Was die Welt im Innersten zusammenhält...

 war 380 000 Jahre nach dem Urknall nicht größer als das, was im Quadrat sitzt.

Das Bild zeigt den gesamten uns umgebenden Himmel, aufgenommen mit Mikrowellenempfängern durch den Planck-Satelliten (ESA). Man sieht das heiße Urknallgas bei einer Temperatur von rund 3000 Grad.

Die Flecken sind leicht heißere oder kältere Gebiete. Die Abweichungen betragen einen Bruchteil eines Grades. Aber aus ihnen hat sich die heutige Struktur der Galaxien entwickelt.

Das kleine Quadrat (unterhalb des Pfeiles) stellt den kausalen Bereich dar: nur das, was innerhalb des Quadrats ist, hatte Zeit bis zu diesem Zeitpunkt gleichartige Strukturen, eine gemeinsame Temperatur (bis auf 1 Millionstel Grad) durch kausale Wechselwirkungen einzustellen.

Aber das Bild zeigt über all gleichartige Strukturierung und vor allem kann man über den gesamten Himmel hinweg eine Temperatur von 2,725 +/-0,001 Grad über absolut 0 messen.

Durch welchen physikalischen Effekt hat sich denn diese Gleichheit eingestellt? Nur Gebiete, die so klein wie dieses Quadrat sind, können überhaupt physikalische Wechselwirkungen weitergeben.

Nun, in meiner Kosmologie-Vortragsreihe ab Do, 20.10. werden wir viel darüber erfahren (sie findet im FutureSpace statt und wird über unseren neuen YouTube Kanal gestreamt).

Hier sei nur  die zur Zeit als wahrscheinlich angesehene Überlegung erwähnt:

Die Struktur unseres Kosmos, und damit unsere eigene Existenz, ist die Folge von Energiefluktuationen des Vakuums bei der Entstehung des Kosmos. Diese sind durch ein gigantisches Aufblähen aller Strukturen auf die heutige Größe gekommen.

Und nur deshalb ist der Kosmos als Ganzes aus einem Guss. 

Wir kommen um den Urknall wohl nicht herum...Nicht alles, was möglich ist, gibt es auch...

 Friedmann Modelle ohne Urknall

Bei geeigneter Wahl der Parameter in den Gleichungen, kann man auch Universen ohne Urknall aus den Friedmanngleichungen folgern.

Bild: Mögliche aus den Friedmanngleichungen folgende Universen (aus Harrison Kosmologie)

Damit das möglich ist, muss irgendwann in der Geschichte des Kosmos ein endlicher Skalenfaktor R existieren, der einen kleinsten Wert durchläuft, der nicht 0 ist (ein Minimum). Aus der Mathematik kennt man dazu die Bedingungen:

1. Ableitung (Steigung) dR/dt = 0

2. Ableitung (Beschleunigung) dR²/dt² > 0

Damit kann man aus den Friedmanngleichungen Bedingungen für Strahlungsdichte und Materiedichte ableiten.

Zu diesem minimalen Skalenfaktor gehört eine maximale Rotverschiebung z.

Wir beobachten Rotverschiebungen z > 10.

Deshalb müsste für einen urknallfreien Kosmos der Anteil der Strahlungsenergie im Kosmos unter 0,007% liegen und der Anteil der Materiedichte muss unter 0,15% liegen.

Wir beobachten aber einen Anteil der Materiedichte von 25% (normale Materie und Dunkle Materie).

Das ist ein Faktor 170 zu viel!

Der beobachtete Anteil der Strahlungsdichte von 0,009% liegt auch über dem erlaubten Maximalwert.

Fazit: Es gibt ein Kosmos ohne Urknall...aber da wäre nichts drin, aus dem man Beobachter auf Planeten basteln könnte...

Also sind wir froh, dass wir in einem Kosmos mit Urknall leben (können).

Überspitzt gesagt: Ohne uns gäbe es keinen Urknall und ohne Urknall gäbe es uns nicht.

Ende der Mini-Postserie

Wir kommen um einen Urknall wohl nicht herum....: Alles ist noch recht jung

 Nehmen wir einmal an, wir hätten keinerlei theoretische Vorstellungen über einen möglichen Anfang des Kosmos und ob es diesen überhaupt gibt, aber wir wären kluge und gute Beobachter.

Gibt es Hinweise auf einen Anfang, auf einen Urknall?

Ja, ich möchte einmal einige aufzählen:

- Nachts ist es dunkel...(für uns)

Was ist damit gemeint? Bei klarem Wetter sieht man Sterne oder Galaxien am Himmel und dahinter dunklen Raum.

Wäre unser Universum sehr alt und sehr groß, dann müsste uns das Licht vieler weit entfernter Galaxien  erreicht haben, die alle zusammen den Nachthimmel aufhellen.

Woran liegt das? Die Intensität der Strahlung nimmt mit dem Quadrat der Entfernung ab, aber auch die Fläche unter der wir eine Galaxie am Himmel sehen. Damit bleibt die sog. Flächenhelligkeit einer Galaxie konstant, sie ist immer gleich groß, egal wie weit sie entfernt ist.

Wäre der Kosmos Billionen mal größer und Billionen mal älter, so würde sich das Licht aller Galaxien überlappen und den Himmel aufhellen.

Das ist in abgewandelter Form das berühmte Olbersche Paradoxon (1823).

Es kann also keinen ewigen unendlich großen Kosmos geben. Er muss also einen Anfang gehabt haben.

- Für Mikrowellenteleskope ist es nachts hell.

Im Bereich der Mikrowellen sehen wir ein nahezu gleichförmiges Leuchten am Himmel, dessen Energieverteilung auf die einzelnen Wellenlängen einer Temperatur von 2,7 K entspricht. Dieses Leuchten kann man nicht als Überlagerung weit entfernter Quellen erklären. Die naheliegende Erklärung erfordert aber auch theoretische Ideen, nämlich eine Abkühlung eines weit in der Vergangenheit liegenden Gases durch Expansion des Kosmos. Beides zusammen deutet auf einen Urknall hin.

Bild: Schwedische Akademie der Wissenschaften

- Galaxien entwickeln sich

Wir können recht eindeutig erkennen, dass weit entfernte Galaxien anders aufgebaut sind, andere Größen haben als nahe Galaxien. Galaxien in großer Entfernung sehen wir aber in weit zurückliegender Vergangenheit. Es muss also eine Entwicklung der Galaxien von jung zu alt geben. Damit hat die Existenz der Galaxien einen Anfang, vor etwa 13,4 Milliarden Jahren.

Aus größerer Vergangenheit bekommen wir kein Licht von Galaxien, da es sie da noch nicht gegeben hat.

- Der Kosmos expandiert.

Hubble hat vor fast 100 Jahren entdeckt, dass das Licht der Galaxien zu längeren Wellenlängen auseinander gezogen wird, wenn die Galaxie weiter entfernt ist. Das deutet darauf hin, dass der Kosmos sich ausdehnt, während das Licht zu uns unterwegs ist.

Ein sich ausdehnender Kosmos aber war früher kleiner. Und die Ausdehnung muss mal begonnen haben.

- Der Anfang war heißer

Wendet man das so gefundene Ausdehnungsgesetz auf die Mikrowellenstrahlung an, so muss sie von einem 3000 K heißen Gas stammen. Je jünger der Kosmos ist, desto heißer ist diese Strahlung. Auch Zwischenwerte von etwa 10 K in mittleren Entfernungen lassen sich inzwischen messen.

- Es gibt Altersgrenzen

Mit immer genaueren Methoden können wir das Alter der Objktre im Univerusm abshcätzen und daraus eine Grenze für das Alter des Kosmos ableiten:

Radioaktivität auf der Erde: Kosmos älter als  7 - 13 Mrd. Jahre

Kugelsternhaufen: Kosmos etwa 13 - 14 Mrd. Jahre alt

Weißer Zwerge: Kosmos muss etwas über 12 Mrd. Jahre alt sein

Kosmische Expansion: Alter des Kosmos 13,4 +/- 0,3 Mrd. Jahre

Im nächsten Post lernen wir, was uns die Modelle zum Anfang sagen...denn sie lassen einen Kosmos ohne Urknall zu.

Danach lernen wir, welche Beobachtungen des gegenwärtigen Kosmos diese Urknallvorstellung erklären kann, ein weiteres Plus für den Urknall..

Wir kommen um einen Urknall wohl nicht herum...: Begriffsklärung

 Der Begriff Urknall (Big Bang im Englischen) ist eigentlich eher als  Kritik an einem Weltmodell entstanden, das dem Kosmos einen Anfang setzt.

Viele denken dabei an einen Schöpfungsakt. Wann hat der stattgefunden? In unserer Zeit? Dann muss es auch etwas davor gegeben haben, etwas, was diesen Akt ausgelöst hat...und so können wir den Anfang von allem immer weiter nach hinten verschieben.

Für mich sind auch religiöse Deutungen keine Möglichkeit, die ich ernsthaft in Betracht ziehe.

Alle Religionen sind menschenzentriert, denn sie sind von Menschen ausgedacht und von Menschen erfunden worden...bewusst oder unbewusst, das spielt keine Rolle: Immer steht der Mensch auf dieser Erde im Mittelpunkt des göttlichen Wirkens.

Ein Schöpfergott passt nicht in ein Universum mit 300 Milliarden Galaxien aus jeweils 300 Milliarden Sternen, von denen viele wohl Planeten haben, auf denen sich durchaus auch Leben, vielleicht sogar intelligenteres Leben als bei uns, hat bilden können.

Unser Bild vom Kosmos hat sich in den letzten 50 Jahren drastisch geändert: Von einem zyklischen, ewigen Kosmos (ohne Beobachtungsgrundlage, nur aus der philosophischen Überzeugung heraus postuliert!) bis hin zu einer Einmaligkeit der Existenz, so wie alles im Kosmos auch einmalig und vergänglich ist. Von einem Universum, in dem es keinerlei Hinweise auf Leben außerhalb der Erde gab bis hin zu einem Kosmos, bei dem wir überall Moleküle des Lebens entdecken.

Dem haben keine religiöse Deutungen Rechnung getragen, wie auch...sie sind ja aus der Phantasie früherer Jahrhunderte entstanden.

Auch die Astrologen ignorieren moderne Erkenntnisse, wie die Taumelbewegung der Erdachse, die zu einer Abweichung zwischen Tierkreiszeichen und Tierkreissternbildern geführt hat: Die Jungfrau ist inzwischen ein Löwe!

Im Standardmodell der Kosmologie  ist  die Inflationsphase integriert: Ein nahezu unmittelbar zu Beginn erfolgtes Aufblähen des winzigen Universums auf eine gigantische Größe. Ob die unverstandene Dunkle Energie dafür verantwortlich ist oder eine andere Kraft ist letztlich unbekannt. Aber mit dieser nahezu schlagartigen Vergrößerung können wir sehr viele Beobachtungen deuten:

- Der beobachtbare Teil des Universums scheint keinerlei Raum-Zeit-Krümmung zu besitzen. Das lässt sich leicht auf die exponentielle Vergrößerung zurückführen: Auch der Königsplatz auf der Erde zeigt nicht die Krümmung der Erdoberfläche an.

- Der heutige Kosmos (wir schauen in jede Richtung auf etwa 45 Milliarden Lichtjahre) ist im Großen und Ganzen gesehen gleichartig aufgebaut. Innerhalb des Weltalters von knapp 14 Milliarden Jahren könnte man das in einem so großen Universum mit der Lichtgeschwindigkeit als höchste Signalgeschwindigkeit nicht bewerkstelligen.

- Das Inflationsmodell kann die Struktur des Kosmos (Netzwerk aus Galaxienhaufen) durch Quantenfluktuationen erklären, die durch die Inflation auf makroskopische Größen ausgedehnt wurden.

Darüber wollen wir aber in dieser kleinen Postserie nicht sprechen: Aber diesen Prozess des inflationären Aufblähens könnte man durchaus auch als Urknall bezeichnen.

Überhaupt ist die Frage nach dem Anfang des Kosmos letztlich nur eine typisch menschliche Frage.

Unsere Lebenserfahrung sagt uns von Kind an: Alles was da ist, hat etwas aus dem es hervorgegangen ist. Ich als Kind habe Eltern, die haben meine Großeltern als Eltern. Das Haus wurde von Menschen aus Steinen und anderem Material gebaut.

Aber unsere Erfahrung stammt aus der Interpretation der Sinneseindrücke, die unser Gehirn erhält und über ererbte Mechanismen interpretiert.

Das ist unsere Wirklichkeit, die mit einer wie auch immer gearteten Realität nichts zu tun haben muss...

Also suchen wir in unserer Wirklichkeit auf Hinweise auf einen Anfang des Kosmos, die haben wir nachvollziehbar gefunden.

Und somit muss es etwas gegeben haben, was diesen Anfang ausgelöst hat.

Das zeigt auch das Modell der Kosmologin Anna Ijjas, in deren Bild ich Beschriftungen eingefügt habe:

Und wenn wir Menschen das nicht finden, was vorher war,  dann erfinden wir es...so funktioniert unser Gehirn.

Da gibt es dann die religiöse Erfindung eines Schöpfers oder die "wissenschaftliche (?)" Erfindung eines Multiversums oder die von Roger Penrose, der an ein Universum vor dem Universum glaubt (was auch immer das bringen mag...).

Und Albert Einstein hat uns mit seiner Relativitätstheorie gezeigt, dass Zeit relativ ist: Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft sind eine Illusion. Braucht es da noch eine Ursache und einen Anfang: Alles IST!?

In der Wissenschaft gibt es den Prozess der Autopoiese:

Ein System erzeugt sich selbst aus den Elementen aus denen es besteht. Es gibt keinen Anfang, keine Ursache und keine Schöpfung.

Das passt nun so gar nicht in unsere Wirklichkeit....aber vielleicht zu unserem Kosmos?

Wie schön wäre es also, wenn es diesen lästigen Urknall gar nicht geben würde, wenn wir in einem ewigen Universum leben würden und uns keine Gedanken über den Anfang und den Erzeugungsprozess machen müssten.

In den nächsten Posts möchte ich nun die Beobachtungen beschreiben, die uns   auf die Existenz eines Anfangszustandes unseres Kosmos hinweisen. Den wollen wir weiterhin Urknall nennen.

In der Summe scheint der Urknall eine gesetzte Tatsache zu sein, die wir in unseren Kosmologien berücksichtigen müssen.

wird fortgesetzt

Das Ende des Dunklen Zeitalters

 Wenige Minuten nach dem Urknall haben sich aus Protonen die ersten Elemente gebildet: Deuterium und Helium.

Aber wegen der noch sehr hohen Temperatur konnten sich keine Atome bilden: Atomkerne und Elektronen waren getrennt.

Freie Elektronen aber können elektromagnetische Wellen, also auch Licht, leicht und effektiv absorbieren.

Das Licht ist im ionisierten Urknallgas gefangen.

Dr Kosmos expandiert, kühlt sich dabei ab. Nach etwa 300 000 Jahren bilden sich neutrale Atome. Dieses neutrale Gas ist für Licht durchsichtig, das Licht entweicht aus dem Gas, das aufhört zu leuchten. Sterne, die neues Licht produzieren, gibt es noch nicht.

Wir sehen den Bereich des letzten gestreuten Lichtes als Leuchten des Urknalls, als kosmische Hintergrundstrahlung. Durch die Expansion des Universums ist das Licht aber von der Farbe Rot zu Mikrowellen gewechselt (Bild 1).

Das Dunkle Zeitalter hat begonnen.

Die Gravitation verdichtet an vielen Bereichen das Gas und sorgt für die Bildung von Sternen. Da es nur Wasserstoff und Helium gibt, bilden sich bevorzugt sehr große (bis zu 300 Sonnenradien) und sehr massereiche Sterne, mit kräftigen Leuchtkräften (bis zum Millionenfachen der Sonnenleuchtkraft).

Diese Sterne sind sehr heiß, senden viel UV-Strahlung aus und explodieren nach wenigen Millionen Jahren als Supernovae.

Dadurch bilden sich immer mehr Blasen aus ionisierten Gasen. Diese Plasma-Bereiche wachsen und verschmelzen.

Das ist die Phase der Reionisation, die etwa 500 Millionen Jahre bis 1 Milliarden Jahre nach dem Urknall das dunkle Zeitalter beendet.

Die Abläufe sind in Bild 2 zusammengestellt.

Das Video zeigt diesen Übergang als Simulation (ionisiertes Gas ist blau dargestellt).

Genau aus dieser Entwicklungsstufe beobachtet man inzwischen auch die Bildung junger Galaxien.

credit: ESA/Planck,NAOK, Alvarez, Kahler, Abel

                   (nicht vergessen: billion heißt Milliarden!)

Ein Ereignishorizont ist nichts besonders

 Kollabiert ein Stern zu einem Schwarzen Loch SL, so sehen wir die Annäherung der Sterngröße an den Schwarzschildradius immer langsamer. Der kollabierende Stern scheint eingefroren zu werden, er erreicht für uns das exakte Stadium des SL nicht.

Noch mehr: Die vom Stern kommende Strahlung wird für uns immer energieärmer, der Stern röter, bis wir ihn gar  nicht mehr sehen können.

Eddington und Finkelstein haben gezeigt, dass diese Effekte von der Metrik herrühren, die Schwarzschild eingeführt hat, d.h. von der Art und Weise wie Raum-Zeit- Punkten Koordinaten zugewiesen werden.

In der Eddington-Finkelstein-Metrik verliert der EH seine Sonderstellung: Ein zum Zentrum des SL fallender Beobachter würde nichts besonderes bemerken, wenn er den EH überschreitet.

Das allgemeinste System aus Koordinaten, mit der ein SL beschrieben wird, ist die sog. Kruskal-Metrik.

Auch hier gibt es an Zeiten erinnernde Koordinaten T und an Orte erinnernde Koordinaten X.

Trägt man T gegen X auf, so erhält man ein besonderes Raum-Zeit-Diagramm, das Kruskal-Diagramm (nach wikipedia common, Ergänzungen von mir).

Der EH wird durch die beiden dicken Diagonalen dargestellt. Unsere Welt ist der rechts eingeschlossene Teil. In die Gegenwelt links kommen wir nicht, denn wir müssten den EH bei den Koordinaten (00) überqueren. Das geht nur mit einem Wurmloch...theoretisch...

Alle Bewegungen, die den EH aus unserer Welt überschreiten, müssen auf die grau unterlegte Singularität zulaufen. Der von den EH-Linien eingeschossene obere Teil ist das SL. Dort entwickelt sich alles in Richtung der (räumlichen) Singularität. So wie sich in unserer Welt alles Richtung Zukunft entwickelt. Insofern sind am EH die Wirkungen von Raum und Zeit ausgetauscht. 

Außerhalb eines SL kommt man nur in die Zukunft, innerhalb nur zur Singularität hin.

Auch  im gegenüberliegenden unteren Teil müssen alle Bewegungen in Richtung zunehmendem T gehen, sie kommen aus der unteren Singularität heraus, genau das sind die Eigenschaften eines Weißen Lochs WL.

Ein Weißes Loch hat also eine Singularität in der Vergangenheit, aus der alles kommt.

Beschreiben wir damit das, was wir in unserem Kosmos den Urknall nennen?

Thesan: Das größte und detailreichste Modell des frühen Universums

 Nach dem Urknall wu7rde es dunkel im Kosmos. Bis die ersten Sterne entstanden, deren UV-Licht die Gase ionisierten und zu heißen leuchtenden Plasmen machten.

In dieser Phase der sog. Reionisation haben sich auch die Galaxien gebildet.

Mit 30 Millionen CPU-Stunden auf 60 000 Rechenkernen (ein Desktoprechner würde 5700 Jahre dazu brauchen) haben Forschende des MPA und der Havard Universität nun die größte und detailreichste Simulation des frühen Universums erzeugt. Sie können dabei sogar den Anblick von Objekten mit ALMA oder dem JWST simulieren, beste Voraussetzung für einen Vergleich mit der Realität.

Sie haben Modelle der Galaxienbildung kombiniert mit Modellen zur Wechselwirkung mit Gas und Staub.

Dabei konnten sie einen Bereich von 300 Millionen Lichtjahren für einen Zeitraum von 1 Milliarden Jahren verfolgen.

Im Video sehen wir die Entwicklung der kosmischen Strukturen, rechts wird die Zeit nach dem Urknall angezeigt.

Bild: MPA

Ein neues Modell, das alles erklärt...

 Das Higgs-Teilchen wechselwirkt mit fast allen elementaren Objekten und verhilft ihnen so zu einer Eigenschaft, die wir (träge) Masse nennen.

Dazu mehr: https://newtonzueinstein.blogspot.com/2021/12/p-61-zah-wie-schleim.html

Wie Higgs-Teilchen Masse machen

Es ist bei einer doch unerwarteten niedrigen Masse von 125 GeV (ca. 130 Protonenmassen) eindeutig in Experimenten am LHC nachgewiesen worden.

Aber warum es diese Masse hat, ist unbekannt.

Einen fast üblichen Ausweg aus dieser Situation haben jetzt D`Agnolo (CEA)  und Teresi (CERN) in den Physical Review Letters publiziert.

Unser Kosmos bestand zu Beginn aus vielen Universen, solche mit leichten und solche mit schweren Higgs-Teilchen. Die Universen mit schweren Higgs-Teilchen sind alle sehr schnell kollabiert, die mit dem leichten Higgs-Teilchen sind übriggeblieben.

In einem von ihnen leben wir.

Nun ja...

Aber: In ihrem Modell müssen sie zwei neue Teilchen einführen.

Mit ihnen können sie auch ein anderes Problem der Physik lösen:

Wenn man Physik in einer Spiegelwelt durchführt und gleichzeitig die Ladungen austauscht, so gibt es wieder funktionierende physikalische Prozesse. Das nennt man die CP-Invarianz.

Die schwache Kraft verletzt diese CP-Invarianz.

Das müsste die starke Kraft eigentlich auch tun, denn nur so könnten wir den Überschuss von Materie im Kosmos gegen die Antimaterie erklären.

Sie tut es aber nicht.

Das kann in dem neuen Modell erklärt werden.

Und die neuen Teilchen sind auch gute Kandidaten für die Dunkle Materie.

Warten wir ab, was man von diesem Modell noch hört...

Ich werde darauf in meiner Vortragsreihe über Elementarteilchen eingehen, vermutlich aber erst am 10.2.!

Am 27.2. um 18.00 Uhr unter www.sfn-kassel.de/live geht es um eine ebenso brisante Frage: Warum ist das Proton das leichteste Baryon und kann somit auch nicht zerfallen?

Das allerdings kann ich erklären.

Zum Jahreswechsel

Liebe Leser/innen des Blogs 

ein weiteres Corona-Jahr nähert sich dem Ende und auch das neue Jahr wird uns sicher einige unangenehme Überraschungen bieten...

Keine schönen Aussichten für einen Jahreswechsel.

Dennoch müssen wir optimistisch in das Jahr 2022 blicken. Im Sommer werden wir sicher wieder deutlich mehr Freiheiten bekommen und ich hoffe, dass wir im nächsten Herbst noch besser mit den Gefahren durch das neue Virus umgehen können.

Im März 2022 wird der AAK 50 Jahre alt.

Wir haben uns vor einigen Monaten entschlossen, das erst im Sommer zu feiern. An einem Wochenende wollen wir uns treffen, es gibt Vorträge, ein gemeinsames Essen und ein Besuch in den Räumen des ehemaligen Hermann-Schafft-Hauses und auf dem Gelände der ehemaligen Sternwarte Calden..

Ich schlage vor, dafür den Sa, 28.5. zu reservieren. Das ist das Wochenende nach Himmelfahrt.

Im März/April, wenn wir die Entwicklung der Pandemie etwas besser überblicken können, werde ich ein Programm erstellen.

Seit langer Zeit ist die Sternwarte auf dem SFN für die Öffentlichkeit geschlossen, zu sehr ist die Gefahr einer Infektion über die Okulare.

Aber gemeinsam mit Mark ist es mir gelungen, ein sehr attraktives Online-Angebot aufzubauen. Freitags geht man online auf die Sternwarte: sfn-kassel.de/live.

Es gibt Vorträge (an denen sich außer Mark und mir inzwischen auch andere Jugendliche beteiligen) und bei entsprechendem Wetter blicken wir sogar live durch die Fernrohre.

Es sind viele Hundert bis Tausend Menschen, die diesen Veranstaltungen folgen.

Auch unsere Vorträge laufen weiter, natürlich online, aber auch mit Tausenden von Teilnehmern.

So hat die Pandemie auch etwas Gutes (falls man das überhaupt so sagen darf): Wir waren gezwungen und haben gelernt, uns einen weiten Kreis von Menschen zu erschließen, denen wir ein astronomisches Weltbild und Wissen präsentieren können.

Ich vermisse zwar sehr den direkten Kontakt bei den Veranstaltungen, aber freue mich über jede online gestellte Frage.

Von Monat zu Monat wird mir klarer, dass sich unser Leben und unsere Welt verändert hat. Das schmerzt.

Aber machen wir das beste draus.

Bleibt gesund, unterstützt den Kampf gegen das Virus durch Impfen und Kontaktbeschränkung, blickt aber auch positiv in die Zukunft.

Alles Gute zum Jahreswechsel!

KP Haupt

PS: Auch an Silvester gibt es um 20.00 Uhr ein Gesprächskreis: Ich unterhalte mich mit Mark (19), Tereza (16), Johannes (13) und Jason (16) über philosophische Fragen zur Kosmologie:

www.sfn-kassel.de/live

Am 6.1. gibt es zum Thema Elementarteilchenphysik eine Live-Zoom-Konferenz (der Link wird eine Stunde vorher unter Termine auf der SFN Homepage und im Astronomie-Blog bekannt gegeben), der Kurs geht am 13.1. unter sfn-kassel.de/live weiter.

Es wird enger für die Inflation

 Am Südpol der Erde wird seit längerem die Polarisation der Mikrowellenstrahlung vom Urknallgas untersucht.

Nun sind alle Daten bis 2018 durch die Detektoren BICEP2, BICEP 3 und Keck Array ausgewertet und veröffentlicht worden. Die Daten wurden auf einer Fläche von 500 Quadratgrad bei verschiedenen Mikrowellenfrequenzen erhoben.

Inflation bedeutet, dass zu Beginn unseres Universums der Kosmos von atomarer Größe auf Lichtjahre ausgedehnt wurde. Da dabei auch alle Materie und Energie mitbewegt sind, muss es starke Gravitaitonswellen aus dieser Zeit geben.

Diese können wegen der großen Wellenlängen bisher noch nicht direkt untersucht werden.

Aber sie haben Einfluss auf die Verteilung des Urknallgases und damit auf die Polarisation der  3K- Strahlung. 

Die Auswertungen schließen einige, leider sehr populäre, Inflationsszenarien aus, ebenso die Inflationsmodell, die aus der Stringtheorie kommen.

Die Polarisationsstrukturen werden durch das Standardmodell der kalten Dunklen Materie mit Dunkler Energie, Überlagerungen von Staub und Rauschen beschrieben.

Die E-Modes entstehen durch Streuung des Lichtes an Elektronen. Für die  B-Modes, die besonders durch Einwirkungen von Staub verändert werden, gibt es zwei Möglichkeiten: Es sind E-Modes, verändert durch die Einwirkung von Gravitationslinsen oder sie sind durch Gravitationswellenmuster entstanden. 

Das alles muss durch die Modellbildung auseinandergehalten werden...

Zur Inflation: Mit der schlagartige Vergrößerung des Kosmos zu Beginn könnte man viele Eigenschaften unseres Universums sehr gut und sehr einfach erklären. Damit es aber zu einer Theorie wird, müssen Auswirkungen einer Inflation beobachtet werden.

Das kopernikanische Weltbild hat auch, wie die Epizykel, die Planetenbewegung am Himmel erklärt. Aber erst beobachtete Effekte wie die Verschiebung der Sternpositionen durch den Umlauf der Erde haben der kopernikanischen Vorstellung zur bestätigten Theorie verholfen.

Die Inflation ist nicht der Urknall. Unter Urknall versteht man lediglich die Entwicklung des Kosmos aus einem heißen, kleinen Anfangszustand. Diese Vorstellung ist durch zahlreiche Beobachtungen sehr gut bestätigt. Aber Inflation könnte ein Teil des Urknallprozesses sein.

Harvard University

BICEP Teleskope rechts, credit: Donenfeld

Links: E-modes mit Rauschen und CDM, rechts: B-Modes mit Polarisaiton durch Staub, BICEP/Keck Coll.

Wo kommt das Lithium für die Lithiumbatterien her? Teil 2

 Wieviel Lithium es im Kosmos gibt und durch welche Prozesse es entstanden ist, kann noch nicht abschließend gesagt werden.

Aber es deutet sich folgendes an:

- In den ersten drei Minuten beim Urknall war die Materie noch heiß und dicht genug für Kernfusion von Wasserstoff zu Helium. Dabei haben sich auch  die leichten Elemente Lithium (3p und 3n), Li 7 (3p, 4n) und Berillium gebildet.

Unter 1% des Lithiums stammt also aus den ersten drei Minuten unseres Kosmos.

Es gab zwar viel mehr Lithium, aber im Inneren der Sterne ist Lithium weiter zu Helium verarbeitet worden.

In den äußeren Schichten der Sterne beobachtet man aber nur 20% der Lithium Li 7 Menge, die das Urknallmodell vorhersagt. Ist es, weil schwerer als H und He, in das Innere der Sterne abgesunken? 

Bei Li 6 ist es umgekehrt. Da wird teilweise bis zu 200 Mal mehr Li beobachtet, als es das Urknallmodell vorhersagt.

Es muss also noch eine weitere Produktionsmöglichkeit für Li 6 geben:

- Einmal deutet sich an, dass Rote Riesen durch Kernfusion Li 6 produzieren und abgeben.

- Entscheidend aber dürfte die Produktion durch die kosmische Strahlung sein: Schnelle Protonen donnern in Atomkerne von Kohlenstoff und Sauerstoff und zerschlagen diese (Spallation). Dabei entsteht u.a. Lithium als Bruchstück. 

Fazit: Das Lithium in unseren Lithiumbatterien verdanken wir der kosmischen Strahlung, die C und O Atome zerlegt. Und die kosmische Strahlung entsteht u.a. bei der Explosion von Sternen.

Die Abbildungen (Uni Regensburg) zeigen:

- Produktionsmengen der leichten Elemente beim Urknall 

- Fusionsprozesse, die zu Li 7 führen

 

Wo kommt das Lithium für die Lithiumbatterien her? Teil 1

 Lithium ist wichtiger Bestandteil unserer Batterien/Akkus. 

Erst seit 30 Jahren sind sie im Einsatz, vor zwei Jahren wurde die Erfindung mit dem Nobelpreis für Chemie gewürdigt. Der Ladungstransport im Inneren der Batterien wird durch Lithium-Ionen ermöglicht.

Wir brauchen Lithium  für die Batterien der Elektroautos, aber auch für die Akkus unserer Handys und Laptops.

 Der große Vorteil ist die geringe Dichte (0,53 g/cm³) des Lithiums, dadurch sind die Lithiumbatterien besonders leicht.

Die größten bekannten Vorkommen sind in Chile. Dort gibt es riesige unterirdische Salzseen, die viel Lithiumsalz enthalten. Das Wasser wird an die Oberfläche gepumpt, dort verdunstet es und aus dem zurückbleibenden Salz wird das Lithium für unsere Batterien produziert.

Diese Gewinnungsmethode ist umstritten. Es wird zwar kein direktes Wasser eingesetzt, aber durch die Wasserentnahme aus der Tiefe und die anschließende Verdunstung könnte ein weiter Bereich des Bodens dauerhaft austrocknen. Und das ist in der Atacamawüste, der trockensten Region der Erde, sehr kritisch.

Der größte Lithiumlieferant ist zur Zeit aber Australien. Dort wird es beim Erzabbau gewonnen.

Seit kurzem vermutet man unter der Salzkruste des Uyuni-Sees in Bolivien die wohl weltweit größten Vorkommen von Lithium.

Bild: Salzsee in der Atacamawüste in Chile

Aber wo kommt letztlich das ganze Lithium auf der Erde her?

siehe dazu Teil 2 der Miniserie

Die nahe und ferne Zukunft der europäischen Raumfahrt, Teil 4

 Wir kommen nun zum dritten großen Bereich, der nach 2035 in Angriff genommen werden soll:

Neue Beobachtungen des jungen Universums

Durch den Planck Satellit ist ja die Urknallstrahlung mit höchster Genauigkeit untersucht worden. Aber es müssen noch hochauflösende Spektren der Hintergrundstrahlung aufgenommen werden.

Wie haben sich die ersten Strukturen im Kosmos gebildet? Gibt es Hinweise auf den Ablauf des Urknalls? Wie und wann sind die ersten Schwarzen Löcher entstanden und wie haben sie die weitere Entwicklung der jungen Galaxien beeinflusst?

Bis 2035 wird der Gravitationswellen Detektor LISA vielleicht schon Gravitationswellen vom Urknall nachgewiesen haben. Das sollte auf alle Fälle in der fernen Zukunft fortgeführt und verstärkt werden. Aber auch andere Beobachtungen, z.B. bei hohen Energien im Gammabereich, könnten die gewünschten Informationen liefern.

Bild: ESA

Warum wir die Dunkle Materie brauchen

 Wie sind die großen Strukturen des Kosmos entstanden, die Galaxien und die Galaxienhaufen?

In den ersten 50 000 Jahren nach dem Urknall war die Energiedichte der Strahlung größer als die Energiedichte der Materie (welcher auch immer). Vereinfacht gesagt: Die große Hitze hat alles zerstört, was sich zufälligerweise hätte bilden können.

Danach überwog die Energiedichte der Materie und alles, was Schwerkraft hatte, konnte sich unter dem eigenen Gewicht zusammenziehen.

Aber die Schwerkraftunterschiede damals, 50 000 Jahre nach dem Urknall, waren extrem klein. Auf die Schwerkraft auf der Erdoberfläche bezogen (also auf 1 g), wären das Schwerkräfte wie bei  Abständen von 300 Mill km von der Erde. Und das bei damaligen Größenordnungen von 300 Quadrillionen km (das ist eine Zahl mit 15 Nullen).

Was heißt das? Das Eigengewicht der ersten Strukturen war so klein, dass es kaum eine Chance gab gegen die Ausdehnung des Kosmos und andere Störungen anzukommen. Allein die elektrischen Kräfte zwischen den Elektronen und Ionen des heißen Plasmas waren zigfach größer als alle gravitativen Kräfte.

Und Elektronen und Ionen sollten ja durch die Eigenschwerkraft Strukturen bilden!

Also: Eigentlich dürfte es uns heute nicht geben. Es sei denn, im Kosmos gibt es etwas, was Schwerkraft ausüben kann, gravitative Strukturen verstärken kann, aber eben nicht mit den geladenen Objekten wie Elektronen und Ionen wechselwirken kann, d.h. die zerstörerischen Kräfte der Ladungen gar nicht spürt.

Ein Großteil der Masse unseres Kosmos muss also aus Materie bestehen, die nicht mit Strahlung wechselwirken kann, also dunkel ist, ungeladen ist aber trotz allem Schwerkraft erzeugt.

Nun man ahnt es schon: Das ist die Dunkle Materie DM.

Nur DM konnte die "zarten" gravitativen Strukturen, die zu Galaxien und Galaxienhaufen werden, verstärken und gegen Strahlung und Ladung absichern.

Kandidaten dazu wären die Neutrinos. Da diese sehr schnell sind, spricht man von H-DM, von heißer DM.

Modellrechnungen zeigen, dass man damit nur riesige Strukturen wie Superhaufen erklären könnte. Galaxien erfordern kalte DM, C-DM. Und woraus die besteht, das wissen wir nicht.

Ich möchte versuchen, die Dichteangaben einmal zu veranschaulichen:

Stellen wir uns einen Würfel mit der Kantenlänge 1 km vor. Den kann man gut in das Stadtzentrum von Kassel stellen. Er geht dann von der Uni am HoPla zum Rathaus und weit rüber nach Rothenditmold...und ist 1 km hoch.

In einem solchen Würfel sind im Mittel im Kosmos 0,4 Billionstel Milligramm normale Materie, 2,2 Billionstel Milligramm Dunkle Materie und 4,5 Billionstel Milligramm Dunkle Energie.

Verdammt leer der Kosmos....

Wir sind die Spitze des Eisbergs (Zahlen leicht überholt), Bild: Weltmaschine, CERN

Kontaktverbot

 manchmal auch hier auf der Erde...und wahrscheinlich leider noch oft im Herbst...

Aber es gibt ein natürliches Kontaktverbot im Kosmos: Alles, was soweit voneinander entfernt ist, dass ein Lichtstrahl nicht innerhalb der Lebensdauer des Kosmos hinfliegen kann, steht logischerweise nicht in Kontakt zueinander. Das Kontaktverbot hier kommt durch die endliche Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichtes, die spezielle Relativitätstheorie (nichts kann schneller sein als Licht) und schlichtweg von der Tatsache, dass es den Kosmos noch nicht lange gibt...

Aber fangen wir mal von vorne an...

Wenn der Kosmos das Alter T hat, dann kann in dieser Zeit ein Lichtstrahl die Strecke c*T zurücklegen.

In einem Universum, das genau am Übergang zu unendlich langer Expansion steht, also eine sog. kritische Dichte besitzt, ist das Produkt aus Hubbel-Zahl H und Weltalter T immer 2/3.

(Die Hubble-Zahl gibt die prozentuale Expansion pro Sekunde an).

In einem abgebremst oder beschleunigt expandierenden Universum muss man nun besonders vorsichtig rechnen:

Während der Lichtstrahl sich ausbreitet, ändert sich ja der Längenmaßstab. Deshalb muss man über kleine Zeiten den zurückgelegten Weg auf integrieren.

Macht man das in einem Universum mit kritischer Dichte, so legt der Lichtstrahl in der Zeit T den Weg 3*c*T zurück.

Das ist der sog. Horizontradius. Alles innerhalb dieses Radiuses hat Kontakt zu einander. Alles was außerhalb liegt, hat ein "Kontaktverbot".

Horizontradius heute: 45 Milliarden Lichtjahre

Horizontradius 380 000 Jahre nach dem Urknall (da kommt die kosmische Hintergrundstrahlung her):

 1,2 Millionen Lichtjahre.

Also: Alles, was damals innerhalb von 1,2 Millionen Lichtjahren lag, hatte untereinander Kontakt und konnte sich auf eine gemeinsame Temperatur einstellen (damals etwa 3000 K, heute 2,7 K).

Heute überdeckt das eine Fläche von 3 Vollmonden am Himmel!

Was daraus folgt ist irre: Nur Bereiche innerhalb von 3 Vollmondflächen in der kosmischen Hintergrundstrahlung können die gleiche Temperatur haben.

Aber der gesamte Himmel hat heute eine Temperatur von 2,7 K, und zwar auf Bruchteile eines Promilles genau!

Der Kosmos hat das relativistische Kontaktverbot durchbrochen!

Wo? Wann?

Ganz am Anfang...bei der Inflationsphase. Darüber später mal mehr.

Bild: Die Temperaturfluktuation  von Mikrokelvin sind unter Umgehung des Kontaktverbotes entstanden und haben die heutigen Strukturen im Kosmos erzeugt. Aber insgesamt sind das alles 2,7 K.

Vom Anfang und Ende der Welt III: Die Geschichte eines Universums

 Vom Urknall zum Zerfall: Die Geschichte eines Universums

 Jedes individuelle Leben hat einen Anfang und ein Ende, das Leben an sich ist  auch begrenzt: Nur in einer bestimmten Entwicklungsphase des Kosmos kann es in dieser bekannten organischen Form existieren. Und, seit wenigen Jahrzehnten wird klar: Auch unser Kosmos als Ganzes ist nicht ewig. Er hat einen Anfang und er hat ein Ende, er wird  so wie er ist nur eine begrenzte (wenn auch verdammt lange) Zeit existieren.

"Carpe diem" - "Genieße den Tag" bekommt eine besondere Bedeutung!

Es ist Dein Tag, in Deiner Welt, in Deinem Universum.

Wie alles begann...

Vor knapp 14 Milliarden Jahren gab es chaotisch erscheinende Energiefluktuationen, teilweise gefüllt mit einer Art "Treibstoff", die man heute Inflaton-Feld nennt. Dieser Triebstoff bläht den Raum mit exponentiellem Wachstum auf. 

 

Übrigens: Eigentlich müsste es Inflations-Feld heißen, da es die Inflation, das exponentielle Aufblähen, erzeugt. In der ersten Veröffentlichung hat man aber das "i" vergessen...und dann blieb es bei Inflaton. 

 In 10^(-30)sec auf das 10^25-fache...aus einem Elementarteilchen großem Kosmos wird ein fußballgroßes Objekt.

Das exponentielle Wachstum zu Beginn ist wesentlich für ein schnelles Erreichen einer gewissen Größe, auch  eine befurchtete Eizelle liefert erst einmal exponentielles Wachstum: 2,4,8,16,32,64,...Zellen. Ein solches schnelles Wachstum unseres Universums erklärt auch viele gesicherte beobachtete Eigenschaften des  Kosmos.

Die Energiefluktuationen beim Übergang zu einer normalen Expansion frieren ein und liefern die Struktur des fertigen Universums. Wir sehen sie als Flecken 380 000 Jahre später im Urknallgas und heute als Galaxienhaufen in unserer Umgebung. 

 

In den ersten 3 Minuten bildet sich Helium durch die Fusion von Wasserstoff, ausreichend genug für die spätere Produktion von Kohlenstoff und anderen Elementen. Aber so wenig, dass noch genügend Wasserstoff übrig bleibt, denn nur er kann Sterne durch Fusion antreiben und zum Leuchten bringen.

Die Ausdehnung des Universums stoppt die Kernfusion also rechtzeitig.

Die Dunkle Materie hat die Struktur der Energiefluktuationen übernommen und zwingt die zur Fusion fähige normale Materie zu großen Anballungen, die wir später Galaxien nennen und die in Sterne "zerfallen".

Die erste Sternengeneration, etwa 300 Millionen Jahre nach dem Urknall, besteht aus massereichen Sternen, die sich in wenigen Millionen Jahren zu Supernovae entwickeln, explodieren und riesige Mengen an Kohlenstoff und schweren Elementen in den Kosmos blasen.

Aus einer Quantenwelt  der Möglichkeiten ist eine wahrnehmbare Welt der Fakten geworden.

 Die zweite Sternengeneration kann sich mit Planeten umgeben. Nur auf diesen kleinen kalten Himmelskörpern kann das inzwischen massenweise an Staubteilchen kondensierte organische Material eine Überlebenschance haben...ein Überleben zum Leben.

Es ist faszinierend, wie sich Aminosäuren je nach Umwelbedingungen zur Bildung von Proteinen organisieren und diese durch von der DNA und der Umwelt vorgegebenen Weisen zu bestimmten Ketten mit bestimmten Funktionen falten und anordnen. Die Moleküle machen dabei nichts besonderes, sie tun das, was sie unter diesen Bedingungen tun können und müssen.

Diese Proteine steuern dann chemische Prozesse und diese ermöglichen die Existenz von Zellen.

Zellen schließen sich zusammen und bilden komplexere Lebensformen.

Vor 2,7 Milliarden Jahren produziert die Photosynthese Sauerstoff, der aber sofort von Gesteinen absorbiert wird. Erst vor 540 Millionen Jahren ( das wäre auf unser  Leben bezogen im letzten Sommer gewesen...) sind die Gesteine mit Sauerstoff gesättigt. Es bildet sich eine Sauerstoffatmosphäre, Landtiere können sich entwickeln.

Zentrale Nervensysteme und Gehirne entwickeln sich. Die Wesen nehmen ihre Umgebung nicht nur wahr, sie gestalten sie, verändern sie und denken über sie nach.

Die Geschichte des modernen Menschen beginnt vor etwa 1 Millionen Jahren, das wäre bezogen auf unser Leben vor 20 Stunden!

Viele Lebewesen, nicht nur Menschen,  fangen an, auch über andere Wesen nachzudenken, empfinden sich als einzigartiges Individuum, in vielen Formen (auch in der Tierwelt) entsteht ein Selbstbewusstsein.

In seinem eigenen Ich konstruiert jedes Individuum eine eigene Welt, eine Welt, in der es lebt, fühlt und handelt.

 Wie alles endet...

Irgendwann in 4 Milliarden Jahren (wir haben gerade Halbzeit!) wird die Sonne zum Riesenstern und sie wird dann die Erde zum Glühen bringen.

Vielleicht sind unsere Nachfahren längst übergesiedelt, zum Mars, zu Jupitermonden oder sie leben in riesigen Raumstationen...aber vielleicht interessiert das auch Niemanden, weil niemand mehr da ist...

Seit 5 Milliarden Jahren expandiert der Kosmos schon beschleunigt. Nach unserer heutigen Vorstellung geht das in ein erneutes exponentielles Auseinandergehen über, das so heftig wird, dass alle Strukturen zerstört und ihre Wirkungen beendet werden.

Aber schon lange vorher wird der letzte Stern entstanden sein und aufgehört haben zu leuchten. Das für die Sternbildung zur Verfügung stehende Material ist aufgebraucht...

Es wird dunkel im Kosmos.

Eine interessante Zukunftsvision hat der israelische Physiker Ben-Naim.

Er geht davon aus, dass die Welt nicht von künstlicher Intelligenz erobert wird, sondern wir uns in künstliche Intelligenz umwandeln. Dadurch können wir den Kosmos besiedeln und alle Widrigkeiten überleben.

 

 

Warum wir da sein können, Teil 6: Der Hoyle-Zustand vom Kohlenstoff

 Unser Leben auf der Erde basiert auf Kohlenstoff, das Element, was die meisten Verbindungen eingehen kann.

Wo kommt der Kohlenstoff her?

Alle Elemente sind durch Verschmelzung leichterer Atomkerne entstanden. So hat Wasserstoff Helium gebildet, Helium den Kohlenstoff, die beiden zusammen dann Sauerstoff u.s.w.

Solche Kernfusionsprozesse erfordern hohe Temperaturen, denn die positiv geladenen Atomkerne stoßen sich stark ab.

Auch bei hohen Temperaturen funktionieren die Fusionen nur, weil der sog. Tunneleffekt nachhilft. Da alle Atomkerne auch Welleneigenschaften haben, prallen die Wellen nicht einfach ab, sondern sie können sich etwas durchdringen (das nennt man Evaneszenz, eine Erscheinung, die auch bei der Totalreflexion bekannt ist und auch bei Touchscreens eingesetzt wurde) .

Beim Urknall lagen zwar auch hohe Temperaturen vor, aber nur für sehr kurze Zeit stimmten Temperaturen und Dichten so, dass aus Wasserstoff Helium wurde. Danach war der Kosmos für weitere Fusionen zu groß und zu kühl.

Das sollte dann dem Inneren der Sterne vorbehalten sein.

Dort kennt man die Heliumfusion zu Kohlenstoff als "Helium-Brennen".

Was passiert dabei?

Helium hat zwei Protonen, Berylium vier Protonen. Da jeweils auch gleich viele Neutronen vorkommen spricht man von He 4 und Be8.

Bei der Fusion von zwei He4-Kernen bildet sich Be8, das aber sofort wieder zurück zerfällt in zwei Heliumkerne, also sehr instabil ist. Deswegen war beim Urknall bei Helium Schluss...

Im Inneren der Sterne ist aber die Dichte so hoch, dass in der extrem kurzen Zeit, in der das Beryllium existiert, ein dritter He4-Kern dazu kommen kann.

Dabei entsteht ein hochangeregter (d.h. mit viel Energieüberschuss versehener) C12-Kern.

Das schauen wir uns mal in Bildern an (aus sternentstehung.de):

Beim Urknall:

Im Sterninneren:

Das nennt man den 3-Alpha-Prozess, weil Heliumkerne auch als Alphateilchen bezeichnet werden.
 

Die Energien der beiden Kerne Be und He ist gerade so groß, dass sich ein halbwegs stabiler Zustand für den C12-Kern bildet. Man nennt das eine Resonanz. Wären Be8, He4 und C12 nicht in Resonanz, würde diese Reaktion so selten sattfinden, dass wir kein Kohlenstoff hätten (und auch keine Überriesen, die Gold und Staub produzieren). Das wären schlechte Bedingungen für uns... 

Dieser resonante Zustand des Kohlenstoffs heißt auch Hoyle-Zustand nach Fred Hoyle.

Damit der Hoyle-Zustand durch den 3Alpha Prozess erreicht wird und sich damit Kohlenstoff bilden kann, müssen wohl extrem feine Abstimmungen vorliegen.

Wie fein, wird man nun berechnen können, denn seit einigen Jahren lässt sich der Hoyle-Zustand quantenmechanisch beschreiben.

 

Die drei Zeitalter des Universums: Die Strahlungsära

Erster Teil: siehe 14.10.

Die Strahlungsära

Wir wollen uns nun mit den ersten 70 000 Jahren unseres Kosmos beschäftigen:

Vergleicht man die 14 Milliarden Jahre, die das Universum schon existiert, mit dem Leben eines Menschen von 80 Jahren, so dauert die Strahlungsära umgerechnet 3,4 Stunden in einem Menschenleben! 

Am Ende dieser Ära hat der Kosmos etwa 0,03% seiner heutigen Größe! (Ein Mensch wäre gerade 0,5 mm groß....)

Das sind immerhin  schon   etwa 5 Millionen Lichtjahre! Die Temperatur liegt bei 9000 K, die kosmische Rotverschiebung bei über 3000.

Ab da ist der Kosmos kühl genug, dass die Materie die weitere Entwicklung bestimmt.

Aber bleiben wir in der Strahlungsära:

Strahlung ist Energie und als Energieball hat der Kosmos irgendwie angefangen.

Damit sich aus Strahlung etwas anderes bilden kann, muss die Energie sinken. Erst wenn die Strahlungsenergie der Massenenergie von Materieobjekten entspricht, können sich dauerhaft diese Materieobjekte halten und das Regime übernehmen.

Unter allen möglichen Universen gelingt dies sicher denen am besten, bei denen die Energie der Strahlung schneller abnimmt als die der anderen Objekte.

Das ist in unserem Kosmos der Fall gewesen, wie ich im ersten Post erklärt habe:

Das Volumen des Raumes wächst mit seiner Ausdehnung R (Skalenfaktor), es ist proportional zu R³, also nimmt die Dichte der Materie mit R³ ab.

Durch die Ausdehnung wachsen die Wellenlängen der Strahlung proporional zu R, also nimmt die Energie mit 1/R ab.

Da die Dichte der Strahlung auch mit R³ abnimmt, nimmt die Energiedichte der Strahlung besonders stark, also mit der vierten Potenz von R ab.

Man kann den Zustand der Strahlungsära aus den Friedmann-Gleichungen herleiten. Das sind sozusagen die Bewegugnsgleichungen eines Universums, die die Raumkrümmung berücksichtigen und alles, was im Universum ist.

Letztlich sind sie Umschreibungen des Energieerhaltungssatzes und der Gleichung F = m*a.

Mit diesen Gleichungen erhält man die folgenden Prporionalitäten:

Skalenfaktor R(t)    ~ √t : Der Skalenfaktor R ist proportional zur Wurzel aus der Zeit

Da der Horizont proportional zur Zeit t anwächst, also wesentlich schneller, würden Beobachter in dieser Ära sehen, wie immer mehr vom Universum sichtbar wird.

(Das wird sich bald ändern...dann wird immer mehr vom Universum aus unserem Blick verschwinden...).

Die Materiedichte kann man aus 450 Millionen/t² in kg/m³ berechnen.

Die Temperatur lässt sich mit der Formel T = 10 Milliarden/ t bestimmen.

Mit diesne Formeln können wir genau angeben, wann wleche Materieobjekte sich aus der Strahlung herauskristallisieren:

Nach 1 Mikrosekunde bei einer  Temperatur von 10 Billionen Grad kristallisieren sich die Quarks aus der Strahlung. Das sind die Bauteile für die späteren protonen und neutronen.

Etwas später, also bei t = 1 sec entstehen so die Elektronen bei einer Temperatur von knapp 12 Milliarden Grad. 

Im Bild sehen wir eine solche Materialisierung in einer Aufnahme des DESY in Hamburg. Der Weg des Strahlungsteilchens ist grün markiert (er ist nicht sichtbar). Man sieht am Ende zwei unterschiedliche aufgewickelte Spiralen. Sie gehören zu einem negativ geladenen Elektron und seinem positiv geladenen Antipartner Positron. Da der Vorgang absichtlich in einem starken Magnetfeld beoabchtet wird, kann man sehr schön diese Ladungen an der Spiralrichtung identifizieren. 

 

Diese Prozesse sind nicht einfach zu verstehen, denn es muss etwas mehr Materie als Antimaterie entstehen. Das habe ich in früheren Posts mehrfach behandelt (z.B.: Wie sag ichs meinem Alien?).

Pro Milliarden Prozesse muss einer  sein, bei dem nur ein Materieteilchen entsteht.

Fazit:

In der Strahlungsära sorgt der schnelle Temperaturabfall für einen schrittweisen Umwandlungsprozess der Strahlung in die Bauteile für Objekte und Kräfte, die später im Universum den weiteren Ablauf bestimmen.

Ist eigentlich ok so, denn in einem winzigen Embryo ist auch schon alles angelegt...es muss nur noch wachsen...

Und das geschieht beim Kosmos in der Materie-Ära!