Der Urknall – Das Rätsel des Anfangs

Der Weg der Wissenschaft zum Big Bang

• Hat das Universum einen Anfang?

  

  Zu Beginn des 20. Jahrhunderts war selbst Albert Einstein der Gedanke, das Universum könne einen Anfang gehabt haben, ungeheuerlich. Wie die meisten Forscher seiner Zeit war er vielmehr überzeugt, dass das Universum schon immer da gewesen sei. In seiner Vorstellung konnten sich zwar die Sterne und Galaxien verändern, aber die „Bühne“ war beständig. Ausgerechnet ein Mann der Kirche, Georges Lemaître (in der Spielszene: Andreas Thiele), sollte Einstein eines Besseren belehren. Der belgische Jesuit war nicht nur Priester, sondern auch Astrophysiker und Professor an der Universität in Löwen. Seine Vorstellung vom Universum war revolutionär. Für ihn war es nicht schon immer da, sondern ist aus einem extrem kleinen Urzustand entstanden, dem „Ur-Atom“. Doch wie kam er auf diese Idee?

  Bildquelle: ZDF/Zeljko Pehar

• Was verrät das Licht der Sterne?

  

  Es gibt besondere Sterne, sogenannte Cepheiden, deren Leuchtkraft Astronomen bekannt ist. Da Sterne umso dunkler erscheinen, je weiter sie von uns entfernt sind, lässt sich aus der beobachteten Helligkeit der Cepheiden ermitteln, wie weit sie und damit ihre Heimatgalaxien von uns entfernt sind. Der amerikanische Astronom Edwin P. Hubble konnte so die Entfernungen einiger unserer Nachbargalaxien bestimmen. Doch das Licht der Sterne verrät noch mehr. Wenn sich eine Lichtquelle vom Beobachter entfernt, werden ihre Lichtwellen auseinandergezogen. Das Licht wird dadurch langwelliger, seine Farben verschieben sich ins Rötliche. Kombiniert man diese „Rotverschiebungen“ mit den beobachteten Entfernungen, so zeigt sich, dass sich alle Galaxien von uns wegbewegen – und das umso schneller, je weiter sie von uns entfernt sind. Anders gesagt: Das Universum expandiert.

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• Warum änderte Einstein seine Meinung?

  

  Lemaître (in der Spielszene: Andreas Thiele) zog aus den Messdaten einen genialen Schluss: Wenn das Universum heute expandiert, dann muss es früher kleiner gewesen sein, winzig klein – bis hin zu einem Urzustand, aus dem der gesamte Kosmos hervorgegangen sein muss. Angesichts immer genauerer Messdaten musste auch Einstein diesen Gedanken zulassen. Anfang der 1930er-Jahre soll er die Urknall-Theorie sogar als die „schönste und befriedigendste Erklärung der Schöpfung“, die er je gehört habe, beschrieben haben. Andere Astronomen – Fred Hoyle etwa, der später den Begriff „Big Bang“ prägte – blieben skeptisch. Sie konnten sich nicht vorstellen, dass alle chemischen Elemente ihren Ursprung in einer einzigen Explosion gehabt haben könnten.

  Bildquelle: ZDF7Zeljko Pehar

• Wie sind die schweren Elemente entstanden?

  

  Sterne bestehen fast ausschließlich aus Wasserstoff und Helium. Ein Wasserstoffatom hat nur einen Kernbaustein, Helium vier. Wie kann daraus zum Beispiel Sauerstoff, das Element mit 16 Kernbausteinen, entstehen? Atomkerne stoßen sich ab, sie sind positiv geladen. Um sie zusammenzuschweißen, müssen Temperatur und Druck ausreichend hoch sein. Die passenden Bedingungen gibt es in Sternen: Bei mehr als drei Millionen Grad Celsius kommt es zur Kernfusion. Atomkerne kollidieren mit so großer Wucht, dass sie miteinander verschmelzen. Aus leichten Kernen entstehen so immer schwerere. Sehr große und heiße Sterne können alle schweren Elemente hervorbringen. Hat ein großer Stern seinen Brennstoff aufgebraucht, explodiert er und schleudert seine Materie ins All. Aus solchem „Sternenstaub“ bildeten sich einst unsere Erde und alle Galaxien. Eine Frage kann diese Theorie allerdings nicht beantworten: Woher kommen die leichten Elemente Wasserstoff und Helium, aus denen die Sterne selbst bestehen?

  Bildquelle: ESA/Hubble

• Können wir bis zum Urknall zurückblicken?

  

  Ein Blick in die Tiefe des Universums ist immer auch ein Blick in die Vergangenheit. Je weiter eine Lichtquelle von uns entfernt ist, desto länger braucht das Licht, um uns zu erreichen. Was wir von entfernten Objekten sehen, ist also immer ein Bild der Vergangenheit. 2016 haben Astronomen mit dem Weltraumteleskop Hubble die bisher älteste Galaxie entdeckt, „GN-z11“. Ihr Licht hatte sich vor etwa 13,4 Milliarden Jahren zu uns auf den Weg gemacht – nur 400 Millionen Jahre nach dem Urknall. Doch wir können sogar noch weiter blicken. 1964 arbeiteten die US-amerikanischen Astronomen Arno Penzias und Robert Wilson an einer neuen Radioantenne. Wohin die Forscher die Antennenschüssel auch richteten, sie empfingen immer auch ein störendes Rauschen. Es stellte sich heraus: Penzias und Wilson hatten als Erste die sogenannte kosmische Hintergrundstrahlung gemessen. Diese Strahlung ist das Nachglühen des ersten Lichts im Universum, das sich kurz nach dem Urknall ausbreitete. Heute ist diese Reststrahlung zwar nur noch sehr schwach, aber dennoch überall messbar: Bei einem Fernsehgerät mit analogem Empfang etwa liefert sie circa ein Prozent des statischen Rauschens. Die Hintergrundstrahlung stammt aus einer Zeit 380.000 Jahre nach dem Urknall. Davor war das Universum noch dunkel – weiter zurück werden unsere Teleskope also nie blicken können.

  Bildquelle: ZDF/Zeljko Pehar

• Sendungsinformation

  Faszination Universum: Der Urknall – Das Rätsel des Anfangs
  Erstausstrahlung ZDF: 7. Oktober 2018, 19.30 Uhr
  
  Buch und Realisation Hanna Kotarba, Eva-Maria Rauert
  Sprecher Gert Heidenreich
  
  Redaktion TV Christiane Götz-Sobel, Tobias Schultes
  Redaktion Online Katja Treu
  
  Weitere aktuelle Folge
  Faszination Universum: Die Schwerkraft – Dirigentin der Welt
  Erstausstrahlung ZDF: 30. September 2018, 19.30 Uhr