KVHS Northeim 2025 : Astronomie - eine Reise durch Raum und Zeit

| Inhalt | Universum - Zeit |

Entstehung und Entwicklung von Strukturen unseres Universums

Es folgt eine zeitliche Beschreibung der Entstehung und Entwicklung von Strukturen im Universum – von den ersten Quantenfluktuationen bis hin zu Sternsystemen und ihrer Entwicklung über kosmische Zeiträume hinweg:

1. Quantenfluktuationen & Inflation (t ≈ 10⁻³⁶ bis 10⁻³² Sekunden)

Physikalischer Hintergrund:

• In der Phase der kosmischen Inflation wuchs das Universum exponentiell.
• Quantenfluktuationen in diesem frühen Vakuum wurden durch die Inflation „aufgeblasen“.
• Diese winzigen Dichteunterschiede wurden zu den Keimzellen für spätere Strukturen.

Ergebnis:

• Isotropie auf großen Skalen, aber geringe Dichteschwankungen (~1 Teil in 100.000).
• Diese Schwankungen sind in der kosmischen Hintergrundstrahlung (CMB) nachweisbar.
  
  

2. Materieentkopplung & akustische Oszillationen (t ≈ 380.000 Jahre)

Physikalischer Hintergrund:

• Vor der Entkopplung waren Photonen und Baryonen durch Streuung eng gekoppelt (Photonen-Baryon-Plasma).
• Schallwellen (baryonische akustische Oszillationen) prägten Dichteverteilungen.
• Rekombination: Elektronen wurden von Kernen eingefangen → Photonen entkoppeln.

Ergebnis:

• Bildung neutraler Wasserstoffatome.
• CMB trägt das „Bild“ der Dichtefluktuationen – diese spiegeln die Keimstrukturen des Kosmos wieder.
  
  

3. Dunkle Materie-Kondensation & Gravitationskollaps (t ≈ 10⁵ – 10⁸ Jahre)

Physikalischer Hintergrund:

• Dunkle Materie wechselwirkt nur gravitativ – sie konnte sich schon vor der Rekombination zu Halos verdichten.
• Nach Rekombination: Baryonen (normale Materie) strömten in diese Halos.

Ergebnis:

• Entstehung der ersten dichten Materieklumpen – die „Samen“ von Galaxien und Sternhaufen.
• Gravitationsinstabilitäten führen zur hierarchischen Strukturbildung: kleine Halos → größere durch Fusion.
  
  

4. Erste Sterne und Galaxien (t ≈ 100 Mio. – 1 Mrd. Jahre)

Physikalischer Hintergrund:

• Kühlung durch Moleküle (v. a. H₂) ermöglichte die Fragmentierung von Gaswolken.
• Erste Sterne (Population III): sehr massereich (> 100 Sonnenmassen), kurzlebig, keine Metalle.

Ergebnis:

• Ionisierende Strahlung → Beginn der kosmischen Reionisation.
• Bildung erster Galaxien, Sternhaufen, Schwarzer Löcher.
• Erste Rückkopplungsprozesse durch Supernovae und Strahlungsdruck.
  
  

5. Hierarchisches Wachstum – großräumige Strukturen (1 Mrd. – 8 Mrd. Jahre)

Physikalischer Hintergrund:

• Dunkle Materie-Halos verschmelzen: Bildung von größeren Galaxien, Clustern, Superclustern.
• Gravitationslinsen-Effekte, Clusterbildungsprozesse, Akkretion und Galaxienverschmelzung prägen die Dynamik.
• Filamentstruktur entsteht: Netzwerk aus Voids (Leerräumen) und dichten Filamenten.

Ergebnis:

• Bildung des kosmischen Netzwerks ("Cosmic Web").
• Galaxienmorphologien entwickeln sich (Spiral-, Elliptische-, irreguläre Galaxien).
• Sternentstehung erreicht ihr Maximum (ca. 3,5 Mrd. Jahre nach Urknall).
  
  

6. Strukturelle Reife des Universums (8 – 13,8 Mrd. Jahre)

Physikalischer Hintergrund:

• Sternentstehungsrate sinkt, Gasreserven erschöpfen sich.
• Galaxienhaufen wie Virgo oder Coma reifen aus.

Beobachtete Strukturen:

• Galaxiengruppen, Haufen und Superhaufen: gravitativ gebundene Großstrukturen.
• Leerräume (Voids): große Regionen geringer Materiedichte.

Physikalische Prozesse:

• Rückkopplung durch AGNs, Supernovae, Sternwinde.
• Gasdynamik, dynamische Reibung, gravitative Relaxation.
  
  

7. Zukunft der Strukturbildung (ab heute bis in die Ewigkeit)

Dunkle Energie dominiert:

• Die Expansion des Universums beschleunigt sich.
• Galaxien außerhalb lokaler Gruppe werden unerreichbar (über kosmischen Horizont).

Langfristige strukturelle Entwicklung:

• Keine neue Strukturbildung mehr außerhalb gebundener Systeme.
• Sternentstehung versiegt allmählich (in 10¹³–10¹⁴ Jahren).
• Galaxien „sterben“ – nur noch Braune Zwerge, Weiße Zwerge, Neutronensterne und Schwarze Löcher.
• Gravitationskollaps, Verdampfung von Schwarzen Löchern, Protonenzerfall (nach 10³⁴–10⁴⁰ Jahren).
  
  

Zusammenfassung der Strukturentwicklungen

Zeit nach Urknall	Strukturelle Prozesse
10⁻³² s	Inflation, Quantenfluktuationen
380.000 Jahre	CMB, Entkopplung, BAOs
10⁶ – 10⁸ Jahre	Kondensation der Dunklen Materie, erste Halos
~100 Mio. Jahre	Erste Sterne, Reionisation beginnt
~500 Mio. Jahre	Erste Galaxien
~1 – 8 Mrd. Jahre	Galaxienverschmelzung, Cosmic Web, Haufenbildung
8 – 13,8 Mrd. Jahre	Reife großräumiger Strukturen, Rückgang Sternbildung
> 13,8 Mrd. Jahre	Struktureller Stillstand durch Dunkle Energie
> 10¹⁴ Jahre	Auflösung gravitativer Systeme, Schwarze Löcher dominieren