Bevor das erste Licht im Kosmos leuchtete, war es dunkel (davor war es allerdings wieder hell, aber das ist eine andere Geschichte). Über dieses „dunkle Zeitalter“ wissen wir nicht viel. Wie denn auch, es war ja dunkel! Aber die Astronomen wären keine Astronomen, wenn sie nicht doch ein wenig darüber in Erfahrung bringen hätten können. Und dabei sind sie auch dem ersten Licht auf die Spur gekommen.
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Transkription
Sternengeschichten Folge 193: Das dunkle Zeitalter des Universums und das erste Licht
Als unser Universum seinen Anfang nahm, vor 13,8 Milliarden Jahren, da gab es eine große und gewaltige Explosion aus Licht und Materie und Energie. So zumindest stellt man sich den „Big Bang“ meistens vor – mit einer Explosion im alltäglichen Sinne hatte die Entstehung des Kosmos nicht viel zu tun. Was wirklich passiert ist in diesem allerersten Moment und ob es überhaupt einen „allerersten“ Moment gab oder diese Frage eigentlich sinnvoll ist, das wissen wir noch nicht. Was man über die früheste Phase des Universums mit einiger Sicherheit weiß habe ich schon in Folge 99 der Sternengeschichten erzählt.
Zuerst war da jede Menge Energie. Aus dieser Energie entstanden die ersten Elementarteilchen die sich zu den ersten Bausteinen der Atome zusammenfanden. Bis dann aber auch tatsächlich Atome entstanden, dauerte es knapp 400.000 Jahre. Zuvor war das Universum einfach noch zu heiß und alles bewegte sich viel zu schnell als dass sich aus den Bausteinen komplette Atome bilden konnten. Außerdem war das Universum undurchsichtig. Das Licht konnte nirgendwo hin, konnte sich nirgendwo ausbreiten weil es andauernd an die damals noch freien Elektronen stieß. Erst als der Kosmos kühl genug wurde und sich die Elektronen an die Atomkerne binden konnten, war der Weg frei für das Licht. Es breitete sich aus, das All wurde durchsichtig. Und dunkel.
Und es blieb auch dunkel. Denn was sollte auch leuchten? Da waren ja nun nur Atome in der Leere des Universums. Sterne gab es noch nicht. Deswegen wird diese Phase in der Geschichte des Universums auch das „Dunkle Zeitalter“ genannt. Es gibt da auch also nichts zu beobachten für uns Astronomen obwohl wir ja in der einmaligen Lage sind, in der Zeit zurück schauen zu können. Da sich Licht nur mit endlicher Geschwindigkeit ausbreitet, braucht es Zeit um von einem Ort zum anderen gelangen zu können. Licht, das heute unsere Teleskope erreicht kann also schon vor langer Zeit abgestrahlt worden sein und liefert uns so ein Bild der Vergangenheit in unsere Gegenwart.
Aber im dunklen Zeitalter hat nichts geleuchtet und es gibt nichts zu sehen. Es gab auch sonst nicht viel. Nach dem Urknall entstand zwar die Materie, aber die war relativ eintönig. Zu drei Vierteln bestand aus Wasserstoff, dem einfachsten aller Atome. Ein Elektron umkreist ein einzelnes Proton als Atomkern. Der Rest war Helium, das immerhin schon zwei Protonen und zwei Neutronen im Kern besitzt. Aber die komplexe Vielfalt der chemischen Elemente existierte noch nicht. Der Wasserstoff ist aber gar nicht so langweilig, wie er vielleicht wirken mag.
Das einzelne Elektron das die Hülle des Wasserstoffatoms bildet, kann in zwei verschiedenen Zuständen existieren. Je nachdem wie viel Energie es ursprünglich besessen hat, kann es „parallel“ oder „antiparallel“ orientiert sein. Was das genau bedeutet ist anschaulich schwer zu erklären ohne zuerst die komplette Quantenmechanik zu erläutern. Aber es reicht schon zu wissen, dass sich das Elektron spontan vom Zustand höherer Energie in den Zustand niedriger Energie begeben kann. Die dabei frei werdende Energie wird in Form von elektromagnetischen Wellen abgestrahlt und entspricht einer Radiowelle mit einer Wellenlänge von 21 Zentimetern.
Der Wasserstoff leuchtet also nicht von selbst, kann aber Radiowellen aussenden die wir mit entsprechenden Radioteleskopen detektieren können. Die Beobachtung dieser „Wasserstofflinie“ – wie es in der Astronomie genannt wird – hat uns schon viel über die Verteilung dieses ersten Elements verraten. Die Astronomen haben aber auch noch etwas anderes festgestellt.
Betrachtet man Licht, das von weit, weit her kommt, also in fernster Vergangenheit abgestrahlt wurde, dann findet man darin ebenfalls Spuren von Wasserstoff. Durchquert Licht Wolken aus Atomen oder Molekülen, dann wird ein Teil davon absorbiert. Im Licht, das normalerweise eine Mischung aus allen Farben bei allen Wellenlängen ist, fehlt dann ein Teil und zwar bei einer Wellenlänge, die von der Art der Atome und Moleküle abhängen, die es blockiert haben. Wasserstoff hält einen ganz bestimmten Teil des Lichts auf. Und ionisierter Wasserstoff ebenfalls. „Ionisiert“ nennt man ein Atom, wenn es ein paar seiner Elektronen aus seiner Hülle verloren hat. Das passiert aber nicht von selbst sondern nur, wenn das Elektron durch Energie von außen entsprechend angeregt wird.
Bei der Analyse ferner Lichtquellen haben die Astronomen festgestellt, dass der ursprüngliche Wasserstoff, der sich aus den ersten Elementarteilchen nach dem Urknall gebildet hat, irgendwann ionisiert worden sein muss. Man nennt das die „Re-Ionisation“, da es ja eigentlich die zweite Ionisation ist, die die Wasserstoffatome erlebt haben. Das erste Mal hatten sie keine Elektronen in ihren Hüllen, weil das Universum noch zu heiß war. Als dann 400.000 Jahre nach dem Urknall aus Elektronen und Protonen komplette Wasserstoffatome entstanden, begann das dunkle Zeitalter. Und ungefähr 100 Millionen Jahre später müssen diese Atome wieder ihre Elektronen verloren haben.
Aber wie? Welche Strahlungsquellen waren dafür verantwortlich? Das dunkle Zeitalter war ja dunkel und es strahlte keine Energie durch das Universum? Das stimmt – aber das dunkle Zeitalter dauerte auch nicht ewig. Heute ist das Universum voller Galaxien und Sterne und die müssen irgendwann entstanden sein.
Dank des Wasserstoffs wissen wir nun, dass die allerersten Sterne genau in dieser Re-Ionisationsepoche entstanden sein müssen. Die riesigen Wolken aus Wasserstoff und Helium die das junge Universum erfüllt haben, haben sich irgendwann verdichtet. Sie sammelten immer mehr Materie an bis es in ihrem Inneren heiß wurde. Die Temperatur erhöhte die Geschwindigkeit der Wasserstoffatome bis sie irgendwann so schnell waren das sie bei Kollisionen nicht mehr voneinander abprallten, sondern verschmolzen. Die erste Kernfusion fand statt und Energie wurde frei. Das Zeitalter der ersten Sterne hatte begonnen und deren Strahlung ionisierte den Wasserstoff, der sich noch im Universum befand.
Über diese allerersten Sterne wissen wir kaum etwas. Wir können vermuten, dass es sie gegeben haben muss. Irgendwann muss es ja mal die ersten Sterne gegeben haben und irgendwo muss die Strahlung zur Ionisation des Wasserstoffs ja hergekommen sein. Irgendwo müssen auch die ganzen anderen chemischen Elemente entstanden sein und das konnte nur im Inneren von Sternen geschehen. Es ist also absolut notwendig, dass im frühen Universum irgendwann mal Sterne entstehen. Aber diese ersten Sterne waren noch ein wenig anders als wir es heute gewohnt sind. Die Sonne ist ein recht kleiner Stern, die ersten Sterne waren gewaltige Riesen mit mehr als der 100fachen Masse der Sonne. Sie waren viel heißer und die Kernfusion in ihrem Inneren lief deswegen auch viel schneller ab. Während unsere Sonne circa 10 Milliarden Jahre lang lebt, haben die ersten Sterne ihr Leben in ein paar Millionen Jahren oder vielleicht sogar noch schneller hinter sich gebracht. Die kurze Lebensdauer und die enorm lange Zeit die seitdem vergangen ist, machen es wahnsinnig schwer, noch Informationen darüber zu erhalten.
Bild: ESO/M. Kornmesser
Aber es gibt zumindest ein paar konkrete Spuren! Im Jahr 2015 haben Astronomen eine weit entfernte Galaxie beobachtet die die Bezeichnung COSMOS Redshift 7 trägt. Sie stammt aus der Zeit der Re-Ionisierungsepoche und die ist enorm hell! Viel heller als alle anderen Galaxien die man in diesem Bereich bis jetzt beobachtet hat und nur deswegen konnte man dort auch so gute Daten sammeln. Die Beobachtungsdaten zeigen, dass es in bestimmten Regionen dieser Galaxie sehr viel ionisiertes Helium gibt. Also muss es dort auch etwas geben, was ausreichend viel Strahlung produziert, um dieses Helium ionisieren zu können. Mindestens ebenso wichtig ist, was man nicht beobachtet hat: Nämlich irgendwelche Hinweise auf andere chemische Elemente. In den Regionen von COSMOS Redshift 7, wo man das ionisierte Helium gefunden hat, gibt es nur Helium und Wasserstoff und sonst nichts. In einer Galaxie, die aus der Zeit der Reionisierungsepoche gibt, existieren also in bestimmten Bereichen Sterne, die so enorm hell leuchten, dass die Galaxie das hellste bekannte Objekt ihrer Art ist. Es sind Sterne, die genug Strahlung produzieren um Helium zu ionisieren und es sind Sterne, die aus nichts anderem zu bestehen scheinen als Helium und Wasserstoff. Die einzigen Sterne auf die das zutrifft, sind die allerersten Sterne. Wir haben sie zwar noch nicht direkt beobachtet. Aber wir wissen, dass sie da sind. Oder besser gesagt: Da waren. Denn auch wenn wir ihre Spuren heute noch beobachten, sehen wir doch eigentlich nur, was vor unvorstellbar langer Zeit in unserem Universum passiert ist, als das dunkle Zeitalter zu Ende ging.
Da gibt es noch GN-z11.
https://de.wikipedia.org/wiki/GN-z11
Zitat : „Das einzelne Elektron das die Hülle des Wasserstoffatoms bildet, kann in zwei verschiedenen Zuständen existieren. Je nachdem wie viel Energie es ursprünglich besessen hat, kann es “parallel” oder “antiparallel” orientiert sein.“
Ist es nicht eher so, dass es heisen muss, „Die zwei Elektronen, die die Hülle des H2 Moleküles bilden ….. ?
@ufo
erbsenzähler !
https://en.m.wikipedia.org/wiki/Spin_isomers_of_hydrogen
aber gut.
@tomtoo
Das ist aber wichtig. Erbsen sind ja viel grüner als Elektronen. Ausserdem kann eine einzelne Erbse nicht parallel stehen.
@Ufo
Es geht um den Spin des Elektrons relativ zum Proton, der den Kern bildet. Das Umkippen des Spins erzeugt die berühmte 21-cm-Linie im Radiobereich: https://de.wikipedia.org/wiki/HI-Linie
@alderamin
Oh! Was dazugelernt. Danke
@ufo
hab auch gelernt. danke ! @alderamin
„Erst als der Kosmos kühl genug wurde und sich die Elektronen an die Atomkerne binden konnten, war der Weg frei für das Licht. Es breitete sich aus, das All wurde durchsichtig. Und dunkel.“
Da stoße ich mich irgendwie immer dran.. also wenn das Licht nicht mehr von Elektronen gehindert wird, dann kann es sich ungehindert ausbreiten, soweit soklar, aber warum sollte das Universum dann dunker werden? das Licht ist ja noch da, nur eben nicht mehr gebunden, das lokale Licht „fliegt zur Seite“, und von benachbarten Regionen kommt Licht zurück, was in Summe doch ein Null-Spiel sein sollte, oder nicht? denn wohin soll das Licht auch verschwinden? aus dem Universum heraus, wohl eher nicht, also müsste doch nach der Atombildung genausoviel Licht da sein wie vorher, nur eben „mehr vom Nachbarn“. Schlimmer noch, dank der Atombildung sollte doch noch mehr Licht da sein dank der freiwerdenden Bindungsenergie..
also: transparent, is klar, ungehindertes/gebundenes Licht, auch d’accord, aber dunkler? sehe ich nicht 😉
erst nach entsprechender Ausdehnung sollte das Licht ausgedünnt sein (in Anzahl je Volumen und Energie je Quant).
was mach ich falsch?
@Zhar
Die Strahlung von vorher ist noch da, aber durch die Ausdehnung des Universums wird sie immer langwelliger, so dass sie schließlich den Bereich des sichtbaren Lichts verlässt. Danach kann sichtbares Licht nicht mehr aus der Hintergrundstrahlung stammen – wenn man trotzdem sichtbares Licht hat, muss es aus neuen Quellen stammen.
Hab mal ne ganz dumme Frage.
Also ich bin ein totaler Laie nicht, dass Ihr mir hier Doktorarbeiten vorlegt am besten so simpel wie möglich antworten 😀
Habe mal gehört, dass jede Wirkung eine Ursache hat. Ich glaube das war mal in der Schule. Nun frage ich mich wie ist das Universum entstanden wenn man dieses Prinzip anwendet oder ist es so ,dass es sich selbst aus dem nichts erschaffen hat ?
@Pako
Ich hoffe dieser Artikel bei Spektrum der Wissenschaft ist für dich einigermaßen zu verstehen 😉
https://www.spektrum.de/lexikon/physik/kausalitaet/7841
@Pako
Es spricht nichts dagegen, dass der Urknall eine Ursache hat. Es gibt da alle möglichen Hypothesen, von kollidierenden „Branes“ in der M-Theorie, über ein kollabierendes Vorläuferuniversum bis zu einem ewig inflationär wachsenden Raum, in dem Universen wie Blasen im Sekt entstehen.
Es wäre aber auch denkbar, dass das Universum aus dem Nichts entstanden ist. Man geht davon aus, dass im Allerkleinsten der Raum nicht einfach ein leeres Volumen ist, sondern wegen der sogenannten „Heisenbergschen Unschärferelation“ (nach dem Physiker Werner Heisenberg benannt) kann in beliebig kurzen Zeiten der Energiezustand eines Systems beliebig schwanken, beliebig hohe Werte annehmen. Energie hat aber auch eine Masse (E=mc^2) und krümmt den Raum. Deswegen ist verändert sich der Raum (und auch die Zeit) selbst im Allerkleinsten, man kann sich das als wabernden Kessel vorstellen, in dem die Raumzeit sozusagen „kocht“, die Geometrie verändert sich, es bilden sich dichte und weniger dichte Zonen. Aus so einer Schwankung kann dann auch ein „falsches Vakuum“ entstehen, das ist eine Energiedichte des Vakuums, die kurzzeitig stabil und so hoch ist, dass sie zu einer spontanen inflationären Expansion führt (ich kann hier nicht auf alles eingehen, aber wenn das Vakuum einen negativen Druck hat, führt dies zu einer abstoßenden Schwerkraft und das Vakuum expandiert). Wenn das falsche Vakuum dann in unser normales Vakuum übergeht, verwandelt sich die Vakuumenergie in Strahlung und wegen jenes E=mc^2 entsteht aus der Strahlung dann auch Materie. Die Energie wurde ursprünglich aus der abstoßenden Gravitation „gewonnen“, denn alles, was im Universum später einen Abstand und eine Anziehungskraft hat, kann diese Energie auch wieder freisetzen, wenn es frei aufeinander zufällt. Die Energie ist gewissermaßen „nur geborgt“. Deswegen kann sie beliebig groß sein, das Konto bei der Gravitation lässt sich beliebig (und beliebig lange) überziehen.
So, aber wenn da gar nichts war, wie soll es dann in einem Vakuum diese zufällige Energieschwankung gegeben haben, die das falsche Vakuum erzeugte? Na ja, was ist „nichts“, wenn im Allerkleinsten nichts den stabilen Wert 0 haben kann? Vielleicht ist das Nichts instabil. Vielleicht verbietet Heisenberg die Existenz eines Punktes und lässt ihn wie einen durch die Erdatmosphäre betrachteten Stern wabern, macht aus dem Nichts ein kleines Volumen, das immer wieder verschwindet und neu entsteht? Dann müsste man nur lange genug warten – sehr, sehr, sehr lange, aber was ist das schon gegen die Ewigkeit? – bis spontan ein inflationär wachsendes Universum entsteht. Dann wäre am Ende die Nichtkausalität der Quantenwelt die Ursache für ein riesiges Universum. Oder gar eine riesige Menge riesiger Blasenuniversen in einem ewig inflationär expandierenden Raum.
Das war jetzt in der Kürze (auf dem Tablet geschrieben, daher bin ich zu faul, Links zu setzen) wohl schwer verständlich, aber ich kann Dir das Buch von Lawrence Krauss, „Ein Universum aus dem Nichts“ empfehlen, da steht das alles ausführlich, leicht verständlich und amüsant zu lesen, erklärt.
Das ist eine Hypothese, wie es sein könnte. Wissen tun wir das alles nicht. Aber es wäre mit den bekannten Naturgesetzen so vereinbar.
die sache ist doch einfach die.
wir können es bis jetzt mit unserer physik nicht erklären.
und glauben darf jeder was er will.
@Alderamin
Mir gefällt die Erklärung rund um das „nichts“, dazu meine Fragen vor Planck-Zeit und der Unschärferelationion davor (gedanklich davon ausgehen, dass dadurch das Universum entstand).:
Ich dachte, die Konstanten, wie Lichtgeschwindigkeit, Planck-Länge und Planck-Zeit entstanden innerhalb der ersten Planck-Zeit. D.h. es gab eine mit heutigen physikalischen Theorien nicht beschreibbare Ausdehnung davor bis auf Planck-Größe, wo sich die Konstanten festlegten.
Könnte dieses nichts, nicht viel kleiner, jedoch trotzdem viel größer als 0 gewesen sein, denn es gab ja keinen Maßstab, keine Referenzen bevor sich die Naturgesetze mit den Werten festlegten.
Dadurch auch, gab es vor der Ausdehnung bis auf die erste Planck-Größe überhaupt die Unschärferelation? Hat sich diese nicht erst nach dem Erreichen der ersten Planck-Zeit gebildet?
@laie bzw. @all
wie wollen wir denn ohne konstanten rechnen ?
Plank-Zeit, Lichtgeschwindigkeit alles nett.
Da ist doch nix am urbeginn aller zeiten also auch keine konstanten.
das muss mir einer erklären ?!
Ich habe noch ein Verständnisproblem wie „weit“ wir ins Universum schauen können. Wenn Galaxien wie COSMOS Redshift 7 oder GN-z11 die erste Generation der Sterne enthalten, dann wären sie so ca. 100 Millionen Jahre nach dem Urknall entstanden, also am Ende des dunklen Zeitalters. „Hinter“ diesen Galaxien dürfte man dann aber nichts mehr finden können (mit der Ausnahme der kosmischen Hintergrundstrahlung), weil „dahinter“ ja nur das dunkle Zeitalter liegt. Wenn man also immer bessere und größere Teleskope baut, dann kann man die vorhandenen Galaxien immer besser beobachten, kommt aber nur bis zu dieser Grenze die von Galaxien wie COSMOS Redshift 7 oder GN-z11 gebildet werden. Oder übersehe ich irgendetwas?
@Silava
Im Prinzip hast Du recht (wobei z=7 einem Weltalter von 770 Millionen, z=11 von 500 Millionen Jahren entsprechen). Aber die ersten Galaxien waren klein und daher sehr lichtschwach, und Objekte in dieser Entfernung sehen wir oft überhaupt nur durch Gravitationslinsen verstärkt. Mit größeren Teleskopen wird man viel mehr und kleinere, lichtschwächere Galaxien in diesen Entfernungen sehen können. Das ist auch einer der Gründe, warum das James-Webb-Weltraumteleskop für Infrarot designt wurde. Diese Galaxien sind alle ins Infrarote rotverschoben (ein anderer Grund ist, dass man im Infraroten auch Planeten besser neben ihren Muttersternen sehen kann, weil da der Kontrast kleiner ist).
@myself
Größer natürlich.
@tomtoo und Laie
Hallo ihr beiden.
Kennt ihr noch nicht den Beitrag von Harald Lesch: Was ist die Planck-Welt?
https://youtu.be/YFihH0Nm8N4
Auch der Begriff Planck-Skala ist sehr interessant.
https://de.m.wikipedia.org/wiki/Planck-Skala
wie ist denn im jetzigen Universum das Verhältnis der Energiemengen von Stahlung und Materie?
@adenosine
Die gegenwärtige bekannte Dichte der sichtbaren Materie im Universum beträgt etwa
~10^-27 kg m^-3, das entspricht etwa einem Wasserstoffatom pro Kubikmeter. Die Dichte der
Hintergrundstrahlung kann man aus ihrer Temperatur von rund 3 K
berechnen. Sie beträgt ~10^-30 kg m^-3.
@karl-heinz
da brauch ich ein haufen kubikmeter um auch nur ein einziges bier zu bekommen.
das universum ist eine schei.. gegend !
gelobt sei dir erde und der nächste wirt !
😉
gut aber kalt isses das universum bier !
@tomtoo
Das ist das richtige Stichwort.
Jetzt hole ich mir ein Bier 😉
@Karl-Heinz
wenn am Start nahezu gleichviel Materie und Antimaterie vorhanden war und die sich großteils in Strahlung aufgelöst haben, da hätte ich getippt, dass ein Großteil der Gesamtenergie in Strahlung steckt.
@adenosine
Das war auch anfangs so, nur ein Anteil 10^-10 der Materie wurde nicht vernichtet. Aber damals war das Weltall viel kleiner und Strahlung entsprechend noch nicht so stark rotverschoben. Als beispielsweise die heute nachweisbare Mikrowellen-Hintergrundstrahlung auf den Weg ging, war das Weltall 1000-mal kleiner, die Wellenlänge der Hintergrundstrahlung ebenso, was einer Temperatur von 3000 K statt heute 3 K entsprach. Materie und Strahlung waren damals 10^9-mal dichter gepackt, aber die Strahlung war auch noch 1000-mal energiereicher, also lag damals ausgehend von den Zahlen oben ungefähr ein Gleichgewicht zwischen Materie und Strahlung bei 10^-18 kg/m³ vor. Damals war das Weltall aber schon 380000 Jahre alt. Entsprechend weiter zurück bis zur Zeit der Paarvernichtung hat dann die Energie der Strahlung bei weitem diejenige der Materie übertroffen.
Könnte das Weltall nicht so groß sein, sodaß es einen großen Bereich von Materie hier bei uns gibt, und viel zu weit entfernt einen Bereich von Anti-Materie, bzw. dass sich diese Bereiche mehrfach wiederfinden, jedoch als eine Art Insel mit dazwischenliegenden riesengroßen leeren Bereichen?
D.h. es hat sich nicht überall alles an Materie und Anti-Materie ausgelöscht, sondern es sind durch die gewaltige Expansion und durch statistische Schwankungen kleine Inseln übrig geblieben, die jedoch in Summe, kämen sie einander nahe, auslöschen würden.
Somit wäre die Frage, warum es mehr Materie als Antimaterie gibt, erklärt, es gibt nicht mehr davon.
Theoretisch ist das durchaus denkbar. Allerdings wäre eine Grenzschicht zu erwarten, an der sich Materie und Antimaterie begegnen. Dort würde massive Annihilationsstrahlung entstehen, und die könnte man beobachten. Aber gut, vielleicht hat die Trennung bereits vor so langer Zeit stattgefunden, dass diese Strahlung in der existierenden Hintergrundstrahlung aufgeht oder die Grenzschicht liegt bereits außerhalb unseres Beobachtungshorizontes.
Zurzeit erklärt man sich das Ganze mit Symmetriebrüchen, dass sich also Materie und Antimaterie nicht völlig identisch verhalten. Die Frage nach der Stabilität der Protonen hängt damit eng zusammen.
Gäbe es anderswo zb „Antisterne“ würde man das trotzdem merken: https://scienceblogs.de/astrodicticum-simplex/2013/10/29/gibt-es-anti-sterne-und-wie-kann-man-sie-finden/?all=1