Du lebst auf einem kleinen blauen Planeten, den man Erde nennt und der zum Sonnensystem gehört. Dieses befindet sich in einer Galaxie, die Milchstrasse heisst. Das ist eine kleine Galaxie, die sich im riesengrossen Universum befindet.

Deine Herausforderung bei diesem Abenteuer wird es sein, zu entdecken, was sich hinter dem Begriff Universum verbirgt. Bist du bereit? Gute Reise!

Starte mit Marsty zur Entdeckung des Universums! (© Arteclick).

Was ist das Universum?

Zum Universum gehört alles, was existiert: Die Atome, die Planeten, die Sterne, die Galaxien, die Galaxienhaufen, aber auch die immense Leere, die Energie, das Licht und sogar die Zeit!

Das Universum ist sehr dynamisch. Ständig kollidieren Galaxien, Sterne werden geboren und sterben wieder, Planeten, Atome und viele andere Dinge bilden sich! Noch heute vergrössert sich das Universum pausenlos. Es dehnt sich aus wie ein Ballon, den man aufbläst.

Expansion de l'Univers, les galaxies s'éloignent les unes des autres comme à la surface d'un ballon qui se gonfle (© Arteclick).

Was ist der Ursprung des Universums?

Das ist bis heute noch ein Rätsel!

Anhand von mathematischen Berechnungen und Beobachtungen haben Wissenschaftler ein mögliches Szenario entwickelt, mit dem sich der Ursprung und die Entstehung unseres Universums erklären lassen. Teleskope und Satelliten, die durch das Universum reisen, halfen, diese Theorie aufzustellen.

Das ist das Modell des Urknalls (oder englisch “Big Bang”)!

Bis heute wissen die Forscher nicht, ob es VOR dem Urknall etwas gegeben hat. Mit Hilfe des Modells vom Urknall verstehen sie hingegen weitgehend, was DANACH geschehen ist, und können uns einen grossen Teil dieser wunderbaren Geschichte erzählen.

Vor 13.8 Milliarden Jahren hatte das Universum die Grösse eines winzigen Staubkorns. Es war ausserordentlich heiss und dicht. Stell dir einen ganz kurzen Moment vor, der kürzer als ein Blinzeln ist. An diesem Ort und in diesem Moment lassen sich die Zeit, das Licht und die Energie nicht trennen! Man kann sie nicht sehen!

Plötzlich erschüttert der Urknall das Universum und verwandelt es in Energie und Materie. Das ist der Beginn seiner Ausdehnung, und seine Temperatur sinkt bis heute unaufhörlich.

Durch seine heftige Ausdehnung ermöglicht das Universum schon in den ersten Momenten die Existenz von Zeit, Raum, Energie und Kräften.

Es erscheint wie eine dichte und extrem heisse Suppe aus Lichtpartikeln, Materie und dunkler Materie. Elektronen, Neutrinos, Photonen, Bosonen und Gluonen stellen die kleinsten Partikel von Materie dar.

All diese Elemente bilden zusammen die Materie. Ausserdem gibt es etwas, das die Wissenschaftler Schwarze Materie nennen.

Sie setzt sich aus sehr schweren Teilchen zusammen, den “WIMPs”. Diese Teilchen haben nur schwache Wechselwirkungen mit der Materie.

Bisher ist diese Schwarze Materie nicht sehr gut bekannt, und sehr viele Forschungsarbeiten sind im Gang um zu verstehen, welche Rolle sie im Universum spielt.

Die kleine Geschichte von fossiler Strahlung oder kosmischer Hintergrundstrahlung

Schon 1948 hatten die drei Mathematiker (George Gamow, Ralph Alpher et Robert Hermann) die These aufgestellt, dass es, wenn es einen Urknall gegeben hat, im Universum eine Strahlung von Photonen geben müsste, die durch den Kosmos reisen.

1965 wurde das Modell des Urknalls durch eine Entdeckung von zwei Ingenieuren bestätigt. Arno Penzias und Robert Wilson bemerkten bei der Feinabstimmung einer Funkantenne, dass diese von einem Rauschen gestört wurde, das aus allen Richtungen des Weltraums kam.

Sehr schnell stellte sich heraus, dass es sich hierbei um die von den Mathematikern vorhergesagte Strahlung handelte!

Und in der Tat kommt dieses “Rauschen” aus Regionen, die zurzeit über 45 Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt sind und wo die Temperaturen bei etwa -271 Grad liegen. Doch vor fast 13,8 Milliarden Jahren, zum Zeitpunkt als diese Strahlung ausgesendet wurde, herrschten in diesen Regionen Temperaturen von mehreren Tausend Grad.

Diese Entdeckung war von grundlegender Bedeutung! Denn die kosmische Hintergrundstrahlung enthält sehr wertvolle Informationen. Sie ist ein entscheidender Schlüssel für die Erforschung des Kosmos.

Die Satelliten Cobe, WMAP und Planck wurden in den Kosmos geschickt, um sich dieser Strahlung möglichst weit zu nähern. Dank der Weiterentwicklung der Technologie sendet jeder dieser Satelliten immer wertvollere Bilder dieser Strahlung. Die Wissenschaftler waren sehr erstaunt, die Klumpenstruktur des Universums zu entdecken. Warum haben diese Klumpen nicht alle dieselbe Farbe, dieselbe Grösse? Woher kommen sie? Wie sind sie entstanden?

Durch die Untersuchung dieser Bilder haben wir heute eine Art Identitätskarte des Universums, die sein Alter, seine Zusammensetzung, seine Geschichte und seine Entwicklung enthält und ein Verständnis von der Entstehung grosser Strukturen wie der Galaxien und der Sterne vermittelt.

Was du von deinen Reisen durch die Galaxien behalten solltest!

Die 200 Milliarden Galaxien, die man bisher beobachten konnte, werden von den Astronomen nach ihren Formen und ihren Entwicklungen im Laufe der Zeit klassifiziert: spiralförmig, linsenförmig, irregulär.

Jeder dieser Galaxientypen hat seine eigenen Merkmale. Zudem verändern sie sich im Laufe der Zeit und ändern dadurch auch ihre Kategorie. So können Zwerggalaxien zu irregulären Galaxien verschmelzen. Aus diesen entstehen durch Fusion Spiralgalaxien, die wiederum zu linsenförmigen Galaxien fusionieren können.

So lässt sich allgemein feststellen, dass eine Galaxie mit zunehmendem Alter immer mehr die Form einer linsenförmigen Galaxie annimmt!

Zurzeit handelt es sich bei den im Universum beobachteten Galaxien bei 20 % um linsenförmige Galaxien, bei 77 % um Spiralgalaxienum und bei 3 % um irreguläre Galaxien.

Die Spiralgalaxien Sie haben die Form einer platten Scheibe mit mehreren leuchtenden Spiralarmen, einen Durchmesser von 30'000 bis 150'000 Lichtjahren und ein Schwarzes Loch in der Mitte. Sie enthalten 10 bis 100 Milliarden Sterne, Staub und Gas und produzieren pro Jahr 1 bis 1'000 Sterne. Du lebst in der Galaxie Milchstrasse, die das Sonnensystem beherbergt.	Die linsenförmigen Galaxien Sie beherbergen 10 Millionen bis 1'000 Milliarden alter Roter und Gelber Sterne. Sie haben die Form einer mehr oder weniger länglichen Kugel mit Durchmessern von 3'000 bis 600'000 Lichtjahren. Dies sind die alten Galaxien.	Die irregulären Galaxien Sie haben keine besondere Form und eine Länge von 3'000 bis 30'000 Lichtjahren. Sie sind sehr reich an Helium, Wasser, Amoniak, Methanol, Kohlenstoff- und Silikatstaub. Sie erzeugen sehr viele junge Sterne. In der Regel handelt es sich bei ihnen um kleine Galaxien, die man Zwerggalaxien nennt.

Entstehung und Entwicklung von Sternen

Auf dem Foto unten siehst du eine riesige Gaswolke, in der Sterne entstehen; sie ist eine *Geburtsstätte* von Sternen. Dieses kleine Stück des Orion-Nebels liegt in unserer Galaxie. Es ist einer der Orte in der Milchstrasse, an denen Millionen von Sternen wie unsere Sonne geboren werden, gross werden, ihre Form ändern und sterben.

Warum strahlen die Sterne? Und warum strahlen einige nur wenig und andere sind extrem hell?

Du hast schon erfahren, dass die Nebel riesige Wolken aus Wasserstoff und Helium sind, die sich im Moment des Urknalls gebildet haben. Später ist die Temperatur im Universum wegen seiner Ausdehnung stark gesunken, auf etwa -271 Grad. Das ist so kalt, dass die Sterne keine genügend hohe Energie mehr zum Fusionieren haben, und der Nebel enthält nun 90 % Wasserstoff und 10 % Helium, die nebeneinander bestehen.

Unter dem Einfluss heftiger Winde wird der Nebel dann in mehrere kleine Wolken aufgespalten. Zusammengepresst durch die Schwerkraft erlebt jede kleine Wolke eine Zunahme von Dichte und Temperatur und nimmt die Form einer flachen Scheibe an. Wenn das Gas im Zentrum dieser Scheibe etwa 2 Millionen Grad erreicht, spalten sich die dort vorhandenen Wasserstoffatome und setzen ihre Protonen frei. Ab diesem Moment erhöht sich die Energie der Protonen dermassen, dass sie in der Lage sind, zu fusionieren und einen neuen Wasserstoffkern zu bilden.

Diese thermonukleare Reaktion, die den Wasserstoff in Helium umwandelt, erzeugt die erforderliche Wärme, damit der Stern strahlen kann.

Ein Protostern ist geboren!

Kleiner Teil des Orion-Nebels, der sich in der Milchstrasse befindet. © NASA, ESA und das Hubble Heritage Team (STScI/AURA)

Die thermonuklearen Reaktionen, die den Wasserstoff in Helium umwandeln, setzen eine enorme Menge Energie frei und erzeugen innerhalb des Protosterns einen unglaublichen Druck. Dieser wird dadurch in die Lage versetzt, der Schwerkraft zu widerstehen. Hierdurch entsteht ein Gleichgewicht zwischen der Schwerkraft und dem Druck.

Ein Stern ist geboren !

Warum sind einige Sterne heisser als andere und warum strahlen sie stärker als andere?

Die Antwort ist einfach! Weil sie massiver sind. Das bedeutet, dass je grösser die ursprüngliche Wolke ist, die sich unter der Schwerkraft zusammenzieht, desto mehr Wasserstoffatome enthält sie, die sich in Helium verwandeln können, und desto heisser und strahlender ist der Stern!

Je heisser ein Stern also ist, desto mehr Licht sendet er aus und desto heller strahlt er.

Es ist somit die Masse des Sterns, die seine Lebensdauer und sein Schicksal bestimmt, d. h. seine Entwicklung !

Um diese Entwicklung richtig zu verstehen, wollen wir zunächst versuchen, die verschiedenen Etappen der Kernfusion zu verstehen, die es im Leben der Sterne gibt, und die man stellare Nukleosynthese nennt.

Die Säulen der Entstehung, Nebel in 6'500 Lichtjahren Entfernung. © NASA, ESA und das Hubble Heritage Team (STScI/AURA)

Was du vom Lebenszyklus der Sterne behalten solltest

Die Entwicklung eines Sterns vom Typ der Sonne läuft folgendermassen ab:

Aus einer kleinen Wolke sorgt der Zusammenbruch des Nebels für die Entstehung eines Sterns mit der ein- bis dreifachen Masse der Sonne.

1) Unter der Einwirkung der Schwerkraft zerfällt der Nebel und lässt einen Protostern entstehen.

2) Der so entstandene Protostern verwandelt sich in einen Stern, der unserer Sonne ähnelt. In seinem Zentrum beginnen sich Kernreaktionen zu bilden. Dies ist die wesentliche und bei weitem längste Phase im Leben eines Sterns; man nennt sie Hauptreihe. Während dieser Zeit wandelt der Stern seine Wasserstoffreserven in Helium um.

3) Wenn der Wasserstoff verbraucht ist, verlässt der Stern die Hauptreihe und verwandelt sich in einen Roten Riesen.

4) Wenn die Kernfusionen aufhören, stösst der Rote Riese seine äusseren Hüllen in den ihn umgebenden Weltraum ab und wird zu einem planetarischen Nebel.

5) Nach und nach kühlt sich das Zentrum dieses planetarischen Nebels ab und bildet einen Weissen Zwerg.

Lebenszyklus eines Sterns mittlerer Grösse, wie etwa unsere Sonne, sowie eines massiven Sterns (© Arteclick).

Die Entwicklung eines Riesensterns läuft folgendermassen ab :

Aus einer viel grösseren Wolke lässt der Zusammenbruch des Nebels einen Stern entstehen, der bis zum 10-fachen der Masse der Sonne hat.

1) Unter der Einwirkung der Schwerkraft zerfällt der Nebel und lässt einen Protostern entstehen.

2) Der Protostern ist sehr gross und äusserst gashaltig, und seine innere Temperatur ist extrem hoch. Dieser Protostern wird im nächsten Entwicklungsstadium zum blauen Riesen. Er verbraucht sehr schnell seine riesigen Reserven. 30 Millionen Jahre genügen, bis seine Kernreaktionen mangels Brennstoff aufhören.

3) Der Blaue Riese bläht seine Grösse auf. Mit der Zunahme seiner Grösse kühlen die äusseren Schichten ab und verleihen dem Stern eine rote Farbe. Dann tritt der Stern in seine Phase des Roten Überriesen ein.

Dann zerfällt der Kern des Sterns und löst eine heftige Explosion aus, wodurch seine äusseren Schichten in den Weltraum geschleudert werden. Ein solches Ereignis nennt man eine Supernova! Nach der Explosion verwandelt sich der Stern in einen Neutronenstern.

Wenn der Stern extrem gross ist, kann sich ein sehr dichter Neutronenstern entwickeln, den man Schwarzes Loch nennt. Ein Schwarzes Loch ist ein Bereich im Universum, wo die Gravitationskraft so gross ist, dass das Licht darin gefangen bleibt.

Die verschiedenen Stadien der Entwicklung von Sternen

Weisser Zwerg	Sonne	Roter Riese und Überriese

Blauer Riese	Supernova	Neutronenstern und Schwarzes Loch