Der Urknall

Wie das Universum aus einem heißen, dichten Anfang zu einem Netz aus Galaxien heranwuchs, in 13,8 Milliarden Jahren

Schritt für Schritt

Das Universum heute

Galaxien, aufgereiht an einem Netz aus Filamenten um leere Hohlräume: das Universum 13,8 Milliarden Jahre nach dem Urknall. Der Raum selbst dehnt sich noch immer und trägt die Galaxien auseinander.

Der gezeigte Bereich ist etwa 800 Millionen Lichtjahre breit. Seine Galaxien sammeln sich in Wänden und Filamenten um Hohlräume von hundert Millionen Lichtjahren und mehr, das Muster, das Durchmusterungen von Millionen Galaxien enthüllt haben. Das Netz hier ist nach einem einfachen Modell gezeichnet statt kartiert: Es gleicht dem echten, ohne es zu sein.

Ferne Galaxien entfernen sich umso schneller von uns, je weiter weg sie sind: etwa 67 km/s mehr je 3,26 Millionen Lichtjahre. Sie fliegen nicht durch den Raum; der Raum zwischen ihnen wächst. Dreht man die Uhr zurück, muss einst alles dicht zusammengedrängt gewesen sein.

Die Uhr läuft zurück

Läuft die Zeit rückwärts, rücken die Galaxien zusammen, zerfließen zu gleichmäßigem Gas und verschwinden in immer heißerem Licht. Es gibt keine Mitte: Von überall aus rückt alles auf gleiche Weise näher.

Der Urknall war keine Explosion an einem Punkt im Raum. Der Raum selbst war überall zugleich kleiner, und jeder Teil des heutigen Universums war daran beteiligt. Wählen Sie irgendeine Galaxie: Rückwärts laufend rücken alle anderen an sie heran, genau wie an unsere.

Alles, was wir heute sehen können, inzwischen 93 Milliarden Lichtjahre breit, passte eine Sekunde nach dem Urknall in einen Bereich von etwa 18 Lichtjahren. Was im allerersten Augenblick geschah oder ob es ein Davor gab, weiß noch niemand: Unsere Physik kann das Universum nur bis zu dem Moment zurückverfolgen, als es schon einen winzigen Bruchteil einer Sekunde alt war.

Die erste Sekunde

Eine millionstel Sekunde danach ist der Raum erfüllt von Quarks, Gluonen und Licht bei Billionen Grad. Nach etwa einer hunderttausendstel Sekunde sammeln sich die Quarks zu Protonen und Neutronen.

Nichts ist heute so heiß, nicht einmal der Kern eines Sterns. Das ganze Universum war eine dichte Suppe aus den kleinsten Teilchen, die viel zu oft zusammenstießen, als dass etwas zusammenhalten konnte. Als der Raum wuchs, kühlte er ab, und bei etwa zwei Billionen Grad fanden sich die Quarks zu dritt zusammen: Protonen und Neutronen.

Anfangs gab es gleich viele Neutronen wie Protonen. Neutronen sind etwas schwerer, also wurden sie beim Abkühlen seltener, bis sich die beiden gut eine Sekunde danach nicht mehr ineinander umwandelten: ein Neutron auf sechs Protonen. Bis dahin waren die Neutrinos entwichen; sie erfüllen den Raum noch heute.

Die ersten Minuten

Zwischen etwa drei und zwanzig Minuten verschmelzen Protonen und Neutronen zu Helium, bis ein Viertel aller gewöhnlichen Materie Helium ist. Danach ist das Universum zu kühl, um mehr zu bilden.

Protonen und Neutronen verbinden sich zuerst zu Deuterium, doch einige Minuten lang ist das Licht noch heiß genug, diese Paare zu zerbrechen. Sobald es unter etwa eine Milliarde Grad abgekühlt ist, überleben die Paare und verbinden sich rasch zu Helium. Fast jedes Neutron landet in einem Heliumkern.

Das Ergebnis, etwa drei Viertel Wasserstoff und ein Viertel Helium nach Masse, mit Spuren von Deuterium und Lithium, ist genau das, was Astronomen im ältesten Gas und in den ältesten Sternen finden. Es gehört zu den stärksten Belegen dafür, dass der Urknall stattfand, und zwar in den ersten zwanzig Minuten des Universums.

Ein leuchtender Nebel

In den nächsten 370.000 Jahren ist das Universum ein leuchtender Nebel aus Atomkernen, Elektronen und Licht. Licht kommt nicht weit, bevor es an einem Elektron abprallt, also sieht man nichts hindurch.

Es ist wie im Inneren eines Sterns, nur immer dünner und kühler, während der Raum wächst. Materie und Licht drücken und ziehen aneinander, und Schallwellen laufen durch den Nebel. Die Kräuselungen, die sie hinterlassen, sind winzig, etwa ein Teil in 100.000; hier sind sie tausendfach verstärkt gezeichnet.

Langsam kühlt der Nebel von Hunderten Millionen Grad auf einige Tausend ab, und sein Leuchten wechselt die Farbe wie bei einem abkühlenden Stern: von bläulich Weiß über Gelb zu Orange. Auf jedes Proton oder Neutron kommen etwa 1,6 Milliarden Lichtteilchen.

Der Nebel lichtet sich

Bei etwa 3.000 Grad, rund 370.000 Jahre nach dem Urknall, setzen sich die Elektronen auf die Atomkerne, und der Nebel wird durchsichtig. Das damals freigesetzte Licht erreicht uns noch immer aus allen Richtungen: die kosmische Hintergrundstrahlung.

Sind die Elektronen erst in Wasserstoff- und Heliumatomen gebunden, kommt das Licht frei zwischen ihnen hindurch. Dieses Licht ist seither unterwegs. Vom wachsenden Universum auf tausendfach längere Wellen gedehnt, kommt es heute als Mikrowellen an, 2,7 Grad über dem absoluten Nullpunkt.

Seine winzigen Kräuselungen, Flecken von etwa einem Grad am Himmel, sind die Keime aller Galaxien. Satelliten haben sie genau kartiert, von COBE über WMAP bis Planck; die echte Karte ist unter den Fotos. Ihr Muster verrät das Alter des Universums und woraus es besteht.

Das dunkle Zeitalter

Während der Raum weiter wächst, rötet sich das Nachleuchten und verblasst. Nach einigen Millionen Jahren gibt es kein sichtbares Licht mehr, nur Dunkelheit, während die Schwerkraft still die Materie in den Kräuselungen sammelt.

Einige Millionen Jahre lang glühte der Himmel noch dunkelrot wie Glut. Dann glitt sein Licht ins Infrarote, und das Universum wurde dunkel. Es gab noch keine Sterne, nur abkühlendes Gas aus Wasserstoff und Helium.

In der Dunkelheit zog sich die Dunkle Materie, die weder leuchtet noch Licht abschirmt und fünfmal so viel wiegt wie die gewöhnliche Materie, dort zusammen, wo die Kräuselungen sie etwas dichter gemacht hatten, und das Gas folgte. Hier ist sie blau gezeichnet; in Wirklichkeit ist sie unsichtbar.

Erstes Licht

Hundert bis zweihundert Millionen Jahre danach entzünden sich die ersten Sterne in den dichtesten Knoten des Netzes, und die ersten Galaxien sammeln sich. Ihr Licht klärt nach und nach das Gas um sie herum.

Die ersten Sterne waren wohl riesig, heiß und kurzlebig und bestanden nur aus Wasserstoff und Helium; noch keiner wurde gefunden. Das James-Webb-Weltraumteleskop hat Galaxien gesehen, die schon weniger als 300 Millionen Jahre nach dem Urknall leuchteten.

Das ultraviolette Licht junger Galaxien spaltete die Wasserstoffatome um sie herum wieder auf, und etwa eine Milliarde Jahre nach dem Urknall war das Gas zwischen den Galaxien klar. Ihre Sterne schmiedeten auch die ersten schwereren Elemente, von Kohlenstoff bis Eisen, aus denen später Sterne und Planeten entstanden.

Das Netz wächst

Über Milliarden Jahre wachsen und verschmelzen Galaxien entlang des Netzes. Die Sonne entsteht 9,2 Milliarden Jahre nach dem Urknall, und seit sechs Milliarden Jahren wächst der Raum immer schneller.

Die meisten Sterne entstanden, als das Universum zwei bis sechs Milliarden Jahre alt war; seither ist die Sternentstehung etwa auf ein Zehntel gesunken. Sonne und Erde bildeten sich vor etwa 4,6 Milliarden Jahren aus Gas, das schon Generationen früherer Sterne angereichert hatten.

1998 entdeckten Astronomen, dass ferne explodierende Sterne schwächer waren als erwartet: Die Ausdehnung beschleunigt sich. Was sie antreibt, Dunkle Energie genannt, macht heute etwa 68 % des Universums aus. Was es ist, bleibt eine der größten offenen Fragen der Physik.