Der Urknall und das Alter des Universums

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Steckbrief

Alter des Universums	etwa 13,8 Milliarden Jahre
Wichtigste Belege	Expansion, kosmische Hintergrundstrahlung, leichte Elemente
Expansion entdeckt	1929, Edwin Hubble (aufbauend auf Georges Lemaître, 1927)
Kosmische Hintergrundstrahlung gefunden	1965, Arno Penzias und Robert Wilson
Heutige Temperatur der Hintergrundstrahlung	etwa −270,4 °C (2,725 K)
Erste Atome entstanden	etwa 380.000 Jahre nach dem Urknall
Radius des beobachtbaren Universums	etwa 46 Milliarden Lichtjahre
Wichtigste Kartierungsmissionen	COBE, WMAP, Planck

Kurz gesagt

Der Urknall war keine Explosion im Raum, sondern die rasche Ausdehnung des Raums selbst aus einem heißen, dichten Zustand.
Das Universum ist etwa 13,8 Milliarden Jahre alt, gemessen vor allem anhand der kosmischen Hintergrundstrahlung.
Drei Hinweise stützen die Idee: auseinanderstrebende Galaxien, übrig gebliebene Wärme am ganzen Himmel und die Mischung der leichten Elemente.
Das beobachtbare Universum ist nur der Teil, dessen Licht uns bereits erreichen konnte; das ganze Universum könnte weit größer sein.
Die Theorie beschreibt, was nach dem Anfang geschah; sie sagt nicht, was davor war, falls überhaupt etwas.

Was der Urknall bedeutet

Der Urknall ist die wissenschaftliche Beschreibung, wie sich das Universum aus einem extrem heißen, dichten Frühzustand zu dem kühleren, weit ausgebreiteten Kosmos entwickelt hat, den wir heute sehen. Der Name klingt nach einer Explosion, doch eigentlich geht es um eine Dehnung.

Der Raum selbst dehnt sich seither aus und trägt die Galaxien voneinander weg. Dabei kühlte er ab, sodass sich im Lauf von Milliarden Jahren erst Teilchen, dann Atome und schließlich Sterne und Galaxien bilden konnten.

Die Theorie gehört zu den am besten geprüften Ideen der Wissenschaft. Sie versucht nicht zu erklären, warum es überhaupt ein Universum gibt, passt aber zu einer großen Bandbreite sorgfältiger Messungen.

Erster Hinweis: das expandierende Universum

In den 1920er-Jahren erkannte Georges Lemaître, dass ein Universum, das Einsteins Gravitationstheorie gehorcht, sich ausdehnen könnte. 1929 zeigte Edwin Hubble, dass sich ferne Galaxien von uns entfernen, und zwar umso schneller, je weiter weg sie sind.

Dieses Muster, heute Hubble-Lemaître-Gesetz genannt, ist genau das, was man erwartet, wenn sich der Raum überall gleichzeitig dehnt. Auch das Licht ferner Galaxien wird gedehnt und zu röteren Farben verschoben; Astronomen nennen das Rotverschiebung.

Spult man die Expansion wie einen Film rückwärts ab, rückt alles näher zusammen und wird dichter und heißer. Diese Überlegung deutet auf einen Anfang vor endlicher Zeit hin.

Zweiter Hinweis: die kosmische Hintergrundstrahlung

In den ersten etwa 380.000 Jahren war das Universum ein leuchtender Nebel aus geladenen Teilchen, den Licht nicht durchdringen konnte. Sobald es kühl genug war, dass sich Atome bildeten, lichtete sich der Nebel, und Licht konnte sich frei ausbreiten.

Dieses uralte Licht erfüllt noch heute jede Richtung des Himmels. Die Expansion hat es zu schwachen Mikrowellen gedehnt, nur noch etwa 2,7 Grad über dem absoluten Nullpunkt. Arno Penzias und Robert Wilson stießen 1965 zufällig darauf, als hartnäckiges Rauschen in ihrer Radioantenne.

Satelliten wie COBE, WMAP und Planck der ESA kartierten winzige Temperaturschwankungen in diesem Leuchten. Diese Schwankungen sind die Keime späterer Galaxien, und wenn man sie an Modelle anpasst, ergibt sich ein Alter von etwa 13,8 Milliarden Jahren.

Dritter Hinweis: die leichten Elemente

In den ersten Minuten war das ganze Universum heiß genug, um Atomkerne zu verschmelzen, ein wenig wie der Kern eines Sterns. Berechnungen sagen voraus, dass in diesem kurzen Zeitfenster, nach Masse gerechnet, etwa drei Viertel Wasserstoff und ein Viertel Helium entstanden sein sollten, dazu Spuren von Deuterium und Lithium.

Wenn Astronomen das älteste Gas und die ältesten Sterne vermessen, finden sie fast genau diese Anteile. Sterne allein hätten nicht so viel Helium erzeugen können, daher ist die Übereinstimmung ein starkes Argument für ein heißes frühes Universum.

Was „beobachtbares Universum“ bedeutet

Licht bewegt sich mit fester Geschwindigkeit, daher sehen wir nur Objekte, deren Licht uns erreichen konnte, seit das Universum durchsichtig wurde. Dieser Bereich um uns herum ist das beobachtbare Universum.

Man könnte erwarten, dass sein Radius 13,8 Milliarden Lichtjahre beträgt, doch er liegt bei etwa 46 Milliarden Lichtjahren. Der Grund: Der Raum dehnte sich weiter aus, während das Licht unterwegs war, sodass die Quellen heute viel weiter entfernt sind als zu dem Zeitpunkt, als das Licht sie verließ.

Jeder Beobachter in jeder Galaxie hat sein eigenes beobachtbares Universum mit sich selbst im Mittelpunkt. Jenseits seines Randes gibt es mit ziemlicher Sicherheit noch mehr Universum; wir können es nur noch nicht sehen und vielleicht niemals.

Verbreitete Missverständnisse

„Es war eine Explosion an einem Punkt im Raum.“ Es gibt keinen Mittelpunkt und kein Außen. Die Expansion geschieht überall, ähnlich wie Punkte auf einem Luftballon, die beim Aufblasen alle auseinanderrücken.

„Galaxien fliegen durch den Raum von uns weg.“ Meist wächst vor allem der Raum zwischen ihnen. Nahe Galaxien können sich wegen der Schwerkraft trotzdem aufeinander zubewegen; die Andromedagalaxie ist auf dem Weg zu uns.

„Der Urknall erklärt den allerersten Augenblick.“ Unsere Physik versagt in den frühesten Momenten. Ideen wie die kosmische Inflation versuchen diese Ära zu beschreiben, doch was davor war, falls die Frage überhaupt Sinn ergibt, bleibt offen.

„Die Wissenschaftler ändern ständig das Alter.“ Verschiedene Methoden stimmen bei etwa 13,8 Milliarden Jahren überein. Es gibt eine kleine, andauernde Unstimmigkeit über die heutige Expansionsrate, die sogenannte Hubble-Spannung, doch sie stellt das Grundbild nicht infrage.