Urzeituniversumwas gleich nach dem Urknall geschah
Von der Planck-Epoche bis zum Bruch der elektroschwachen Symmetrie: Im ersten Augenblick des Universums fanden Inflation und Wiedererwärmung statt. Jede Phase und die Forschung dahinter.
Im Kosmischen Kalender: Die ersten 3 Minuten des 1. JanuarAb 0 s nach dem UrknallDen ganzen Kalender ansehen
In seinem ersten Augenblick durchlief das Universum die Abspaltung der Gravitation, die Epoche der Großen Vereinheitlichung, die Inflation, das Reheating und den elektroschwachen Symmetriebruch. Der entscheidende Schritt war die Inflation: Der Raum dehnte sich um den Faktor 10²⁶ aus, dann zerfiel das Inflatonfeld, und seine Vakuumenergie wurde zu Teilchen und Strahlung. Erst dann begann wirklich ein heißes Universum.
Je näher wir dem Anfang kommen, desto mehr sind wir auf Theorie statt direkte Beobachtung angewiesen. Manches Folgende ist durch Beobachtung bestätigt, manches noch ein theoretischer Rahmen, behalte diesen Unterschied beim Lesen im Kopf.
Die ersten sieben Phasen
- 10⁻⁴³ s · Planck-Epoche: Zeit und Raum beginnen, Bedeutung zu haben. Davor gelten Wörter wie „vorher und nachher“ oder „nah und fern“ noch nicht.
- 10⁻⁴³ s · Gravitation spaltet sich ab: Die Gravitation löst sich von der vereinheitlichten Kraft und wird zu einer eigenen Wechselwirkung.
- 10⁻³⁶ s · Epoche der Großen Vereinheitlichung: Starke, schwache und elektromagnetische Kraft sind noch eine, wie eine einzige Farbe, die noch nicht in drei Flaschen gefüllt ist.
- 10⁻³⁶ s · Kosmische Inflation: Der Raum dehnt sich um den Faktor 10²⁶ aus. Gedehnt wird der Raum selbst, nicht Dinge darin, die in alle Richtungen davonfliegen.
- 10⁻³² s · Ende der Inflation: Das Inflatonfeld zerfällt.
- 10⁻³² s · Reheating: Vakuumenergie wird zu Teilchen und Strahlung. Die Inflation machte das Universum riesig und kalt, das Reheating setzte die gespeicherte Energie frei, die zur Quelle aller späteren Materie und allen Lichts wurde.
- 10⁻¹² s · Elektroschwacher Symmetriebruch: Das Higgs-Feld gibt Teilchen Masse, und verschiedene Teilchen bekommen ihr eigenes „Gewicht“.
Das expandierende Universum: von der Theorie zur Beobachtung
Dass sich das Universum ausdehnt, wurde zuerst in der Theorie abgeleitet, und drei Arbeiten gaben den Staffelstab weiter. Alexander Friedmann zeigte aus der Allgemeinen Relativitätstheorie, dass sich das Universum ausdehnen oder zusammenziehen könnte, sieben Jahre vor Beobachtungsbelegen (Friedmann, Zeitschrift für Physik, 1922). Georges Lemaître schlug unabhängig vor, dass sich das Universum ausdehnt, und stellte sich später vor, dass es aus einem „Uratom“ begann, eine frühe Form der Urknalltheorie (Lemaître, Annales de la Société Scientifique de Bruxelles, 1927). Die Beobachtung folgte: Je weiter eine Galaxie von uns entfernt ist, desto schneller entfernt sie sich, das Universum ist also nicht statisch (Hubble, PNAS, 1929). Hubbles Aufsatz heißt „A relation between distance and radial velocity among extra-galactic nebulae“. Friedmanns Aufsatz behandelte die Krümmung des Raumes und Lemaîtres ein homogenes Universum konstanter Masse und wachsenden Radius. Nebeneinandergelegt folgen die drei Arbeiten der Reihenfolge „erst Theorie, dann Beobachtung“.
Inflation: Warum das Universum so flach und gleichförmig ist
Alan Guth schlug vor, dass sich das frühe Universum exponentiell ausdehnte, was auf einen Schlag erklärte, warum das Universum so flach ist und seine Temperatur fast überall gleich (Guth, Physical Review D, 1981). Der Titel seines Aufsatzes, „Inflationary universe: A possible solution to the horizon and flatness problems“, nennt die beiden Rätsel. Das erste fragt, warum ferne Regionen fast dieselbe Temperatur haben, das zweite, warum das Universum so flach aussieht. Das ursprüngliche Modell hatte allerdings einen Mangel. Andrei Linde löste das Problem, wie die Inflation sauber enden kann, und machte die Inflationstheorie damit brauchbar (Linde, Physics Letters B, 1982).
Das Universum beschleunigt sich auch heute noch
Eine „Standardkerze“ ist eine Lichtquelle bekannter Helligkeit, wie eine Reihe Glühbirnen mit gleicher Wattzahl: Je schwächer sie aussieht, desto weiter ist sie weg. Forscher nutzten ferne Supernovae als solche Glühbirnen und fanden, dass sich die Expansion beschleunigt. Die Dunkle Energie trat ins Bild, und die Arbeit gewann 2011 den Nobelpreis (Riess et al., The Astronomical Journal, 1998). Ein anderes Team kam unabhängig zum selben Schluss: Eine Energie im Universum treibt die Beschleunigung an (Perlmutter et al., The Astrophysical Journal, 1999). Der Satellit Planck lieferte die bisher genauesten kosmologischen Parameter: ein Alter von etwa 13,8 Milliarden Jahren, wobei gewöhnliche Materie nur etwa 5 % ausmacht (Planck Collaboration, Astronomy & Astrophysics, 2020).
Woher Masse kommt
Peter Higgs schlug ein Feld vor, das den ganzen Raum füllt und Teilchen ihre Masse gibt, und sagte ein neues Teilchen voraus (Higgs, Physical Review Letters, 1964). Der Large Hadron Collider fand ein neues Teilchen bei etwa 125 GeV und bestätigte damit eine Vorhersage, die 48 Jahre gewartet hatte (ATLAS Collaboration, Physics Letters B, 2012). Das passt zum obigen Schritt des elektroschwachen Symmetriebruchs: Das Higgs-Feld gibt Teilchen Masse.
So zeigt es das Spiel
Im Spiel beginnt die Ära Urzeituniversum bei „0 s nach dem Urknall“, und ihre Ressource ist Energie. Die Generatoren heißen Quantenfluktuation, Inflatonfeld, Vakuumzerfall und Reheating, benannt nach den obigen Schlüsselideen.
Reale Grundlage
Planck-Epoche (10⁻⁴³ s): Zeit und Raum beginnen, etwas zu bedeuten
Die Gravitation trennt sich (10⁻⁴³ s): Die Gravitation spaltet sich von der vereinheitlichten Kraft ab
Epoche der Großen Vereinheitlichung (10⁻³⁶ s): starke, schwache und elektromagnetische Kraft sind noch eins
Kosmische Inflation (10⁻³⁶ s): Der Raum dehnt sich um das 10²⁶-Fache aus
Ende der Inflation (10⁻³² s): Das Inflaton-Feld zerfällt
Wiedererwärmung (10⁻³² s): Vakuumenergie wird zu Teilchen und Strahlung
Bruch der elektroschwachen Symmetrie (10⁻¹² s): Das Higgs-Feld verleiht Teilchen Masse
Verwandte Forschung
Diese Studien hängen mit dem Thema zusammen, belegen diese Seite aber nicht direkt.
Das Universum dehnt sich aus: Hubble fand heraus: Je weiter eine Galaxie entfernt ist, desto schneller entfernt sie sich. Das Universum ist nicht statisch, es dehnt sich aus.
Quelle: Hubble, PNAS 1929, "A relation between distance and radial velocity among extra-galactic nebulae"
Friedmanns Universum: Friedmann leitete aus der Allgemeinen Relativitätstheorie ab, dass das Universum sich ausdehnen oder zusammenziehen kann, sieben Jahre vor dem Beobachtungsbeleg.
Quelle: Friedmann, Zeitschrift für Physik 1922, "Über die Krümmung des Raumes"
Das Uratom: Lemaître schlug unabhängig vor, dass das Universum sich ausdehnt, und stellte sich später vor, es habe als „Uratom“ begonnen, der Vorläufer der Urknalltheorie.
Quelle: Lemaître, Annales de la Société Scientifique de Bruxelles 1927, "Un Univers homogène de masse constante et de rayon croissant"
Inflationäres Universum: Guth schlug vor, dass das frühe Universum eine exponentielle Ausdehnung durchlief, was auf einen Schlag erklärt, warum es so flach ist und die Temperatur fast überall gleich.
Quelle: Guth, Physical Review D 1981, "Inflationary universe: A possible solution to the horizon and flatness problems"
Neue Inflation: Linde löste das Problem, wie die Inflation sanft enden konnte, und machte die Inflationstheorie erst wirklich brauchbar.
Quelle: Linde, Physics Letters B 1982, "A new inflationary universe scenario"
Beschleunigte Expansion: Mit fernen Supernovae als „Standardkerzen“ fanden sie heraus, dass sich die Ausdehnung des Universums beschleunigt. Die Dunkle Energie betrat die Bühne, und die Arbeit gewann 2011 den Nobelpreis.
Quelle: Riess et al., The Astronomical Journal 1998, "Observational evidence from supernovae for an accelerating universe and a cosmological constant"
42 Supernovae: Ein anderes Team kam unabhängig zum selben Schluss: Eine Energie im Universum treibt die beschleunigte Expansion an.
Quelle: Perlmutter et al., The Astrophysical Journal 1999, "Measurements of Omega and Lambda from 42 high-redshift supernovae"
Das Rezept des Universums: Der Planck-Satellit lieferte die bisher genauesten kosmologischen Parameter: ein Alter von etwa 13,8 Milliarden Jahren, wobei gewöhnliche Materie nur etwa 5 % ausmacht.
Quelle: Planck Collaboration, Astronomy & Astrophysics 2020, "Planck 2018 results. VI. Cosmological parameters"
Woher die Masse kommt: Higgs schlug ein Feld vor, das den Raum erfüllt und den Teilchen Masse verleiht, und sagte ein neues Teilchen voraus.
Quelle: Higgs, Physical Review Letters 1964, "Broken symmetries and the masses of gauge bosons"
Das Higgs-Teilchen finden: Der Large Hadron Collider fand bei etwa 125 GeV ein neues Teilchen und bestätigte damit eine Vorhersage von vor 48 Jahren.
Quelle: ATLAS Collaboration, Physics Letters B 2012, "Observation of a new particle in the search for the Standard Model Higgs boson with the ATLAS detector at the LHC"