Das Universum verstehen: Von der Entstehung bis zum Sonnensystem

Zusammensetzung des Universums

Das Universum besteht zu 75% aus Wasserstoff und Helium und zu 20% bis 5% aus schwereren Elementen.

Dunkle Materie (Dark Matter)

Dunkle Materie ist das, was wir nicht direkt sehen können. Die Gesamtmasse des Universums besteht schätzungsweise zu 10% aus sichtbarer Materie (Galaxien, Sterne und Planeten) und zu 90% aus Dunkler Materie.

Organisation und Struktur des Universums

Kosmische Strukturen

• Super-Virgo Cluster: Eine Gruppe von Millionen Galaxien.
• Lokale Gruppe von Galaxien: Eine Gruppe von etwa 30 Galaxien (einschließlich der Milchstraße und der Andromeda-Galaxie).
• Milchstraße (Milky Way): Enthält etwa 100 Milliarden Sterne, darunter das Sonnensystem (Erde, Mond), den Orionnebel und Alpha Centauri.

Universum in Bewegung

1. Gesetz der Schwerkraft

Alle Körper ziehen sich gegenseitig an. Die Anziehungskraft ist umso stärker, je näher die Körper beieinander sind und je größer ihre Masse ist.

2. Schwarze Löcher (Black Holes)

Schwarze Löcher sind Konzentrationen von Materie mit extrem hoher Dichte. Sie befinden sich typischerweise im Zentrum von Galaxien (z. B. Sagittarius A* im Zentrum der Milchstraße).

Der Urknall (Big Bang)

Das Universum entstand vor etwa 13,7 Milliarden Jahren in einer gewaltigen Explosion (dem Urknall). Dies wird durch die Beobachtung der Rotverschiebung im Spektrum bestätigt.

Die Phasen des Urknalls

1. Phase der Inflation: Das superkomprimierte Universum dehnt sich rasant aus. Die Temperatur beträgt etwa 10²⁷ Grad.
2. Entstehung der Materie: Das Universum kühlt ab. Es besteht aus hochenergetischen Teilchen und Photonen. Beim Abkühlen entstehen Protonen und Neutronen.
3. Die ersten Atome: Etwa 300.000 Jahre nach dem Urknall bilden sich Wasserstoff- und Heliumatome.
4. Entkopplung und Kosmische Hintergrundstrahlung: Geladene Teilchen stören die Photonen nicht mehr. Licht kann sich frei im Raum ausbreiten. Das Universum wird transparent, was sich heute als Kosmische Hintergrundstrahlung manifestiert.
5. Formung von Sternen und Galaxien: In dichten Gebieten sorgt die Anziehungskraft dafür, dass sich Materie gruppiert und allmählich Sterne und Galaxien entstehen.
6. Dunkle Energie: Eine Ursache unbekannter Herkunft, die der Gravitationsanziehung entgegenwirkt und die beschleunigte Expansion des Universums vorantreibt.

Entstehung der Elemente (Nukleosynthese)

Die Sonne (ein kleiner Stern) produziert Helium aus Wasserstoff. Größere Sterne erzeugen schwerere Elemente wie Kohlenstoff, Silizium, Aluminium und Eisen. Die übrigen, noch schwereren Elemente entstehen bei Supernova-Explosionen. Diese Explosionen sind extrem energiereich und erzeugen aufgrund des hohen Drucks und der hohen Temperaturen die notwendigen Bedingungen für die Elementbildung.

Ursprung des Sonnensystems

Vor etwa 4,57 Milliarden Jahren begann eine Wolke aus Gas und Staub zu schrumpfen. Dieser Nebel transformierte sich später in einen Stern und seine Planeten.

1. Eine Supernova explodiert in der Nähe.
2. Die Explosion erzeugt eine Schockwelle.
3. Diese Welle nähert sich dem Nebel.
4. Die Stoßwelle komprimiert die Wolke, wodurch sie kollabiert und bricht.
5. Im Zentrum des Nebels sammeln sich Partikel und kollidieren häufiger, wodurch sich das Zentrum erhitzt. Bei 10 Millionen Grad verschmilzt Wasserstoff zu Helium und setzt Energie frei (Kernfusion).

Die Planetenentstehung (Akkretion)

1. Vor 4,57 Milliarden Jahren: Der komprimierte Nebel kollabiert und verwandelt sich in eine rotierende Scheibe (Akkretionsscheibe).
2. Die Scheibe ist in der Mitte heißer, weil dort mehr Teilchen vorhanden sind.
3. In jedem Bereich der Scheibe zieht ein wachsender Protoplanet Material aus der Nähe an. Die äußeren Planeten bildeten sich aus dem zuerst verfügbaren Material und besitzen daher mehr Masse.
4. In der Scheibe entstehen kleine Körper (Planetesimale), die kollidieren und sich zu größeren Planeten wie der Erde vereinigen.
5. Mit überschüssigem Material bilden sich Monde (Satelliten).

Klassifikation der Planeten

• Äußere Planeten (Gasriesen): Jupiter, Saturn, Uranus, Neptun.
• Innere Planeten (Gesteinsplaneten): Merkur, Venus, Erde, Mars.
• Exoplaneten: Planeten, die andere Sterne außerhalb unseres Sonnensystems umkreisen.