Was der Urknall nicht ist

Anders als das populäre Bild suggeriert, ist der Urknall keine Explosion, die sich im Raum an einem bestimmten Ort ereignet hätte, den man theoretisch lokalisieren könnte. Es ist der Raum selbst, der begann, sich von einem extrem dichten und heißen Zustand aus auszudehnen — es gibt also kein „Zentrum" des Universums, auf das man zusteuern könnte, und keinen Ursprungspunkt, den man am Himmel ausmachen könnte: Jeder Punkt im Raum entfernt sich von allen anderen, ähnlich wie sich Punkte, die auf einen sich aufblähenden Ballon gemalt sind, alle voneinander entfernen, ohne dass einer von ihnen das Zentrum des Ballons wäre.

Die Theorie beschreibt auch nicht, was den Urknall „verursacht" hat, noch was „davor" existierte — Fragen, die beim gegenwärtigen Stand der Physik vielleicht nicht einmal sinnvoll sind, da die Zeit selbst möglicherweise erst in diesem Moment begonnen hat.

Die Beobachtungsbelege

Drei wichtige Beobachtungen stützen das Urknallmodell solide. Zunächst die Expansion des Universums selbst: In den 1920er-Jahren zeigte der Astronom Edwin Hubble, dass sich ferne Galaxien umso schneller von uns entfernen, je weiter sie entfernt sind — genau das, was ein sich seit einem kompakten Anfangszustand ausdehnender Raum vorhersagt.

Dann die kosmische Hintergrundstrahlung, 1965 zufällig entdeckt: eine extrem gleichmäßige Mikrowellenstrahlung, die den gesamten Himmel durchflutet — das älteste beobachtbare Licht, ausgesandt etwa 380.000 Jahre nach dem Urknall, in dem Moment, als das Universum endlich lichtdurchlässig wurde. Schließlich stimmt die Häufigkeit der leichten Elemente (Wasserstoff, Helium, etwas Lithium), die im Universum gemessen wird, präzise mit dem überein, was die Berechnungen der primordialen Nukleosynthese vorhersagen — den allerersten Kernreaktionen, die in den Minuten nach dem Urknall stattfanden.

Die kosmische Inflation

Einen winzigen Bruchteil einer Sekunde nach dem Nullpunkt — zwischen etwa 10⁻³⁶ und 10⁻³² Sekunde — postulieren die meisten kosmologischen Modelle eine Phase der Inflation: eine schwindelerregend schnelle Expansion, während der das Universum um mindestens den Faktor 10²⁶ in einem verschwindend kleinen Sekundenbruchteil angewachsen sein soll. Diese Hypothese, obwohl nicht direkt beobachtet, erklärt mehrere merkwürdige Eigenschaften des beobachtbaren Universums: seine bemerkenswerte Gleichförmigkeit auf großen Skalen und seine insgesamt flache Geometrie.

Nach der Inflation dehnte sich das Universum viel langsamer weiter aus und kühlte allmählich ab, was der Reihe nach die Bildung der ersten Protonen und Neutronen ermöglichte, dann der ersten leichten Atomkerne, und schließlich — viel später, 380.000 Jahre nach dem Urknall — der ersten neutralen Atome, das Ereignis, das das Universum lichtdurchlässig machte und die kosmische Hintergrundstrahlung erzeugte.

Die dunklen Zeitalter und das erste Licht

Nach der Bildung der ersten Atome trat das Universum in eine lange Periode ein, die als dunkle Zeitalter bezeichnet wird: Noch leuchtete kein einziger Stern, und der Raum blieb in nahezu vollständiger Dunkelheit versunken, nur durchzogen von der abkühlenden Strahlung der kosmischen Hintergrundstrahlung. Es sollte noch mehrere hundert Millionen Jahre dauern, bis die Schwerkraft genug primordiales Gas zusammenzog, um die allerersten Sterne und Galaxien zu entzünden.

Diese Periode zu beobachten bleibt eine der großen Herausforderungen der modernen Astronomie: Das Weltraumteleskop James Webb hat dank seiner beispiellosen Empfindlichkeit im Infrarot bereits Galaxien aufgespürt, deren Licht mehr als 13 Milliarden Jahre gebraucht hat, um uns zu erreichen — sie zeigen Strukturen, die erstaunlicherweise bereits wenige hundert Millionen Jahre nach dem Urknall organisiert waren.

Dieses Bild, eines der ersten aus dem Programm JADES (JWST Advanced Deep Extragalactic Survey), ermöglichte die Identifizierung Hunderter Galaxien, die bereits existierten, als das Universum weniger als 600 Millionen Jahre alt war — kaum 4 % seines heutigen Alters. Manche dieser Galaxien, noch weiter entfernt und damit noch älter als jene, die das erste Deep Field von Webb enthüllte, haben die theoretischen Modelle sogar ins Wanken gebracht, indem sie sich für eine so frühe Epoche der kosmischen Geschichte, gleich nach dem Ende der dunklen Zeitalter, größer und sternenreicher zeigten als erwartet.

Das Aufspüren dieser extrem fernen Galaxien beruht auf einer indirekten Methode: Ihr Licht, das durch die Expansion des Universums auf seinem Weg erheblich ins Rote verschoben wird, wird erst im Infrarot nachweisbar — genau jenem Wellenlängenbereich, in dem James Webb glänzt, während Hubble, vor allem für sichtbares Licht optimiert, an seine Grenzen stieß.

Eine sich beschleunigende Expansion

Ende der 1990er-Jahre entdeckten zwei unabhängige Astronomenteams bei der Messung der Helligkeit ferner Supernovae überraschend, dass sich die Expansion des Universums nicht wie erwartet durch die Schwerkraft verlangsamt, sondern beschleunigt — eine Entdeckung, die ihnen 2011 den Physik-Nobelpreis einbrachte. Dieses Phänomen wird der dunklen Energie zugeschrieben, einer noch schlecht verstandenen Komponente, die offenbar fast 70 % des Gesamtinhalts des Universums ausmacht.