Willkommen auf der Homepage der Astronomie und Astrophysik. Wenn Sie wissen wollen, warum die Sonne leuchtet oder woraus die Erde entstanden ist, dann schauen Sie sich diese Website an
Der Urknall und die Entstehung der Materie
Die bekannteste Theorie über die Entstehung des Universums ist der Urknall. Der Urknall fand vor 15.000.000.000 Jahren statt. Diese Theorie besagt, dass etwas, das so groß wie ein Atom war und sehr heiß war, explodierte. Nach 10-35 gab es Quarks (Teilchen, die Protonen und Neutronen bilden). Es gab auch Antiquarks, und als die Quarks und die Antiquarks zusammenkamen, haben sie sich gegenseitig zerstört und nur noch Energie (oft Gammastrahlung, also Photonen) hinterlassen. Die Temperatur betrug 1027 Grad. Eine Theorie besagt, dass es mehr Materie als Antimaterie gab, wenn dem nicht so wäre, gäbe es jetzt keine Sterne oder Planeten im Universum. Aber das ist ein Rätsel, denn die Urknalltheorie sagt uns, dass der Urknall symmetrisch war, und das bedeutet, dass es genauso viel Materie wie Antimaterie geben sollte. Eine andere Theorie besagt, dass es am Anfang genauso viel Materie wie Antimaterie gab, aber die Antimaterie war sehr schnell zerfallen. Nach 0,0001 Sekunden haben sich Mesonen, Protonen und Neutronen gebildet.
Die Temperatur betrug 1012 Grad. Nach 3 Minuten verschmolzen Protonen und Neutronen zu Ionen, und als es kälter wurde, fingen diese Ionen Elektronen ein, und so wurden die ersten Atome geboren. Aber dies geschah 300.000 Jahre später, als die Temperatur nur 3.000 Grad betrug. Die ersten Elemente waren Wasserstoff und Helium. Bei all diesen Prozessen gab es viel Energie. So wurde die Materie, wie wir sie heute kennen, geboren. Vor allem seit dem Urknall gibt es Raum und Zeit, und während des Urknalls hat sich die vereinigte Kraft in die vier fundamentalen Kräfte (Gravitation, elektromagnetische Kraft, schwache Kraft, starke Kraft) aufgeteilt. Die einheitliche Feldtheorie wird im nächsten Kapitel beschrieben.
Die einheitliche Feldtheorie
Die einheitliche Feldtheorie ist für die moderne Physik das wichtigste Problem. Diese Theorie besagt, dass nach dem Urknall nur eine einzige vereinigte Macht existiert hat. Diese GUT-Macht (Grand Unified Theory) wurde in vier fundamentale Mächte aufgeteilt.
Heute versuchen wir, die vier Mächte zusammenzubringen. Es hat sich herausgestellt, dass zwischen der elektromagnetischen Kraft und der schwachen Kraft, die gebrochen ist, eine Symmetrie besteht. Es ist wichtig zu wissen, dass die W+-, die W– und die Z0-Teilchen die Austauschteilchen der schwachen Kraft sind. In unserem Universum gibt es das Higgs-Feld, das sich mit dem Feld der schwachen Kraft vereinigt. Mit hoher Energie ist es möglich, das Higgs-Feld zu zerstören, und die Austauschteilchen der schwachen Kraft sind dann frei, sie verhalten sich wie Photonen und unterscheiden sich nicht von ihnen. Für diese Entdeckung erhielten S. Glashow, S. Weinberg und A. Salam den Nobelpreis. In einem Experiment im CERN (Conseil Européenne pour la Recherche Nucléaire) wurden im Proton-Antiproton-Collider diese Teilchen gefunden und so die elektrische Schwachleistung nachgewiesen. Nun arbeiten Physiker daran, einen Zusammenhang zwischen der elektroschwachen Leistung und der starken Leistung zu finden.
Galaxien
Die Entstehung einer Galaxie – Nach der Urknalltheorie sind vor 1.000.000.000 Jahren Galaxien entstanden. Heute gibt es verschiedene Theorien über die Entstehung von Galaxien. Eine dieser Theorien besagt, dass Sterne aus viel Gas entstanden sind, dass sie sich aufgrund ihrer Schwerkraft gegenseitig angezogen haben und dass dann Galaxien entstanden sind. Die Entstehung eines Sterns wird im nächsten Kapitel beschrieben. Eine andere Theorie besagt, dass es viel Gas gab, das sich gegenseitig angezogen hat. Sie kamen sich immer näher und einige von ihnen bildeten Sterne. Diese Sterne kreisten in den äußeren Regionen der Protogalaxie und sie brachten diese Protogalaxie dazu, blau zu leuchten. Diese Protogalaxie war viel heller als unsere Galaxie. Nach einer gewissen Zeit bildeten sich aus dem Gas im Zentrum der Protogalaxie weitere Sterne, und dann war es eine Galaxie.
Arten von Galaxien
Andromeda-Galaxie – Die Milchstraße
Es gibt verschiedene Arten von Galaxien. Unsere Galaxie ist die Milchstraße, eine Spiralgalaxie. Sie hat einen Durchmesser von 100.000 Lichtjahren und besitzt vier Spiralarme. Diese Form der Galaxie ist meiner Meinung nach die schönste, denn sie ist eine Scheibe aus Sternen, die das Gas der Galaxie erhellen. Galaxien wie diese sind entstanden, als die Gaswolke, aus der sie sich gelöst haben, sich gedreht hat. Diese Rotation machte es der Gaswolke unmöglich, zusammenzugehen, weil die Zentrifugalkraft und somit nicht das gesamte Gas Sterne bilden konnte. Diese Galaxien können aus einigen wenigen Billardsternen bestehen. Die Hälfte der Sterne in unserer Galaxie sind Mehrfachsterne. Die Einzelsterne kreisen um einen Schwerpunkt. Die nächste große Galaxie ist die Andromedagalaxie (M 31), die 2,2 Millionen Lichtjahre (1 Lichtjahr ist die Entfernung, die das Licht in einem Jahr zurücklegt; 9.460.000.000.000.000 km) entfernt ist und sie ist sogar noch größer als unsere Galaxie. Ein weiterer Typ ist die Zwerggalaxie, die nur wenige Millionen Sterne enthält. Die größten Galaxien sind die elliptischen Galaxien. In diesen Galaxien und in den Zwerggalaxien gibt es kein Gas. Es gibt auch irreguläre Galaxien, die keine symmetrische Form haben.
Galaxienhaufen und Superhaufen
Im Universum gibt es Galaxienhaufen mit vielen Galaxien. Der Haufen, auf dem sich die Milchstraße und die Andromeda-Galaxie befinden, ist die lokale Gruppe. Diese beiden Galaxien sind die größten und massereichsten Galaxien der lokalen Gruppe, und die Zwerggalaxien befinden sich um diese beiden großen Spiralgalaxien herum. Die lokale Gruppe enthält 26 Galaxien. Sie hat einen Durchmesser von 4 Millionen Lichtjahren. Es gibt auch Superhaufen mit vielen Galaxienhaufen. Superhaufen sind die größten bekannten Strukturen im Universum.
Sterne
Das Leben eines Sterns – Nach 500 Millionen Jahren entstanden Galaxien und nach 1.000.000.000 Jahren Gas- und Teilchenwolken in einigen Regionen des Universums. Der größte Teil des Gases bestand aus Wasserstoff und ein wenig Helium. Diese Atome kamen aufgrund der Schwerkraft näher. Sie haben begonnen, sich zu kondensieren, und so haben sie einen Protostern gebildet. In einem Protostern gibt es keine Kernfusionen, sondern ein Protostern sendet infrarotes Licht und Radiowellen aus, die in der Lage sind, die Gas- und Teilchenwolken um den Protostern herum zu passieren. Einige Sterne, die für Kernfusionen zu wenig Masse haben, bleiben in diesem Zustand, aber die Gas- und Teilchenwolke verschwindet und sie leuchten sehr schwach. Solche Sterne werden Braune Zwerge genannt. Bei anderen Sternen wie unserer Sonne beginnen die Kernfusionen nach 10.000 Jahren, und jetzt ist er kein Protostern mehr, sondern ein Stern. Aber wir sollten die Braunen Zwerge nicht verachten, denn wir glauben, dass sie und die Schwarzen Löcher die Materie sind, die in den Berechnungen der Phycisisten fehlt. Denn in der Vergangenheit haben Wissenschaftler ihre Berechnungen nur mit der Materie durchgeführt, die aufleuchtet. Aber als diese Berechnungen nicht mit der Urknalltheorie übereinstimmten, begannen die Phyzisten mit der Suche nach dunkler Materie.
Seit vielen Millionen Jahren befindet sich die Gas- und Teilchenwolke um den neuen Stern. Nach einer gewissen Zeit können aus dieser Gas- und Teilchenwolke wie in unserem Sonnensystem Planeten gebildet werden. Bis zu diesem Zeitpunkt ist der Ursprung jedes Sterns derselbe, aber jetzt müssen wir den Stern in Klassen einteilen. Wenn ein Stern eine größere Masse als ein anderer Stern hat, dann sind die Kernfusionen in einem Stern schneller als in einem kleineren Stern. Die Folge ist, dass dieser Stern heißer ist, aber kürzer lebt als ein Stern mit geringerer Masse. Die Spektralklassen (Sternklassen) sind unten beschrieben. Es gibt zwei Arten von Fusionsreaktionen, die wir in Sternen finden können. Die erste ist der Protonen-Proton-Zyklus (p-p-Zyklus) und die andere ist der Kohlenstoff-Stickstoff-Sauerstoff-Zyklus (CNO-Zyklus). Nur einer dieser Zyklen findet sich in einem Stern. Die massereichsten Sterne sind blaue Sterne. Ihre Oberflächentemperatur beträgt etwa 25.000 Kelvin und sie leben nur 10 Millionen Jahre.
Unsere Sonne sollte etwa 10.000.000.000 Jahre alt werden, und es gibt auch rote Sterne, die 100.000.000.000 Jahre alt werden. Die Lebenserwartung eines Sterns hängt davon ab, wie schnell der Wasserstoff in Helium umgewandelt wird. Wenn ein Stern beginnt, Helium zu verbrennen, dann beginnt er zu sterben. Unsere Sonne existiert seit 5.000.000.000.000 Jahren. In 5.000.000.000.000 Jahren, wenn der gesamte Wasserstoff in unserer Sonne in Helium umgewandelt wird, wird unsere Sonne zu einem Roten Riesen. Dieser Rote Riese wird so groß sein, dass Merkur, Venus und unsere Erde zerstört werden. Bis zu diesem Zeitpunkt brauchen wir einen anderen Planeten, auf dem wir leben können. Nach all dem wird der Rote Riese zu einem Weißen Zwerg. Ein Weißer Zwerg ist ein Objekt, das so dicht ist, dass ein Kubikzentimeter etwa eine Tonne wiegt. Dieser Weiße Zwerg wird viel kleiner sein als unsere heutige Sonne, aber seine Schwerkraft wird wegen der hohen Dichte viel größer sein als die Schwerkraft unserer Sonne. Wenn dieser Weiße Zwerg nach einer gewissen Zeit seine gesamte Energie verliert, wird er ein Schwarzer Zwerg sein. Wenn ein Stern eine Masse hat, die das 1,4-fache der Masse unserer Sonne beträgt, dann explodiert er während seines Todes, und diese Explosion wird Supernova genannt. Dann kommt es zu einem Kollaps und der Kern des Sterns wird zusammengedrückt, und am Ende explodiert der Stern.
Das Endprodukt hängt von der Masse des Sterns ab. Eine Möglichkeit ist ein Neutronenstern, der so dicht ist, dass ein Kubikzentimeter 300.000.000 Tonnen wiegt, und die andere Möglichkeit ist ein schwarzes Ganzes mit einer Singularität, bei der unsere physikalischen Gesetze keine Rolle spielen, und einer unendlichen Dichte. Selbst das Licht mit einer Geschwindigkeit von 300.000 Kilometern pro Sekunde kann einem Schwarzen Loch nicht entkommen. Neutronenstern und Schwarze Löcher werden unten beschrieben. Supernovae sind deshalb so wichtig, weil sich während einer Supernova neue Elemente bilden. Der Grund, warum Sterne kollabieren, wenn sie den gesamten Wasserstoff in Helium umgewandelt haben, ist, dass diese Fusionen die Schwerkraft durchbrechen, so dass wir ein Gleichgewicht haben, aber jetzt, wenn es keine Fusionen gibt, gibt es kein Gleichgewicht mehr. Während des normalen Lebens kann ein Stern nicht explodieren, aber er kann nicht kollabieren, weil es ein Gleichgewicht gibt. Es gibt drei mögliche Enden für einen Stern: einen Weißen Zwerg, einen Neutronenstern und ein Schwarzes Loch. Unsere Sonne ist kein Stern der ersten Generation, weil wir in unserer Sonne schwere Elemente aus anderen Supernovae finden können. Andernfalls würde die Erde nicht existieren. Sterne der ersten Generation bestehen nur aus Wasserstoff.