Unsere Welt zu verstehen:  Lebensraum Kosmologische

 

 
Wie unser kosmischer Lebensraum entstand

— hmsgnr0369z

 
 
Etwa 3 Min nach dem Urknall

lag alle nicht im Vakuum begrabene Energie unseres Universums in 3 klar von einander unterscheidbaren Formen vor:
 

• als baryonische Materie (Elektronen, Protonen und kurzlebige Neutronen)
   
• als Dunkle Materie
   
• als Strahlung (Photonen und Neutrinos)

 
Da Dunkle Materie auf elektromagnetische Kraft nicht reagiert — baryonische Materie das aber sehr wohl tut — konnte sich nur die Dunkle Materie schon jetzt von den beiden anderen Energieformen entkoppeln und anfangen, sich zu verklumpen.
 
Ganz anders die baryonische Materie: Noch bis etwa 380 000 Jahre nach dem Urknall herrschte zwischen Photonen, Elektronen und Nukleonen thermisches Gleichgewicht. Erst ab diesem Zeitpunkt war — der Expansion des Raumes wegen — die durchschnittliche Energie der Photonen so niedrig geworden, dass Zusammenstoß mit einen schon vorhandenen Atom dieses Atom nicht sofort wieder in seine Einzelteile zerlegen konnte. Erst jetzt also konnte es zu einer starken Zunahme der Menge von Atomen kommen, die sich zufällig durch Zusammenstoß eines Elektrons mit einem Proton gebildet hatten.
 
Man beachte: Die Expansion des Raums macht Strahlung langwelliger — verringert also die Energie der Photonen — und zudem macht der sich ausdehnende Raum den Zusammenstoß von Teilchen unwahrscheinlicher. Eben das schuf den Freiraum, in dem es zur Bildung elektrisch neutraler Wasserstoff- und Heliumatome kommen konnte.
 
 
Da der relative Anteil der in Form von Strahlung vorliegender Energie dieser Vergrößerung der Wellenlängen wegen schnell abnahm, wurde aus dem ursprünglich strahlungsdominierten Universum schon etwa 30 000 Jahre nach dem Urknall ein materie-dominiertes.

 
 
Nochmals also: Erst etwa 380 000 Jahre nach dem Urknall

kam es zur Entkopplung von Strahlung und baryonischer Materie.
 
Und erst Materie, die schon in Form von Atomen vorlag, konnte durch elektromagnetische Strahlung nicht mehr daran gehindert werden, sich — gezogen durch Gravitationskräfte — den schon vorhandenen Klumpen Dunkler Materie anzuschließen.
 
 
Geschichtliches:
 
Aus der durch Astronomen beobachteten Verteilung der Galaxienhaufen war klar geworden, dass zur Zeit, als die Hintergrundstrahlung von der Materie ent­koppelte, es in der damals gegebenen Energiedichte lokale Schwankungen bis hin zu 1/1000 gegeben haben musste. Obgleich nun aber schon 1980 — etwa 15 Jahre nachdem man die kosmische Hintergrundstrahlung fand — die Telekope so gut geworden waren, dass nun selbst noch Schwankungen von 1/10000 nachweisbar sein sollten, fand man keine.
 
Und so wurden die Kosmologen zunehmend nervös. Der britische Astronom Goeffrey Burbidge brachte es auf den Punkt: "Wenn wir keine Schwankungen in der Hintergrundstrahlung finden, macht es keinen Sinn mehr, am alten Bild der Galaxienentstehung festzuhalten."
 
Man kann sich die Erleichterung der Astrophysiker vorstellen, als dann — Anfang der 1990-er Jahre — der NASA-Satellit COBE die von der Theorie vorhergesagten Schwankungen schließlich doch noch fand.
 
Sie ein erstes Mal flächendeckend deutlich genauer zu vermessen, gelang aber erst mit WMAP — einem Forschungssatelliten, der um das 35-fache genauer sehen konnte als COBE: COBEs Auflösung betrug nur 7 Grad (was dem 14-fachen Durchmesser des Vollmondes entspricht). Dass diese Hightech-Sensoren so unscharf sind, mag zunächst verwundern. Doch man bedenke: Sie senden und "sehen" im Mikrowellenbereich, dessen Wellenlängen um das Hunderttausendfache größer sind als die längsten des sichtbaren Lichts.

 
 
Quelle: Helmut Hetznecker Kosmologische Strukturbildung, Spektrum 2009, S. 79-85 und ab S. 93:
 
 
 
Kosmologische Strukturbildung
 
Über viele Jahre waren 2 grundverschiedene Vermutungen im Umlauf:

 

• Das Top-Down-Modell, nach dem sich zunächst Strukturen auf großen Skalen gebildet haben könnten, die dann nach und nach in immer kleinere Klumpen zerfielen. Dieses Modell gilt heute als unwahrscheinlich.
   
• Das Buttom-up-Modell, nach dem zunächst noch kleine Dichteunterschiede schon sehr früh dazu geführt haben, dass sich um die dichteren Stellen herum Potentialtöpfe bildeten, zunächst durch Verklumpen ausschließlich Dunkler Materie: Da sie nicht mit elektromagnetischer Strahlung interagiert konnte sie durch Zusammenstoß mit Photonen auch nicht wieder zerstreut werden, so wie das bis hin zur Entkopplungszeit — etwa 380 000 Jahre nach dem Urknall — für die damals noch ionisierte gewöhnliche Materie der Fall war. Erst nachdem sich Atome gebildet hatten, konnte auch die baryonische Materie ungehindert der gravitativen Anziehung jener Gravitationstöpfe folgen und zu ihrer Vergrößerung beitragen.

 
Die Kosmologen sehen heute das zweite Modell als gesichert an, denn:

 

• Während die innere Dynamik von Kugelsternhaufen und Galaxien auf ein hohes Alter dieser Objekte hindeutet, kann man den Galaxienhaufen noch heute bei ihrer Entstehung sozuagen "zusehen". Sie haben noch keinen Entspannungszustand erreicht; Sie sich noch nicht "relaxiert", wie man sagt.
   
• Zudem wird durch Beobachtungsergebnisse immer deutlicher, dass es im Universum schon recht früh nach der Entkopplungszeit zahlreiche Galaxien gab — viel mehr, als man zunächst erwartet hatte.
   
• Nicht zuletzt kennt man heute zahlreiche Beispiele von Galaxien, die offensichtlich dabei sind, ein größeres Ganzes zu bilden (sich also zu vereinigen).

Kurz: Die Beobachtungslage spricht klar für das Buttom-up-Schema, d.h. für Strukturbildung vom Kleinen hin zum Großen — insbesondere dann, wenn man beide Szenarien in engem Zusammenhang mit der Existenz Dunkler Materie sieht.
 
Es wird so auch klar, dass Dunkle Materie sog. kalte Materie sein muss, d.h. aus massereichen Teilchen (sog. WIMPs) bestehen sollte — nicht aber aus Teilchen, die sich mit fast Lichtgeschwindigkeit durch den Raum bewegen.
 
Jede Galaxie ist eingebettet in einen kugelförmigen Halo Dunkler Materie, der entstand wie folgt:

 
Angetrieben durch ihre Eigengravitation schreitet der Kollaps einer überdurchschnittlich dichten Region im All voran, während gleichzeitig Dichte und Druck steigen. Das geht so lange, bis der interne Druck dem Kollaps der Wolke Dunkler Materie Einhalt gebietet: Es stellt sich ein stabiles Gleichgewicht ein, und aus der ursprünglich kleinen Dichtefluktuation hat sich ein eingenständiges, stabiles Objekt geformt, das nun ganz sich selbst überlassen ist. Astronomen nennen solche Objekte Dunkle Halos (kurz: Halos).
 
Gleichgewicht hat sich eingestellt, wenn gilt
 
E_kin  =  –E_pot / 2 .
 
Hier steht E_kin für die Bewegungsenergie der Teilchen Dunkler Materie im Halo und E_pot für ihre Lageenergie.
 
Dieses einfache Verhältnis von Bewegungs- und Lageenergie stellt sich ein, sobald die Dichte im Halo etwa 200 Mal höher ist als die mittlere Energiedichte im Universum.
 
Einen Halo, der sein dynamisches Gleichgewicht erreicht hat, nennt man virialisiert.

 
 
 
Wann entstanden die ersten Sterne?
 
Aus den durch die Raumsonde WMAP gesammelten Daten glauben die Astrophysiker herauslesen zu können, dass die ersten Sterne im Universum bei einer Rot­ver­schiebung von etwa z = 30 aufflackerten, d.h. etwa 100 Mio Jahre nach dem Urknall (wenn wir die Sprache der Rot­verschiebungen richtig deuten).