Es ist eine sternenklare Nacht. Du sitzt mit Deinen Freunden am Lagerfeuer und betrachtest den Sternenhimmel, plötzlich siehst Du eine Sternschnuppe und fragst Dich, woher sie kommt und wie weit sie schon gereist ist. Aber wie weit kann eine Sternschnuppe überhaupt reisen? Was ist eigentlich das Universum und wie groß ist es?
Um diesen Fragen auf den Grund zu gehen, schaust Du Dir am besten zuerst an, wie das Universum strukturiert und aufgebaut ist.
Abbildung 1: Sternenhimmel, Milchstraße Quelle: pixabay.com
Weltraum Universum
Das Universum, das Weltall oder der Kosmos beschreiben alle die Gesamtheit aller Materie und Energie sowie Raum und Zeit. Es entspricht allem, was Du in der Realität betrachten und erfahren kannst.
Der Weltraum beschreibt nur den Raum außerhalb der Erdatmosphäre, also den Raum, der alle anderen Galaxien und Sterne enthält.
Aber wie ist das Universum strukturiert und welche Bedeutung hat das Universum für Dich?
Universum Struktur
Alles, was wir bis heute über die Struktur des Universums wissen, ist in der Physik zusammengefasst im Standardmodell der Kosmologie. Aufgrund der allgemeinen Relativitätstheorie und vielen Beobachtungen von Astronomen ist es möglich geworden, das Universum zu katalogisieren und eine Karte vom Kosmos zu erstellen. Allerdings ist diese Karte nicht gewöhnlich, sondern zeigt die kosmische Hintergrundstrahlung.
Abbildung 2: Karte des Universums mittels kosmischer Hintergrundstrahlung (Quelle: ESA and the Planck Collaboration5)
Die kosmische Hintergrundstrahlung ist das älteste messbare Licht, das den Weg bis zur Erde zurückgelegt hat. Je länger der Weg ist, den das Licht zurücklegt, desto weniger Energie enthält es. Deswegen besteht die kosmische Hintergrundstrahlung hauptsächlich aus Mikrowellen.
Du kannst auf der Abbildung 2 verschiedene Regionen entdecken. Die roten Punkte zeigen Bereiche hoher Temperatur an, die blauen Areale sind kältere Bereiche. Das Licht aus dieser Zeit stammt aus den Anfängen des Universums und ist mit 370.000 Jahren vergleichsweise jung, wenn Du es mit den 13,8 Milliarden Jahren des heutigen Universums vergleichst.
Durch die Gravitation entstehen Strukturen, die sich durch das gesamte Universum ziehen. Mehr dazu erfährst Du in folgender Vertiefung.
Die größten makroskopisch zusammenhängenden Strukturen stellen die großen Quasar Gruppen dar, welche in ihrer Ausdehnung bis zu 4 Milliarden Lichtjahre erreichen können.
Quasare sind schwarze Löcher, welche Materie absorbieren und diese dabei so stark aufheizen, dass dadurch die hellsten uns bekannten Objekte des Kosmos entstehen. Du kannst sie Dir als kosmische Leuchttürme vorstellen, durch die es möglich ist, das Universum zu kartografieren und zu vermessen.
Abbildung 3: Größte Quasar Gruppe(Fotograf: Pablo Carlos Budassi)6
Was für eine Bedeutung hat das Universum aber für Dich auf der Erde?
Universum Bedeutung
Bei all diesen verrückten Größen fragst Du Dich vielleicht, was das denn mit Dir zu tun hat und die Antwort dazu ist allgemein – alles. Das Leben auf der Erde basiert auf Kohlenstoff, aber woher kommt dieser Kohlenstoff eigentlich?
Am Anfang des Universums existierten lediglich Wasserstoff und Helium, die zwei leichtesten Elemente im Periodensystem. Erst durch die Kernfusion innerhalb der Sterne, sowie durch Supernovae und auch in den Akkretionsscheiben von schwarzen Löchern wurden alle schweren Elemente erzeugt, die Du heute auf der Erde findest.
Willst Du mehr über Sterne erfahren und wie sie Elemente mittels Kernfusion herstellen können, schau Dir die Erklärungen dazu an.
Der Goldschmuck beim Juwelier ist also nichts anderes als die Überbleibsel einer längst vergangenen Sternenexplosion, welche ihren Weg auf die Erde gefunden haben, verrückt, oder? Aber auch praktisch kannst Du selbst sehen, was im nahen Universum vor sich geht. Mit bloßem Auge kannst Du bei einer klaren Nacht die Milchstraße erkennen.
Abbildung 4: Nachtaufnahme der Milchstraße(Quelle: pixabay.com4)
Die Milchstraße ist eine Galaxie wie viele Milliarden andere. Aber was ist überhaupt eine Galaxie und woher wissen wir so viel darüber?
Galaxien
Jede Masse hat eine gravitative Wirkung auf andere Massen. Wusstest Du, dass Du die Erde mit der gleichen Kraft anziehst, wie sie Dich anzieht? Aufgrund der Massenträgheit ist der Effekt, den Du auf die Erde hast, allerdings fast unbedeutend klein, da die Erde eine so große Masse besitzt. Auch Sterne ziehen sich und alle anderen Objekte an, dadurch entstehen Galaxien.
Eine Galaxie beschreibt eine Ansammlung von Sternen, Materiewolken, Planeten und sonst allen Objekten wie Asteroiden und Meteoriten, welche durch die Kraft ihrer Gravitation makroskopisch zu einem zusammenhängenden Gebilde geworden sind. Die Massen von Galaxien bewegen sich zwischen 1 Milliarde und 10 Billionen Sonnenmassen.
Unsere Milchstraße enthält ungefähr 100-400 Milliarden Sterne. Vergleichst Du das mit den 3000-5000 Sternen, welche sichtbar am Nachthimmel scheinen, könntest Du Dich fragen, wie es bekannt geworden ist, dass es so viel mehr Sterne in der Milchstraße oder woanders gibt.
Wenn Du mehr über Galaxien erfahren möchtest, schau Dir dazu die Erklärung an.
Kennst Du schon das Hubble Teleskop? Es hat einen wesentlichen Teil dazu beigetragen, dass wir heute so viel über das Universum wissen.
Hubble Teleskop
Das Hubble-Weltraumteleskop wurde von der NASA und der ESA, also der amerikanischen und europäischen Raumfahrtbehörde 1990 entwickelt. Sein Spiegeldurchmesser beträgt 2,4 Meter und es kann über einen großen Wellenlängenbereich Licht einfangen.
Abbildung 5: Ausschnitt des Hubble Deep Field (Quelle: NASA)7
Die bekannteste Aufnahme des Teleskops entstand durch ein Experiment, bei dem die maximale Auflösung des Gerätes auf einen winzigen Ausschnitt des Nachthimmels fokussiert wurde. In dem oberen Bild siehst Du den kleinen scheinbar schwarzen Fleck, auf dem mit herkömmlichen Teleskopen nichts zu sehen war.
Abbildung 6: Hubble Deep Field (Quelle: NASA)7
Wissenschaftler aus aller Welt waren verblüfft, dass auf dem ausgewerteten Bild tausende weitere Objekte zu sehen waren. Allerdings siehst Du hier keine einzelnen Sterne, sondern ganze Galaxien, welche wiederum jeweils Milliarden von Sternen enthalten. Das Licht dieser Galaxien ist über 12 Milliarden Lichtjahre entfernt.
Willst Du mehr über das Hubble Teleskop und die Hubble Konstante, welche eine fundamentale Größe der Kosmologie darstellt, damit zu tun hat, erfahren, kannst Du die Erklärungen Hubble-Teleskop und Hubble-Gesetz dazu lesen.
Ganz aktuell ist mit dem James-Webb-Teleskop eine der komplexesten Maschinen der Menschheit im All unterwegs. Es ist das Teleskop mit der besten Auflösung, die ein Teleskop jemals hatte und wird als der Nachfolger des Hubble Teleskops voraussichtlich bahnbrechende Erkenntnisse über die Anfänge des Universums liefern.
Abbildung 7: James Webb Teleskop (Quelle: pixabay.com)8
Aber wie alt ist das Universum und wie sah es ganz am Anfang aus?
Geschichte des Universums
Nach heutigen Erkenntnissen ist das Universum 13,8 Milliarden Jahre alt. Das Alter lässt sich ziemlich genau über die kosmische Hintergrundstrahlung bestimmen. Denn Licht verliert an Energie, je weiter es durch den Raum reist, das nennt sich Rotverschiebung.
Die Rotverschiebung beschreibt die Verschiebung der Spektrallinien von Licht zu größeren Wellenlängen, also energieärmerer Strahlung. Je weiter ein Photon unterwegs ist, desto größer wird die Wellenlänge und das Licht scheint röter.
Wenn Du mehr dazu wissen willst, kannst Du Dir die Erklärungen über das Hertz Russell Diagramm oder über die Geschichte des Universums anschauen.
Die kosmische Hintergrundstrahlung stammt vom ersten Licht, welches nach dem Urknall entstanden ist. Wie kannst Du Dir den Urknall aber vorstellen?
Urknall
Was war am Anfang aller Zeiten? Gab es überhaupt einen Anfang? Die Antwort dazu ist der Urknall.
Der Urknall oder auch „Big Bang“ genannt stellt den Anfang des Universums, also auch von Raum und Zeit dar. Aus einer Singularität heraus expandiert seit knapp 13,8 Milliarden Jahren der Raum und damit alles, was wir erfahren und beobachten können.
Anders als häufig angenommen war der Urknall keine Explosion im klassischen Sinne, sondern vielmehr der Start von Raum und Zeit. Den Großteil der Zeit, die das Universum bereits existiert, expandiert der Raum relativ gleichmäßig in alle Richtungen.
Die Größe des heute beobachtbaren Universums jedoch entstand bereits in den ersten Momenten nach dem Urknall. Diese kurzzeitig plötzliche Expansion wird auch als kosmische Inflation bezeichnet.
Kosmische Inflation
Um die Entwicklung des Universums kurz nach dem Urknall zu visualisieren, kannst Du als grobe Vereinfachung das folgende Bild betrachten.
Ausgehend von der Singularität unten im Bild, wurde innerhalb des Zeitraums von 10-44 - 10-30 s der Raum selbst um den Faktor 1026 größer.
Innerhalb dieses extrem kurzen Zeitraums expandierte das Universum auf die heute beobachtbare Größe. Dieses Phänomen wird als kosmische Inflation bezeichnet. Direkt am Anschluss und bis heute andauernd, folgte die Expansion des Raumes, wie wir sie heute beobachten können.
Die Zeit ab der Planck-Zeit bis zu besagten 10-30s wird auch Grand-Unified-Theory – kurz GUT-Ära genannt.
Die Planck Zeit entspricht der kürzesten möglichen Zeiteinheit, in der überhaupt eine physikalische Wirkung möglich ist. Sie ist definiert durch die Zeit, die das Licht benötigt, um eine Planck-Länge zurückzulegen. Alle planckschen Größen werden abgeleitet durch das plancksche Wirkungsquantum ћ. Mehr dazu kannst Du in der Erklärung über die Heisenbergsche Unschärferelation erfahren.
Das Modell der kosmischen Inflation liefert eine Erklärung dafür, warum das Universum eine derart große Homogenität aufweist. Eigentlich sollte es nicht möglich sein, dass Galaxien, welche Milliarden von Lichtjahren voneinander entfernt sind, die gleichen Eigenschaften haben, da die Entfernung für eine gegenseitige Beeinflussung zu groß ist. Dennoch beobachten Astronomen genau diese Eigenschaft.
Gibt es noch weitere Theorien, welche mathematisch möglich wären?
Big Crunch
Die Big Crunch Theorie oder „Das große Zusammenkrachen“ beschreibt ein theoretisches Szenario des zeitlichen Endes des Universums, innerhalb der mathematischen Modelle.
Die Kernaussage der Theorie besagt, dass die Gravitation der Materie im Universum dessen Expansion abschwächt und zu einem bestimmten Zeitpunkt umkehren wird. Demnach würde das Universum nach einer endlichen Zeit wieder zu einer Singularität zusammenfallen und das Ende von Raum und Zeit bedeuten.
Im folgenden Bild siehst du die einzelnen Entwicklungsschritte der Big Crunch Theorie. Es beschreibt visuell den Kreislauf vom Urknall, zur Bildung der ersten Galaxien, gefolgt vom Maximum der Expansion sowie dem Zusammenfall zurück zu einer Singularität, welche wiederum in einem neuen Urknall mündet.
Mathematisch ist diese Theorie zwar haltbar, jedoch müssten dafür einige Voraussetzungen gelten, welche sich bislang nicht nachweisen lassen. Allerdings zeigen die Auswertungen von Sternexplosionen aus dem Jahr 2008, dass die dunkle Materie, welche maßgeblich für den Expansionseffekt verantwortlich ist, sich in den letzten 2 Milliarden Jahren verringert haben könnte.
Dunkle Materie ist eine theoretische Form von Materie, welche bislang nicht direkt gemessen oder betrachtet werden konnte, da sie nicht wie normale Materie wechselwirkt.
Sie direkt nachzuweisen, ist Stand heute noch nicht gelungen. Ihre Wirkung auf makroskopischer Ebene wie Galaxien ist jedoch unumstritten, da das Verhalten von etwa Sternen am Rande von Galaxien nicht mit der uns bekannten Materie erklärbar ist.
Wie kann man aber die Größe des Universums berechnen?
Größe des Universums berechnen
Wenn die Lichtgeschwindigkeit immer konstant und das älteste Licht etwa 380.000 Jahre nach dem Urknall entstanden ist und demnach knapp 13,8 Milliarden Jahre zu uns gebraucht hat, könnte der Schluss gezogen werden, das Universum sei auch 13,8 Milliarden Lichtjahre groß, also genau so groß, wie weit das Licht in dieser Zeit reisen kann. Diese Überlegung ist aber nicht richtig, da sich das Universum stetig ausdehnt.
Um die tatsächliche Größe des Universums zu berechnen, solltest Du folglich die Expansion des Universums berücksichtigen. Das geht durch die Hubble-Konstante, welche genau das beschreibt. Durch viele Messungen und mit einer Unsicherheit von nur 3 % entspricht der aktuelle Wert der Hubble Konstante Stand 2012:
Die Einheiten Lichtjahr (Lj) und Megaparsec (Mpc) beschreiben Entfernungen in Abhängigkeit der Lichtgeschwindigkeit. Ein Lichtjahr entspricht der Entfernung, die Licht innerhalb eines Jahres zurücklegt. Ein Megaparsec entspricht der Entfernung von 3,26 Millionen Lichtjahren.
Damit Du Dir die Expansion besser vorstellen kannst, schau Dir das folgende Beispiel an.
Du kannst dir das wie einen Luftballon vorstellen, wobei der Luftballon das Universum ist und auf der Oberfläche alle Galaxien liegen. Pustet man den Ballon auf, entfernen sich auch automatisch die Galaxien voneinander, auch wenn sie sich selbst nicht bewegen. Das Aufpusten entspricht in diesem Fall der vergangenen Zeit.
Galaxien bewegen sich in der Realität relativ zum Universum mit einer eigenen Geschwindigkeit und Richtung. Der Effekt der Expansion ist jedoch unabhängig von dieser Relativbewegung beobachtbar.
Angesichts dieser Informationen ergibt sich für den Durchmesser des Universums ein größerer Wert als 13,8 Milliarden Lichtjahre, da sich innerhalb der Zeitspanne, die das Licht zur Erde benötigt, der Raum selbst vergrößert hat.
Wie groß ist aber das Universum unter Berücksichtigung der Expansion?
Universum Größe in Lichtjahren
Um die Größe des Universums anzugeben, reichen klassische Längenangaben nicht mehr aus. Daher haben Astronomen eine Einheit eingeführt, die mit der größtmöglichen Geschwindigkeit zusammenhängt – dem Lichtjahr.
Ein Lichtjahr entspricht der Entfernung, die Licht innerhalb eines Jahres zurücklegt. Da sich Licht mit ausbreitet, entspricht ein Lichtjahr ca. . Die Lichtgeschwindigkeit ist die größtmögliche Geschwindigkeit im Universum.
Doch selbst Lichtjahre werden der schieren Größe des Universums nicht gerecht. Unter Berücksichtigung der Expansion ergibt sich für das Universum ein Radius von ca. 46 Milliarden Lichtjahren, folglich ein Durchmesser von 92 Milliarden Lichtjahren.
Wieso kann sich aber nichts schneller als das Licht bewegen und warum ist das Universum dann mit 13,8 Milliarden Jahren Alter nicht auch 13,8 Milliarden Lichtjahre groß, sondern größer?
Dass sie die größtmögliche Geschwindigkeit im Universum darstellt, hat erstmals Albert Einstein in der speziellen Relativitätstheorie beschrieben. Wenn Dich das Thema interessiert, schau Dir die Erklärung über die spezielle Relativitätstheorie an.
Gibt es aber eine Möglichkeit diese Größen in Relation zu setzen?
Universum Größenvergleich
Vergleichst Du das Universum mit unserer Milchstraße, wird Dir schnell bewusst, wie groß es tatsächlich ist. Die Milchstraße hat eine Ausdehnung von ungefähr 100.000 Lichtjahren. Trotz ihrer unvorstellbaren Größe würde sie, direkt aneinander gereiht, 920.000 Mal nebeneinander in das Universum hineinpassen.
Um auf die anfängliche Frage zurückzukommen, wie weit eine Sternschnuppe gereist sein kann, ist die Antwort mit maximal knapp 13,5 Milliarden Jahren sehr lange, da sich in dieser Zeit in den ersten Sternen Eisen gebildet hat.
Aber wenn sich das Universum immer weiter ausdehnt, wie groß war es dann vor dem Urknall?
Größe Universums vor Urknall
Was vor dem Urknall war, kann kein Astronom beantworten, da es unmöglich ist, Daten aus dieser Zeit zu erhalten.
Laut dem aktuellen Wissensstand war das gesamte Universum aber zum Zeitpunkt des Urknalls in einer Singularität komprimiert, also unendlich klein.
Die Urknalltheorie beschreibt nicht den Urknall selbst, sondern die Zeit unmittelbar nach der Entstehung von „Allem“. Da die Physik in den ersten Momenten nicht existierte oder von uns unbekannten Gesetzmäßigkeiten überlagert wurde, bleibt der Anfang aller Zeiten wahrscheinlich für immer ein Rätsel.
Wie groß war aber das Universum unmittelbar nach seiner Entstehung?
Größe Universum nach Inflation
Während des Zeitabschnitts der GUT-Ära expandierte das Universum innerhalb kürzester Zeit auf die heute beobachtbare Größe von ca. 13,8 Milliarden Lichtjahren. Innerhalb dieser Zeit waren sämtliche physikalischen Gesetze außer Kraft gesetzt, weshalb es etwa möglich war, dass dessen Dichte oberhalb der sonst maximal möglichen Planck-Dichte gelegen hat.
Die Planck Dichte gehört wie die anderen Planck'schen Größen zu einem universellen Einheitensystem, welche nur von Naturkonstanten abhängt. Sie beträgt mit einem Wert jenseits der menschlichen Vorstellungskraft.
In direktem Anschluss an die kosmische Inflation folgte die Expansion des Universums, welche bis heute anhält. Das Universum ist ein sehr umfassendes Thema, zu dem es immer wieder neue Erkenntnisse gibt. Wenn Du durch diese Erklärung Lust auf mehr bekommen hast, kannst Du in der Rubrik Astronomie noch viele weitere interessante Erklärungen entdecken.
Universum Größe – Das Wichtigste
- Das Universum, das Weltall oder der Kosmos beschreiben alle die Gesamtheit aller Materie, Energie sowie Raum und Zeit.
- Die kosmische Hintergrundstrahlung ist das älteste messbare Licht, 380.000 Jahre nach dem Urknall entstanden.
- Alle Elemente schwerer als Wasserstoff und Helium entstanden in Sternen-Kernen, Supernovae oder Akkretionsscheiben von schwarzen Löchern.
- Galaxien werden durch Gravitation zusammengehalten.
- Das Hubble-Teleskop war lange Zeit das Teleskop mit der höchsten Auflösung im sichtbaren Lichtspektrum.
- Der Wert der Hubble Konstante ist und gibt die Expansionsgeschwindigkeit des Universums an.
- Das Universum ist 13,8 Milliarden Jahre alt.
- Der Urknall war der Beginn von Raum und Zeit.
- Die kosmische Inflation dauerte nur einen Bruchteil einer Sekunde an, vergrößerte jedoch den Raum um den Faktor 1026.
- Der Big Crunch ist eine Theorie, welche eine Verlangsamung der Expansion des Universums beschreibt und am Ende der Zeit in dem Gegenteil eines Urknalls endet.
Nachweise
- Daniel Fischer, Hilmar Duerbeck (2000) Das Hubble-Universum: Neue Bilder und Erkenntnisse ISBN 3-8289-3407-2
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. - Harald Lesch: Astronomie: die kosmische Perspektive. 2010
- Andreas Müller 2014: GUT-Ära. In: Astro-Lexikon. spektrum.de
- pixabay.com: Milchstraße. (08.07.2022)
- ESA and the Planck Collaboration: Kosmische Hintergrundstrahlung. (08.07.2022)
- creativecommons.org: Quasar Gruppe. (08.07.2022)
- nasa.gov: Hubbles Deep Fields. (08.07.2022)
- pixabay.com: James Webb Teleskop. (08.07.2022)
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