Erst vor etwas mehr als einem Jahrhundert wurde die Wissenschaft der Kosmologie geboren. Aus den radikalen Ideen von Albert Einstein und den Beobachtungen, dass sich der Weltraum ausdehnt, entstand das moderne kosmologische Paradigma, das als Urknall bekannt ist. Zum ersten Mal in der Geschichte begannen die Menschen zu verstehen, wie ihr Universum begann.
Nach jahrzehntelangen Beobachtungen und Messungen wissen wir nun im Detail, wie sich unser Universum über die ersten Momente seiner Geschichte hinweg ausdehnte und entwickelte.
Eine Vielzahl von Beobachtungen hat die Vorhersagen der Urknalltheorie in einem unglaublichen und ehrlich gesagt unerwarteten Ausmaß bestätigt. Die Geschwindigkeit, mit der sich unser Universum in den letzten 13,8 Milliarden Jahren ausgedehnt hat, stimmt mit den Gleichungen überein, die vor fast hundert Jahren aus Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie abgeleitet wurden, und Messungen der großräumigen Verteilung von Galaxien und Galaxienhaufen sind nicht von denen zu unterscheiden, die die Theorie vorhergesagt.
Und am beeindruckendsten ist, dass das detaillierte Muster der Temperaturschwankungen, das über dem kosmischen Mikrowellenhintergrund beobachtet wurde, eine Fundgrube für Kosmologen war, die uns alles enthüllte, von der Menge an Materie in unserem Universum bis hin zur großräumigen Geometrie des Weltraums selbst.
Von einigen hunderttausend Jahren nach dem Urknall bis heute können wir uns auf eine reiche Palette von Beobachtungen und Messungen verlassen, und diese Datensammlung hat uns überzeugt, dass wir diesen Teil der Geschichte unseres Universums ziemlich gut verstehen. P>
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Wie die überwiegende Mehrheit anderer Kosmologen wäre ich schockiert, wenn sich dieser Teil der Chronologie als inhaltlich falsch herausstellen würde – es gibt einfach zu viele verschiedene und starke Beweise, die unser derzeitiges Verständnis dieser Reihe von Ereignissen stützen. P>
Herauszufinden, dass wir das sehr falsch gemacht haben, wäre wie herauszufinden, dass es nie einen amerikanischen Bürgerkrieg gegeben hat oder dass Christoph Kolumbus im 12. Jahrhundert tatsächlich in Wales gelandet ist und nicht 1492 in Westindien. Es ist zwar gut, einen zu behalten offen darüber, was Sie möglicherweise falsch gemacht haben, in einigen Fällen sind die Beweise einfach zu stark, um vernünftigerweise davon auszugehen, dass Sie sich vollständig geirrt haben.
Aber je weiter wir in der kosmischen Geschichte zurückgehen, desto mehr beginnt unser Vertrauen zu sinken. Zwischen den ersten paar Sekunden und einigen Hunderttausend Jahren nach dem Urknall haben wir immer noch ziemlich substanzielle Unterstützung für das, was in der Standardzeitachse beschrieben wird.
Beobachtungen und Messungen sagen uns, dass die Expansionsrate und die Menge an Materie und Energie in unserem Universum nicht sehr unterschiedlich gewesen sein können, als unsere Berechnungen vorausgesagt haben. Trotzdem ist es immer noch plausibel, dass in dieser Zeit wichtige und unbekannte kosmologische Ereignisse stattgefunden haben könnten.
Die Informationen, die wir über die ersten Hunderttausende von Jahren unseres Universums haben, sind bedeutsam, aber nicht vollständig.
Die Geheimnisse der ersten Sekunden des Universums
Wenn wir noch weiter zurückgehen – in die ersten Sekunden und Sekundenbruchteile nach dem Urknall – gehen wir von unvollständigen Informationen zu im Wesentlichen keinen direkten Beobachtungen über, auf die wir uns verlassen können. Diese Ära bleibt unserem Blick verborgen, begraben unter undurchdringlichen Schichten von Energie, Distanz und Zeit.
Unser Verständnis dieser Periode der kosmischen Geschichte ist in vielerlei Hinsicht kaum mehr als eine fundierte Vermutung, basierend auf Schlussfolgerungen und Extrapolationen.
Trotz aller Erfolge der modernen Kosmologie bleibt vieles über unser Universum unbekannt. Das berühmteste dieser Mysterien ist das der Dunklen Materie.
Astronomen und Kosmologen haben mit sehr hoher Präzision bestimmt, wie viel Materie es in unserem Universum gibt, und das ist viel mehr, als es in Form von Atomen gibt. Nach jahrzehntelangen Messungen und Diskussionen sind wir jetzt zuversichtlich, dass der größte Teil der Materie in unserem Universum nicht aus bekannten Substanzen besteht, sondern aus etwas anderem, das Licht nicht nennenswert ausstrahlt, reflektiert oder absorbiert.
In den letzten Jahrzehnten haben sich Physiker mit einem ehrgeizigen experimentellen Programm beschäftigt, um herauszufinden, was diese Substanz ist und wie sie beim Urknall entstanden ist. Aber trotz anfänglichem Optimismus wissen wir nichts über dunkle Materie und ihre Natur.
Die Experimente haben genauso wie geplant durchgeführt, aber nichts gesehen. Dunkle Materie hat sich als weitaus schwer fassbarer herausgestellt, als wir uns einst vorgestellt hatten, was uns dazu zwingt, viele unserer Lieblingstheorien aufzugeben und radikal neue Ideen darüber in Betracht zu ziehen, was die dunkle Materie sein könnte und wie sie sich in der Erde gebildet haben könnte ersten Augenblicke nach dem Urknall.
Auch die Entstehung „gewöhnlicher“ Materie birgt hartnäckige Geheimnisse. Obwohl Protonen, Neutronen und Elektronen und die Atome, aus denen sie bestehen, leicht durch gut verstandene Prozesse erzeugt werden können, erzeugen solche Prozesse auch eine gleiche Menge exotischerer Teilchen, die als Antimaterie bekannt sind.
Immer wenn Materie- und Antimaterieteilchen miteinander in Kontakt gebracht werden, werden beide vernichtet. Warum enthält unser Universum dann so viel Materie und so wenig Antimaterie? Warum gibt es überhaupt Materie?
Wenn Materie und Antimaterie in gleichen Mengen in der Hitze des Urknalls entstanden wären – wie es unser heutiges Verständnis der Physik erwarten lässt – dann wäre fast alles davon schon vor langer Zeit zerstört worden, und unser Universum wäre im Wesentlichen leer von Atomen. Und doch gibt es überall Atome um uns herum.
Irgendwie muss im ersten Sekundenbruchteil der Geschichte unseres Universums mehr Materie als Antimaterie entstanden sein. Wir wissen nicht, wie oder wann dies geschah oder welcher Mechanismus dafür verantwortlich war. Aber irgendwie ermöglichte es etwas an den Bedingungen des frühen Universums, dass die Keime der Atome – und die gesamte Chemie, einschließlich des Lebens – die Hitze des Urknalls überlebten.
Wenn wir noch weiter in der Zeit zurückgehen, kommen wir zu dem vielleicht faszinierendsten unserer kosmischen Mysterien. Um unser Universum so zu verstehen, wie wir es beobachten, mussten Kosmologen zu dem Schluss kommen, dass der Weltraum in seinen frühesten Momenten eine kurze Phase hyperschneller Expansion durchlaufen haben muss.
Obwohl diese Epoche der Inflation nur wenig länger als ein Millionstel eines Milliardstel einer Milliardstel einer Milliardstel Sekunde dauerte, hinterließ sie unser Universum völlig verändert. In vielerlei Hinsicht kann man sich das Ende der Inflation als den wahren Beginn des Universums vorstellen, in dem wir leben.
Obwohl viele überzeugende Gründe für die Annahme identifiziert wurden, dass die Inflation wirklich stattgefunden hat, wissen und verstehen Kosmologen immer noch sehr wenig über diese frühe Schlüsselära unserer kosmischen Geschichte.
Und schließlich starteten Kosmologen in den 1990er Jahren ein ehrgeiziges Programm, um die neuere Expansionsgeschichte unseres Universums zu messen und uns zu ermöglichen, die Geometrie und das endgültige Schicksal unserer Welt zu bestimmen. Zum ersten Mal, so dachte man, könnten wir herausfinden, ob sich unser Universum für immer weiter ausdehnt oder sich stattdessen umkehrt und in sich selbst zusammenbricht.
Diese Messungen waren letztendlich erfolgreich, aber sie zeigten uns etwas, was nur sehr wenige Wissenschaftler erwartet hatten:Unser Universum dehnt sich nicht nur aus, sondern dehnt sich mit zunehmender Geschwindigkeit aus.
Um diese Tatsache zu erklären, mussten wir zu dem Schluss kommen, dass unser Universum riesige Mengen sogenannter dunkler Energie enthält, die den gesamten Raum ausfüllt und ihn auseinandertreibt. Aber unsere Bemühungen, dieses Phänomen zu verstehen, sind fast völlig leer ausgegangen. Wir verstehen einfach nicht, was dunkle Energie ist oder warum sie in unserem Universum existiert.
Jedes dieser Rätsel ist tief mit den ersten Augenblicken nach dem Urknall verbunden. Woraus auch immer die dunkle Materie besteht, sie wurde mit ziemlicher Sicherheit im ersten Bruchteil einer Sekunde unseres Universums gebildet.
Ebenso zeigt die einfache Tatsache, dass Atome in unserer Welt existieren, dass diese frühesten Momente Ereignisse und Wechselwirkungen beinhaltet haben müssen, von denen wir noch nichts wissen. Die kosmische Inflation fand ebenfalls in diesen frühesten Zeiten statt und könnte mit der Existenz dunkler Energie in Verbindung gebracht werden, was viele eigene Fragen aufwirft. Auf diese und andere Weise sind die größten Geheimnisse unseres Universums fest mit seinen ersten Augenblicken verbunden.
Wie wir es herausfinden
Obwohl sich die ersten Momente unseres Universums als herausfordernd erwiesen haben, hat uns das nicht davon abgehalten, es zu versuchen. Wissenschaftler sind derzeit dabei, Teleskope zu bauen, die das Licht, das als kosmischer Mikrowellenhintergrund bekannt ist, auf neue Weise und mit größerer Präzision messen werden.
Man hofft, dass diese Messungen Kosmologen in die Lage versetzen werden, mehr über die Inflation zu erfahren, beispielsweise wann sie stattfand und welche Energieformen sie angetrieben haben könnten. In fernerer Zukunft werden uns weltraumgestützte Gravitationswellendetektoren eine neue Sicht auf das frühe Universum bieten und möglicherweise Signale von der Inflation sowie von Phasenübergängen enthüllen, die möglicherweise während der ersten Momente unseres Universums stattgefunden haben.
Eines Tages könnten wir sogar damit beginnen, die als Neutrinos bekannten Teilchen, die beim Urknall entstanden sind, zu entdecken und zu untersuchen. Schwierig, ja. Aber unmöglich, nein.
Es ist klar, dass unsere größten kosmischen Mysterien mit den ersten Momenten unseres Universums verbunden sind. Wie kommt es, dass unser Universum so viel Materie und so wenig Antimaterie enthält? Wie ist die Dunkle Materie entstanden? Unser Universum scheint eine kurze Phase hyperschneller Expansion durchlaufen zu haben, aber wie und warum? Und hängt das damit zusammen, dass sich unser Universum jetzt wieder beschleunigt ausdehnt?
Heute sind das offene Fragen. Aber das Mysterium von heute ist die Entdeckung von morgen. Angetrieben von neuen Daten, Beobachtungen und Ideen sind wir bereit, Licht auf diese verwirrenden Fragen zu werfen. Und mit diesem Licht werden wir tiefer und klarer in die Vergangenheit blicken als je zuvor – näher an den Rand der Zeit.