entstehen, kleinere Systeme verschmelzen zu größeren Gebilden. Die dichten Regionen werden zu Knotenpunkten im Netzwerk und um diese kondensieren die ersten sternbildenden Systeme in Größe und Masse ähnlich wie Riesensternhaufen.

Die netzartige Struktur des Universums läßt sich, unter Zuhilfenahme der dunklen Materie, in Modellen gut erklären, wenn vorausgesetzt wird, daß beide Materiearten miteinander vermischt sind.

Die Gaswolken ziehen sich durch ihre Schwerkraft weiter zusammen und diese Kompression führt zu einer langsamen Temperaturzunahme. Das Gas erhitzt sich auf ungefähr 1000 K. Es bildet sich molekularer Wasserstoff, dieser senkt in den dichtesten Bereichen der Molekülwolken die Gastemperaturen auf die Grenze von 200 K. Dadurch trennen sich gewöhnliche und dunkle Materie. Während die dunkle Materie verstreut bleibt, verdichtet sich die gewöhnliche Materie immer weiter und wird zu flachen, rotierenden Gebilden von klumpiger, scheibenförmiger Gestalt.

Die Systeme sehen wie "Minigalaxien" aus. Innerhalb der Scheibe dieser sich eigenständig weiterentwickelnden Systeme gibt es unterschiedlich dichte Regionen und darin ziehen sich die Gasklumpen entsprechend ihrer Schwerkraft und Masse weiter zusammen. Diese Systeme 100.000 bis eine Millionen Sonnenmassen und sind rund 30 bis 100 Lichtjahre groß. Sie sind nur durch ihre Temperatur beobachtbar, denn das Universum ist immer noch dunkel.

Im April 2002 wurden die Ergebnisse der Beobachtung eines 10 Milliarden Lichtjahre entfernten Quasars veröffentlicht. Gegenstand der Untersuchung war die intergalaktische Materie. Dabei wurde bestätigt, daß sie sich in netzförmigen Filamenten anordnet. Aus Wasserstoff und Helium bestehende riesige Wolken verbinden Galaxien und Quasare. Die Forscher stellten fest, daß in den ersten Jahrmilliarden nach dem Urknall gewaltige Strahlenstürme durch das Universum fegten. Heliumkerne, die in den ersten Minuten nach dem Urknall entstanden, konnten einige Zeit später Elektronen einfangen und neutrale Atome bilden. Doch dann entstanden die ersten Quasare und dann leuchteten auch die ersten Sterne in Galaxien. Die dabei entstehende Strahlung ionisierte das Heliumgas in den Wolken, die daraufhin mehr Licht durchließen. Der Strahlungsdruck war offenbar genauso wichtig wie die Gravitation, damit die Materie zu Sternen und Galaxien kondensierte.

Zeit: cirka 100 Millionen Jahre (nach anderen Modellen rund 250 Millionen Jahre) nach dem Urknall. Das dunkle Zeitalter geht zuende. Innerhalb der dichtesten Regionen der Scheiben ziehen sich die dichtesten Gasklumpen immer weiter zusammen bis sie kollabieren und die Kernfusion einsetzt.

Die kritische Masse (Jeans-Masse), damit ein Gasklumpen unter seiner Gravitation kollabiert, ist proportional zum Quadrat seiner Temperatur und umgekehrt proportional zur Quadratwurzel des Drucks. Die Extrapolation gibt den ersten sternbildenden Klumpen in den Scheiben eine Größenordnung von mehreren hundert Sonnenmassen. Da die Drücke heutigen Molekülwolken ähneln, aber mit fast 30-mal höherer Temperatur, ist die Jeans-Masse fast 1000-mal größer als heute.

Die ersten sternbildenden Klumpen haben Massen von 100 bis 1.000 Sonnenmassen, dadurch eine geringe Lebensdauer von nur wenigen Millionen Jahren. Ohne schwere Elemente, nur mit Wasserstoff und Helium, ist die Erzeugung der Fusionsenergie im Sterninnern weniger effizient, der Stern muß  kompakter sein, damit seine Energie ausreicht, der Schwerkraft zu widerstehen. Wegen der kompakten Struktur sind die Oberflächen heißer, die ersten Sterne haben Oberflächentemperaturen von etwa 100.000 K und so besteht das erste Sternenlicht im Universum überwiegend aus der Ultraviolettstrahlung dieser sehr heißen Sterne. Sobald sie zu leuchten beginnen, ionisierten sie das umgebende Gas (neutraler Wasserstoff und Helium) und im Laufe der folgenden Millionen Jahre das gesamte Gas des Universums.

Heute gibt es in der Milchstraße keine Sterne, die nur aus Wasserstoff, Helium und Lithium bestehen (Population-3).

Am Ende werden einige dieser massereichen Sterngiganten zu Schwarzen Löchern und viele enden als Supernovae und verteilen schwerere Elemente als Wasserstoff und Helium im Raum. Der einzige Zweck dieser ersten Sterne war die Anreicherung des Universums mit schwereren Elementen, die das Gas effektiver kühlen können und so die Bildung von Sternen kleinerer Masse ermöglichen. Diese "Metalle", die Druckwellen der Supernovae und die Magnetfelder und Strahlungsenergie der ersten Sterne beeinflussen stark die Bildung von Protogalaxien.

Zeit: cirka 500 Millionen Jahre nach dem Urknall. Da die Materiedichte sehr hoch ist, gibt es sehr häufig Kollisionen. In den Gaswolken bilden sich gigantische Sternhaufen, einzelne Gaswolken stoßen zusammen und im Zentrum der Scheibe wächst die Gravitation. Schwarze Löcher verschmelzen durch die vergleichsweise minimalen Entfernungen oft zu sehr massereichen Schwarzen Löchern. Bei diesen Kollisionen und Verschmelzungen entstehen Dichtewellen, die das Gas komprimieren und das Entstehen zahlreicher neuer Sterne ermöglichen. Die Schwerkraft zieht Gas- und Staubwolken in die Zentren der massereichen kollidierenden Gaswolken und die ersten Protogalaxien und Quasare entstehen.

Anfang Oktober 2001 wurde ein prägalaktischer Sternhaufen entdeckt,  der etwa 500 Millionen Jahre nach dem Urknall entstand.

Auch die Milchstraße soll aus der Kollision und Verschmelzung von Protogalaxien entstanden sein. Die Sternhaufen im Halo sind die Überreste. Bei der Milchstraße haben rund 150 Kugelsternhaufen die  Spiralscheibenbildung überlebt. Ihr Umlauf ist stark elliptisch und sie sind zum Teil bis zu 180.000 Lichtjahre entfernt. Ihr Alter liegt bei cirka 14 Milliarden Jahren.

Noch nicht erklärbar ist die Entstehung des Gesamtsystems. Denn wie dicht müssen die Ursprungswolken und Protogalaxien gewesen sein und wie stark der Gravitationsdruck (evtl. mit dunkler Materie), damit cirka 500.000 Sterne astronomisch gesehen zeitgleich entstehen konnten, ohne die Wolke  mit dem Strahlungs- und Gasdruck (T-Tauri-Phase, Sonnenwinde, Supernovae)  zu zerstören und damit die Sternbildung zu unterbinden.

In den Spektren der Quasare, die ihr Licht rund 900 Millionen Jahre nach dem Urknall abstrahlten, wurden starke Ultraviolett-Absorptionen beobachtet. Folglich wurden in dieser Zeit die letzten Zonen neutralen Wasserstoffs ionisiert.

Im Januar 2003 wurde das Rätsel der Entstehung Schwarzer Löcher relativ kurz nach dem Urknall gelöst. Dunkle Materie hinterläßt eine charakteristische Signatur in der Strahlung des Wasserstoff-Gases, das in das Schwarze Loch fällt. Dieser Fingerabdruck wurde in einigen gemessenen Spektren der am weitesten entfernten Quasare gefunden. Die Berechnungen besagen, daß die Dunkle Materie rund um die Quasare etwa eine Billion Sonnenmassen wiegt. Daraus folgt, daß sich die Galaxie rund um den ältesten Quasar in 200 bis 300 Millionen Jahre gebildet hat, als das Universum cirka 900 Millionen Jahre alt war.

Zeit: cirka 1 Milliarde Jahre nach dem Urknall. Es gibt schon Quasare und helle Galaxien. In diesem Zeitbereich endet auch der weiteste Blick eines Teleskops und damit der tiefste Blick in die Vergangenheit im Bereich des sichtbaren Lichts.

Die massereichen Schwarzen Löcher bilden die Zentren konzentrierter Massenansammlungen. Diese Protogalaxien ziehen sich durch ihre Schwerkraft gegenseitig an und die Kollisionen bewirken nicht nur das Entstehen größerer Sternsysteme - der heutigen Galaxien - sondern auch einen heftigen Anstieg der Sternbildungsraten.

Diese Entwicklung dauert heute noch an. Obwohl die Galaxienbildung weitgehend abgeschlossen ist, sammeln sich die Galaxien zu Haufen, die ihrerseits zu einem gigantischen Filament-Netzwerk gerinnen, das sich durch das gesamte Universum zieht. Und auch die Galaxien unserer Lokalen Gruppe werden eines Tages im Schwerkraftzentrum verschmelzen.

Die ersten Galaxien befinden sich immer noch in den Filamenten und wandern dann zum Teil in Richtung Knoten, immer aber in Richtung Schwerkraftzentrum. In den Knoten, in denen sich mehrere Filamente treffen, bildeten sich die Galaxienhaufen. Alle Galaxienhaufen sind noch immer durch Brücken verbunden.

Im Mai 2001 wurde die Beobachtung eines rund 13 Milliarden Lichtjahre entfernten Quasars und mehrerer sehr schwach leuchtender Galaxien veröffentlicht, die bestätigte, daß die Galaxien wie Perlen auf einer Kette angeordnet waren.

Im März 2002 wurde die Entdeckung einer rund 15,5 Milliarden Lichtjahre alten Galaxie bekannt gegeben, die damit das älteste bekannte Objekt im Universum ist. Sie hat sich - nach der geltenden Zeitskala - etwa 780 Millionen Jahre nach dem Urknall gebildet.