Seite 2: Baryogenese und Paarvernichtung

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Aber genau in dieser einen, unsrigen Blase, sorgte das Higgsfeld dafür, dass aus der Strahlung Quarks und Leptonen (unter letzteren vor allem Elektronen und Neutrinos) kondensierten, und es entsprangen durch die Abkühlung auf eine Temperatur von 10¹⁵ K neben der schon bestehenden starken Kernkraft die elektromagnetischen und schwachen Grundkräfte, unter deren Einfluss sich die Quarks zu Kernteilchen, auch "Baryonen" genannt, zusammenfanden. Zu den Quarks und Elektronen entstanden fast exakt genau so viele Antiquarks und Positronen, die sich nach weiterer Expansion und Abkühlung wieder mit den Quarks und Elektronen zu Strahlung paarvernichteten.

Aber wie es die in unserem Universum gegebene Asymmetrie von Materie und Antimaterie so wollte, blieb ein Billionstel Überschuss an Baryonen und Elektronen übrig. Und außerdem entstanden offenbar große Mengen an Teilchen, die mit den anderen Teilchen nicht oder kaum interagieren, außer über ihre Schwerkraft, die wir in Unkenntnis über ihre Natur als "Dunkle Materie" bezeichnen. Ihre Zeit sollte erst später kommen.

Primordiale Nukleosynthese

Von nun an verlassen wir den eher spekulativen Bereich und erreichen die Ära der experimentell gesicherten Physik, die präzise Vorhersagen erlaubt. Bei der Paarvernichtung entstand sehr viel Gammastrahlung, rund 10 Milliarden Photonen auf jedes Kernteilchen. Die hohe Temperatur von zu Beginn 100 Milliarden Kelvin (10¹¹ K) und der Druck ließen die Protonen und Neutronen mit immenser Wucht gegeneinander rammen, so dass sie sich nahe genug kamen, dass die nur über kurze Distanzen wirksame Starke Kernkraft die Oberhand gewann und sie zu Deuteriumkernen verbinden konnte.

Zunächst zerbrachen die Deuteriumkerne unter der Wucht der zahlreichen Gammaphotonen immer wieder, aber mit dem Wachstum des Raums fielen Temperatur und Druck beständig, die Wellenlänge der Photonen wurde größer, und damit die Energie der Strahlung geringer. Damit überlebten die Deuteriumkerne zunehmend länger und konnten weitere Neutronen oder Protonen einfangen, sodass die radioaktiven Isotope Tritium (1 Proton + 2 Neutronen) und ³Helium (2 Protonen + 1 Neutron) entstanden.

Schließlich bildeten Deuterium-Paare oder ³Helium-Kerne, welche Neutronen einfingen, stabile ⁴Helium-Kerne mit zwei Protonen und zwei Neutronen. So entstanden in nur wenigen Minuten große Mengen an Helium, die ein Viertel der Kernteilchen auf sich vereinigten. Bei weiteren Fusionsprozessen wurden außerdem noch kleinere Mengen von Lithium und Beryllium gebildet. Das Ganze dauerte nur 20 Minuten, dann war die Materie durch die fortwährende kosmische Expansion zu stark verdünnt und abgekühlt, um weiterhin zu fusionieren, und das Massenverhältnis der leichten Elemente wurde eingefroren.

Baryonische Akustische Oszillationen

Das Weltall war nun gleichmäßig mit einem gleißend hellen Wasserstoff-Helium-Plasma aus Atomkernen und freien Elektronen, sowie der nochmals fünffachen Masse an Dunkler Materie angefüllt. Das heißt, nicht völlig gleichförmig, denn vor der Inflationsphase war das falsche Vakuum von Dichtefluktuationen durchzogen gewesen, die sich nun enorm vergrößert in der Materieverteilung wiederfanden. Wo die Dichte höher war, dorthin flossen das Gas und die Dunkle Materie, und dort sammelten sie sich an. Durch die Verdichtung des Plasmas stieg sein Druck an und dadurch wurde es aufgeheizt.

Die als Wärmestrahlung freiwerdenden Photonen interagierten mit den Elektronen im Plasma, welche ungebunden von den Kernen Photonen beliebiger Wellenlängen absorbieren und streuen konnten. Der Strahlungsdruck der Wärmestrahlung sorgte so dafür, dass die Elektronen wieder von den Verdichtungszentren weggetrieben wurden; diese zogen wiederum mittels ihrer elektrostatischen Anziehung die Kernteilchen mit sich mit. Die Expansion ließ das Plasma wieder abkühlen und der Druck der Wärmestrahlung ließ nach.

Währenddessen blieb die Dunkle Materie "cool", weil sie nicht mit sich selbst oder anderen Teilchen kollidierte und auch nicht mit Photonen wechselwirken konnte – sie heißt auch deshalb "Dunkel", weil sie mit Photonen nicht interagiert, sie weder absorbieren noch emittieren kann. Die Gravitation der Dunklen Materie bremste das expandierende Plasma ab und zog es wieder zu sich hin, so dass es sich wieder aufheizte. Dies passierte in mehreren Zyklen, die sich als Dichtewellen in das Plasma einprägten, den sogenannten "Baryonischen Akustischen Oszillationen".

Unterdessen expandierte das Universum weiterhin, die Materiedichte und die Temperatur nahmen ab. Es dauerte 380.000 Jahre, bis es schließlich auf 3000 K abgekühlt war und die Kerne begannen, die freien Elektronen einzufangen, um Atome und Moleküle zu bilden. In Atomen gebundene Elektronen interagieren aber nur noch mit Photonen ganz bestimmter Energien (die sie auf eine definierte, höhere Energiestufe um den Kern heben können). Alle anderen Photonen können sie nicht "sehen". Somit wurde das sonnenhelle Gas transparent und das Weltall allmählich dunkler – jedenfalls bei den Frequenzen, die das menschliche Auge wahrnehmen kann. Jedoch gab es noch keine menschlichen Augen. Es gab nur Gas, Dunkle Materie und unsichtbare Wärmestrahlung. Es folgten hunderte Millionen Jahre absoluter Dunkelheit, die erste "Dunkle Ära" des Universums, die man derzeit mit Radioteleskopen für langwellige Radiostrahlung zu erkunden versucht, wie zum Beispiel dem europäischen LOFAR-Array.

Geburt der Galaxien

In der Finsternis floss die Dunkle Materie weiter zu den Orten erhöhter Dichte hin, wie sie von den Baryonischen Akustischen Oszillationen zurückgelassen worden waren. So verfestigen sich die BAO-Strukturen zu einem Geflecht aus Filamenten und dazwischen liegenden Leerräumen, den Voids. Das Gas floss der dominierenden Dunklen Materie wieder hinterher, kollidierte abermals mit seinesgleichen und erwärmte sich, aber diesmal konnten die Photonen nicht mehr an die nunmehr in Atomen gebundenen Elektronen ankoppeln und das Gas auseinandertreiben; stattdessen wurde die Wärmestrahlung effizient in das transparente Universum abgestrahlt. Es formten sich riesige Gaswolken, die sich unter ihrer eigenen Schwerkraft weiter verdichteten.

Durch Verwirbelung des strömenden Gases ergaben sich minimale, zufällig orientierte Drehsinne dieser Gaswolken. Während des Kollapses der Gaswolken beschleunigte sich ihre Drehung wie bei einer Ballerina auf dem Eis, die ihre ausgestreckten Arme während einer Pirouette zum Körper hinzieht. Aufgrund der Fliehkräfte flachten sie sich zu riesigen Scheiben ab: Teilchen, die nicht in der Scheibenebene mitrotierten, sondern diese kreuzten, kollidierten mit den Teilchen der Scheibe und so wurden alle Bahnen, die nicht in der Scheibenebene verliefen, allmählich ausgemerzt. Dies gilt allerdings nur für das aus baryonischer Materie bestehende Gas – Dunkle Materie interagiert nicht über Kollisionen und bildete keine Scheiben, sondern nach innen dichter werdende, fast kugelförmige Halos um die Scheibe aus baryonischer Materie herum.

Am Ende verblieb nur die Scheibe, umgeben von einem unsichtbaren Halo aus Dunkler Materie, eine junge Galaxie, in der sich durch die Ausbreitung lokaler Dichteunterschiede Spiralarme formten. Das Gas in der Scheibe fragmentierte weiter in kleinere Wolken, aus denen die ersten Sterne entstanden. Das Weltall wurde wieder hell und ihr UV-Licht re-ionisierte das Gas in und zwischen den Galaxien, nun jedoch stark ausgedünnt und nicht mehr vergleichbar mit dem Plasma in den ersten Jahrhunderttausenden nach dem Urknall. Aber noch heller als die Sterne leuchteten die Akkretionsscheiben supermassereicher Schwarzer Löcher, die in den Zentren der Galaxien entstanden waren – es ist noch unklar, ob sie aus kollidierenden stellaren Schwarzen Löchern entstanden, den Überresten von explodierten Sternen, oder ob das Gas so vehement in das Zentrum der Galaxien stürzte, dass sofort ein großes Schwarzes Loch daraus entstand, ohne den Umweg über die Sterne (es spricht einiges dafür, dass eher das zweite Szenario zutrifft).

Da das in eine rotierende Scheibe einströmende Gas niemals geradlinig ins Zentrum der Galaxie mit ihrem vergleichsweise winzigen Schwarzen Loch fällt (welches im Vergleich zur Galaxie so klein ist wie eine Cent-Münze im Vergleich zur Erde), sammelt es sich zunächst in einer Akkretionsscheibe (von lat. accretio = das Anwachsen, die Zunahme), wo es durch weiter einfallendes Gas komprimiert und aufgeheizt wird. Nur weil es auf diese Weise seine Bewegungsenergie in Strahlung umwandeln kann, kann es schließlich in das Schwarze Loch hinunterspiralen, aber 90 Prozent des Gases werden von den Magnetfeldern, die das rotierende, elektrisch leitende Plasma hervorbringt, als Jets entlang der Rotationsachse der Akkretionsscheibe in den Weltraum geschleudert.

Die Leuchtkraft der Akkretionsscheiben der ersten supermassereichen Schwarzen Löcher übertraf bei weitem die Gesamtleuchtkraft aller ihrer Sterne, so dass sie aus der Ferne wie solitäre Sterne aussehen. Da das heiße Plasma der Scheibe auch Magnetfelder erzeugt, die Radiowellen abstrahlen (wodurch die Astronomen erstmals auf sie aufmerksam wurden), nannte man sie quasistellare Radioquellen, oder kurz Quasare.

Die Rate der Sternentstehung war um den Faktor 100 größer als in der heutigen Milchstraße. Meist waren es Riesensterne von mehreren hundert Sonnenmassen (die sogenannte "Population III" – Sterne, die das James-Webb-Teleskop in den fernsten, jüngsten Galaxien aufspüren soll). Das transparente ursprüngliche Gas konnte von ihnen nicht so effizient aufgeheizt und fortgeblasen werden, wie das bei den späteren Sternpopulationen II und I der Fall sein würde, deren Gas mit Staub und schwereren Elementen vorangegangener Sterngenerationen verunreinigt war. Durch den hohen Gewichtsdruck der massiven Sterne liefen die Fusionsprozesse in ihrem Inneren im Turbomodus ab, und in zwiebelartig geschichteten Lagen fusionierten sie zum Zentrum hin zunehmend schwerere Elemente bis zum Eisen.

Bei ihrem hohen Fusionsumsatz lebten sie kaum ein paar Millionen Jahre lang, bevor sie als Supernovae explodierten, wobei sie die in ihrem Kern enthaltenen Elemente ins Weltall schleuderten und das Gas mit Kohlenstoff, Sauerstoff, Silizium und all den Elementen anreicherten, aus denen die folgenden Sternengenerationen, aber auch Planeten und schließlich wir selbst entstehen konnten. Derweil verleibten sich große Galaxien kleinere ein und wurden auf diese Weise größer. Auch die Milchstraße hat zahlreiche Zwerggalaxien geschluckt, deren zahlreiche Relikte wir heute als Ströme von Sternen mit gemeinsamer, von den anderen Sternen der Milchstraße abweichender Geschwindigkeit in den Daten der Astrometrie-Sonde Gaia wiederfinden können.