Der Big Bang: Was geschah wirklich bei der Geburt des Universums?

Es dauerte schon etwas mehr als sieben Tage, um das Universum zu erschaffen, wie wir es heute kennen. Über acht Werktagen, SPACE.com befasst sich mit den Geheimnissen des Himmels in unserer Serie: die Geschichte & Zukunft des Kosmos. Dies ist Teil 5 dieser Serie.

Unser Universum entstand vor 13,7 Milliarden Jahren in einer massiven Ausweitung, der Raum wie ein riesiger Ballon gesprengt.

Das ist kurz gesagt, the Big Bang Theory, die praktisch alle Kosmologen und theoretischen Physikern zu unterstützen. Die Nachweise für die Idee ist umfangreich und überzeugend. Wir wissen beispielsweise, dass das Universum auch jetzt noch mit ständig beschleunigende Geschwindigkeit expandiert.

Wissenschaftler haben auch entdeckt, dass eine vorhergesagte thermische Prägung des Urknalls, die Universum-durchdringenden kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung. Und wir sehen keine Objekte offensichtlich älter als 13,7 Milliarden Jahre, was darauf hindeutet, dass unser Universum entstand um diese Zeit.

"All diese Dinge dem Urknall auf einem äußerst soliden Fundament legen", sagte Astrophysiker Alex Filippenko von der University of California, Berkeley. "Der Urknall ist eine enorm erfolgreiche Theorie."

So lehrt was uns diese Theorie? Was wirklich passiert ist bei der Geburt unseres Universums, und wie hat es gedauert, die Form, die wir heute beobachten? [Infografik Tour: Geschichte & Struktur des Universums]

Anfang

Traditionelle Big Bang Theorie postuliert, dass unser Universum mit einer Singularität begann – ein Punkt unendlicher Dichte und Temperatur, deren Natur schwierig für unseren Verstand ist zu begreifen. Jedoch kann dies nicht genau, der Realität Forscher sagen, denn die Singularität Idee auf Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie basiert.

"Das Problem ist, gibt es überhaupt keinen Grund, um allgemeine Relativitätstheorie in diesem Regime zu glauben", sagte Sean Carroll, ein theoretischer Physiker am Caltech. "Es wird falsch sein, weil es nicht ins Konto Quantenmechanik nehmen. Und Quantenmechanik ist sicherlich wichtig sein, wenn man einmal an diesen Ort in der Geschichte des Universums."

Der Anfang des Universums bleibt also ziemlich düster. Wissenschaftler glauben, sie können die Geschichte abholen bei etwa 10 bis Minus 36 Sekunden – ein Billionstel ein Billionstel einer billiardstel Sekunde — nach dem Urknall.

An diesem Punkt, so glauben Sie, erlebte das Universum eine extrem kurze und dramatische Inflation, Ausbau schneller als die Lichtgeschwindigkeit. Es verdoppelt vielleicht 100-Mal oder mehr, alles innerhalb von ein paar winzige Bruchteile einer Sekunde. [Dem Urknall bis heute in 10 einfachen Schritten]

(Inflation mag, der speziellen Relativitätstheorie zu verletzen, aber das ist nicht der Fall, sagen Wissenschaftler. Spezielle Relativitätstheorie besagt, dass keine Informationen oder Angelegenheit zwischen zwei Punkten im Raum schneller als die Lichtgeschwindigkeit erfolgen kann. Aber Inflation war eine Expansion des Raumes selbst.)

"Inflation war die"Bang"Big Bang", sagte Filippenko SPACE.com "vor Inflation, gab es nur ein wenig Zeug, sehr wahrscheinlich noch ein wenig erweitern. "Wir brauchten etwas wie die Inflation um das Universum groß."

Diesem rasch expandierende Universum war ziemlich leer, der Materie, aber er hegte große Mengen der dunklen Energie, die Theorie. Dunkle Energie ist die geheimnisvolle Kraft, die Wissenschaftler halten aktuelle beschleunigte Expansion des Universums treibt.

Während der Inflation gemacht dunkler Energie das Universum zu glätten und zu beschleunigen. Aber es nicht lange bleiben.

"Es war nur vorübergehend dunkle Energie", sagte Carroll SPACE.com. "Es in gewöhnliche Materie und Strahlung durch einen Prozess namens Nacherwärmung umgewandelt. Das Universum wurde von kalt während der Inflation zu sein wieder heiß, als die dunkle Energie wegging."

Wissenschaftler wissen nicht, was Inflation angespornt haben könnte. Das bleibt eine der wichtigsten Fragen in der Urknall-Kosmologie, sagte Filippenko.

Eine andere Idee

Die meisten Kosmologen betrachten Inflation als die führende Theorie zur Erklärung des Universums Merkmale – speziell, warum es relativ flach und homogen, mit etwa der gleichen Menge Zeug in alle Richtungen gleichmäßig verteilt ist.

Verschiedene Linien des Beweises zeigen in Richtung Inflation, eine Wirklichkeit, sagte theoretischen Physiker Andy Albrecht von der University of California, Davis. [Bilder: Peering zurück bis zum Urknall]

"sie alle ziemlich gut mit dem inflationären Bild hängen zusammen", sagte Albrecht, einer der Architekten der Inflation Theorie. "Inflation hat unglaublich gut getan."

Inflation ist jedoch nicht die einzige Idee heraus dort, die Struktur des Universums zu erklären versucht. Theoretiker haben mit einem anderen, genannt das zyklische Modell, basiert auf einer früheren Konzept namens des ekpyrotischen Universums kommen.

Diese Idee besagt, dass unser Universum aus einem einzigen Punkt, oder so etwas entstehen nicht. Vielmehr, es "sprang" in Expansion – in einem viel ruhigeren Tempo als die Inflation Theorie sagt voraus — aus einem bereits bestehenden Universum, das verkürzt hatte. Wenn diese Theorie richtig ist, hat unser Universum wahrscheinlich eine endlose Reihe von "Pony" und "knirscht." unterzogen.

"Der Anfang unseres Universums schön und endliche, würde", sagte Burt Ovrut von der University of Pennsylvania, einer der Begründer des Ekpyrotic Theorie.

Das zyklische Modell postuliert, dass unser Universum besteht aus 11 Dimensionen, nur vier von denen wir (drei Platz) und einer der Zeit beobachten können. Unsere vierdimensionale Teil des Universums ist eine Brane (Abkürzung für Membran) genannt.

Es könnte andere branen draußen lauern im 11-dimensionalen Raum, die Idee geht. Eine Kollision zwischen zwei branen könnte das Universum von Kontraktion, Expansion, Stimulierung der Big Bang, die wir heute sehen erschüttert haben.

Auf der Suche nach Gravitationswellen

Bald, Wissenschaftler können sicher wissen, welche Theorie – Inflation oder das zyklische Modell – ist eine bessere Darstellung der Realität.

Zum Beispiel sagte Inflation wahrscheinlich viel stärkere Gravitationswellen als ein Ekpyrotic "Bounce" produzieren würde, Filippenko. Deshalb suchen Forscher auf Anzeichen von dieser theoretischen Verzerrungen der Raumzeit, die noch nicht beobachtet werden.

Planck-Satellit der Europäischen Weltraumorganisation, die im Jahr 2009 ins Leben gerufen, finden die schwer fassbare Gravitationswellen. Es kann auch andere Beweise sammeln, die die Waage in jedem Fall kippen könnte, sagte Ovrut.

"Das sind Dinge, die in den nächsten 10 Jahren diskutiert und hoffentlich beschlossen werden wird," sagte Ovrut SPACE.com.

Das Universum in dem, das wir wissen, nimmt Gestalt an

Kosmologen vermuten, dass die vier dieser Regel des Universums Kräfte – Gravitation, Elektromagnetismus und der starken und schwachen Kernkräfte – wurden zu einer einzigen Kraft bei der Geburt des Universums vereinigt gequetscht zusammen wegen der extremen Temperaturen und dichten beteiligt.

Aber anders als das Universum erweitert und gekühlt. Um die Zeit der Inflation, die starke Kernkraft wahrscheinlich aussortiert. Und um etwa 10 Trillionths einer Sekunde nach dem Urknall, der elektromagnetischen und schwachen Kräfte wurde deutlicher, auch.

Kurz nach der Inflation war das Universum wahrscheinlich mit einem heißen, dichten Plasma gefüllt. Sondern durch ungefähr 1 Mikrosekunde (10 bis Minus 6 Sekunden) oder so, hatte es genug, um die ersten Protonen und Neutronen zu bilden, können gekühlt, Forscher denken.

In den ersten drei Minuten nach dem Urknall, die Protonen und Neutronen miteinander verschmelzen begann, bilden Deuterium (auch bekannt als schwerer Wasserstoff). Deuterium-Atome trat dann mit einander, bilden Helium-4.

Rekombination: Das Universum wird transparent

Diese neu geschaffenen Atome waren alle positiv geladen als das Universum noch zugunsten der Eroberung der Elektronen zu heiß war.

Aber das änderte sich etwa 380.000 Jahre nach dem Urknall. In einer Epoche, als Rekombination bezeichnet begann Wasserstoff und Helium-Ionen, Elektronen bilden elektrisch neutrale Atomen hängenbleiben. Licht streut deutlich aus freien Elektronen und Protonen, aber viel weniger von neutralen Atomen. So waren die Photonen jetzt viel mehr frei durch das Universum zu fahren.

Rekombination änderte sich das Aussehen des Universums; Es hatte einen undurchsichtigen Nebel, und jetzt wurde es transparent. Der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung, die wir heute beobachten stammt aus dieser Zeit. [Video: Nebel des frühen Universums gesehen]

Aber trotzdem war das Universum für eine lange Zeit nach der Rekombination, nur wirklich aufleuchten, wenn die ersten Sterne leuchten etwa 300 Millionen Jahre nach dem Urknall begann ziemlich dunkel. Sie halfen, viel, was Rekombination erreicht hatte rückgängig zu machen. Diese frühen Sterne — und vielleicht einige andere Mystery-Quellen – warf genug Strahlung, der Großteil des Universums Wasserstoff in seine konstituierenden Protonen und Elektronen zerlegt.

Dieser Prozeß, bekannt als Reionization, scheint seinen Lauf von etwa 1 Milliarde Jahren haben. Das Universum ist nicht deckend heute wie vor Rekombination, weil es soviel erweitert hat. Das Universum darum sehr verdünnte und Photon Zerstreuung Interaktionen so relativ selten sind, sagen Wissenschaftler.

Im Laufe der Zeit zog es Sterne zusammen nach Form Galaxien, führt zu immer mehr großräumigen Struktur des Universums. Planeten zusammengewachsen um Sterne, einschließlich unserer eigenen Sonne einige neu bilden. Und 3,8 Milliarden Jahren das Leben nahm Wurzel auf der Erde.

Vor dem Urknall?

Während viel über das Universum ersten Momenten spekulativ bleibt, ist die Frage, was der Big Bang vorausgegangen noch geheimnisvoll und schwer zu bewältigen.

Für den Anfang kann die Frage selbst unsinnig sein. Wenn das Universum aus dem nichts kam, wie einige Theoretiker glauben, markiert der Big Bang im Augenblick begann die Zeit selbst. In diesem Fall sagte gäbe es keine solche Sache wie "vor", Carroll.

Aber einige Vorstellungen von Geburt des Universums können mögliche Antworten vorschlagen. Das zyklische Modell schlägt zum Beispiel, dass ein Auftraggeber Universum unsere expandierenden eins voraus. Carroll, kann etwas vor dem Urknall so gut vorstellen.

"Es könnte nur sein leerer Raum, die bestanden, bevor unsere Urknall geschah, dann einige Quantum Fluktuation gab Geburt zu einem Universum wie die unsrige," sagte er. "Sie können sich eine kleine Blase Platz Kneifen Sie durch eine Fluktuation und Erfülltsein mit Energie, die dann in das Universum wachsen kann, die wir durch die Inflation sehen nur ein winziges Klecks vorstellen." [Galerie: Geschichte & Struktur des Universums]

Filippenko vermutet auch, dass etwas in diese Richtung wahr sein könnte.

"Ich denke mal in unser Universum mit dem Urknall begann, aber ich glaube, dass wir eine Fluktuation von einem Vorgänger, ein Mutter-Universum", sagte Filippenko.

Werden wir jemals wissen?

Kosmologen und Physiker arbeiten hart, um ihre Theorien zu verfeinern und das Universum bringen frühesten Momenten in schärfer und schärfer zu konzentrieren. Aber werden sie jemals wirklich wissen, was mit dem Urknall passiert?

Es ist eine große Herausforderung, zumal Forscher an einem 13,7 Milliarden Jahre entfernen arbeiten. Aber zählen Sie nicht Wissenschaft, Carroll sagte. Immerhin verstanden vor 100 Jahren Menschen sehr wenig über das Universum. Wir wussten nicht über allgemeine Relativitätstheorie, zum Beispiel, oder die Quantenmechanik. Wir wussten nicht, war das Universum expandiert, und wir wussten nicht, über den Urknall.

"Wir wissen jetzt all diese Dinge", sagte Carroll. "Das Tempo des Fortschritts ist eigentlich erstaunlich schnell, so dass ich nie zum Pessimismus geben würde." Es gibt keinen Grund in der jüngeren Geschichte der Kosmologie und Physik über unsere Aussichten für das Verständnis der Big Bang pessimistisch zu sein."

Albrecht äußerte ähnliches Optimismus, sagen wir vielleicht eines Tages noch, herausfinden, was, wenn überhaupt, gab es vor dem Urknall.

"Ich stütze meine Hoffnung darauf, dass die Kosmologie so erfolgreich ist", sagte er SPACE.com. "Es scheint, dass die Natur uns eine klare Botschaft gesandt hat, dass wir wirklich, Wissenschaft mit dem Universum tun können."

Dieser Geschichte wurde zur Verfügung gestellt von SPACE.com, Schwester Website zu LiveScience. Sie können SPACE.com Redakteur Mike Wall auf Twitter folgen: @michaeldwall . SPACE.com für die neuesten Weltraumwissenschaft und Exploration News auf Twitter folgen @Spacedotcom und auf Facebook.