Das mit „heisser Urknall“ bezeichnete Ereignis, also die Entstehung von Strahlung und Materie und mithin unseres Universums folgte unmittelbar auf die Kosmische Inflation, die wir in den letzten beiden blogposts (https://cosmoblog.space/die-kosmische-inflation-vorbereitende-einfuehrung/) behandelt hatten. Diese wiederum stellt man sich heute aus einer Quantenfluktuation entstanden vor, wobei diese Quantenfluktuation -ebenso wie z.B. die Dunkle Energie- als eine inhärente Eigenschaft der gleichzeitig entstandenen Raumzeit anzusehen ist. Denn im Gegensatz zu den danach im Vakuum brodelnden Quantenfluktuationen gab es am allerersten Anfang ja kein Vakuum oder sonst irgendetwas.

Restenergie der kosmischen Inflation und falsches Vakuum

Die in der Raumzeit untrennbar enthaltene Energie war nach dem Ende der kosmischen Inflation die mit 10^-33 Sekunden eine „Dauer“ hatte, gegen die ein Lidschlag eine Ewigkeit bedeutet, nicht aufgebraucht. Diese „Restenergie“ verwandelte sich in die gesamte Strahlung und Materie des gigantischen Universums, das wir heute kennen. Diese Verwandlung bezeichnen wir heute als den „heissen Urknall“ (engl.: hot big bang). Wie hat man sich das vorzustellen, kann man das überhaupt?

Man kann und die Antwort, die uns im Folgenden beschäftigt, verdanken wir dem unglaublichen Fortschritt unserer Astrophysik und wissenschaftlichen Kosmologie. Der Schlüsselbegriff hier ist das falsche Vakuum. Unter dem falschen Vakuum versteht man eine Energiedichte, die im Grenzfall der Abkühlung gegen eine Temperatur von Null nicht verschwindet – dies würde einem echten Vakuum entsprechen –, sondern einen konstanten von Null verschiedenen Wert annimmt. Das Universum ist in ein extrem energiereiches falsches Vakuum eingetreten, das es nach den Gesetzen der klassischen Physik nicht mehr verlassen kann. Das falsche Vakuum enthält die gesamte Restenergie der beendeten kosmischen Inflation. Aus dieser ist alles entstanden, was das Universum bis heute füllt – Materie, baryonische und dunkle sowie jegliche Strahlung, schwarze Löcher und alles Leben.

Der Weg aus dem falschen Vakuum: der Quantentunnel Effekt

Im Zustand des falschen Vakuums ist fast die gesamte Energie des Universums im Quantenfeld der Inflation »gefangen«. Dieses Feld wird oft auch als „Inflaton“ bezeichnet. Obwohl das falsche Vakuum ein metastabiler Zustand ist, kann das Universum ihn nach den Gesetzen der klassischen Physik nicht verlassen. Bei der noch submikroskopischen Größe des Universums regieren jedoch die Gesetze der Quantenphysik. Daher besteht die Möglichkeit, dass das Universum aus dem falschen Vakuum heraustunnelt (Quantentunnel Effekt). Hierfür muss die Energie des Systems, also hier des künftigen Universums, für einen unmessbar winzigen Moment höher sein als dies der potentiellen Energiekurve entspricht. Diese Überschuss-Energie wird sofort danach wieder an das Vakuum zurückgegeben, ganz analog der permanenten Entstehung und Vernichtung von Teilchenpaaren aus jedem Vakuum, auch heute. Das Universum aber hat das falsche Vakuum über den Quantentunneleffekt verlassen. Seine gewaltige Restenergie wird jedoch nicht in kinetische Energie umgewandelt, sondern – in Masse und Strahlung.

 

 

W-förmige Darstellung der potentiellen Energie im echten und falschen Vakuum am Ende der kosmischen Inflation

Credit der Abb. und des zugehörigen Textes darunter: Andreas Müller, Lexikon der Astronomie; spektrum.de   (https://www.spektrum.de/lexikon/astronomie/inflation/197)

  Zerfall des falschen Vakuums erzeugt Strahlung und Masse des Universums

Bei Abkühlung driftet der Vakuumzustand in das falsche Vakuum. Dieser metastabile Zustand verhält sich wie ein Niveau niedrigster Energiedichte, hat aber tatsächlich eine Energiedichte, die größer ist, als diejenige des echten Vakuumzustandes. Das echte Vakuum befindet sich in den beiden Mulden des W-förmigen Potentials. Das lokale Maximum des W-Potentialverlaufs entspricht gerade dem falschen Vakuum.

Das falsche Vakuum zerfällt nun, d.h. seine potentielle Energie wird abgebaut. Anschaulich ‚rollt‘ das Inflatonfeld vom lokalen Minimum des falschen Vakuums hinunter in das echte Vakuum, also in die linke oder rechte Mulde. Damit endet die inflationäre Phase. Die im Inflaton gespeicherte Energie wird freigesetzt. Physiker nennen das Thermalisierung. Da das Inflaton im Allgemeinen an andere Felder koppelt, entstehen im Zerfall des Inflatons neue Teilchen. In diesem Stadium treffen sich Inflationsmodell und Standard-Urknallmodell. Dabei erklärt Inflation sehr elegant den Ursprung der ‚heißen Teilchensuppe‘. Der überwiegende Hauptanteil der Masse des Universums wird somit erzeugt, wenn die Energie des Quantenfeldes wieder abgegeben wird.

Das falsche Vakuum in obiger Abbildung ist durch das kleine Maximum in der Mitte des »W« (siehe den Pfeil) repräsentiert. In ihm besteht das Inflatonfeld.

Wesentlich dabei ist, dass dieser ebenfalls exponentielle Zerfall langsamer abläuft als die exponentielle Ausdehnung davor. Dies ist eine der Grundlagen für die Idee der »ewigen Inflation«, denn danach könnte das falsche Vakuum nie ganz verschwinden und müsste sich immer ausdehnen. Darüber später mehr.

Das Gesamtsystem (Universum) strebt wie alle Systeme den niedrigsten Energiezustand an. In obiger Energiekurve des Universums sind das die beiden Minima links und rechts des falschen Vakuums. Sie repäsentieren das echte Vakuum mit Null potentieller Energie. Nach Durchtunnelung des falschen Vakuums stürzt das System nicht unmittelbar in das echte Vakuum. Man gebraucht das Bild von einem »Abrollen« des Inflatonfeldes von dem »Hügel« des falschen Vakuums in die beiden Mulden echter niedrigster Energie. Im Gegensatz zum ursprünglichen Inflationsszenarium von Guth, ist im Modell der Neuen Inflation die Steilheit des »Hügels«geringer, die Umwandlung verläuft etwas »langsamer«.

Entstehung des superheissen Plasmas: Vorläufer aller Materie

Das Ergebnis all dieser aufregenden Vorgänge, die sich in einem Zeitraum von nur einige Mal 10^-33 Sekunden abspielten, ist das superheisse Plasma, aus dem alle kosmischen Strukturen entstanden, in fernster Vergangenheit bis in unsere  Gegenwart.

Was bedeutet „superheisses Plasma“? Mit dem „Abrollen“ des Inflaton-Quantenfeldes in ein echtes Vakuum (die Mulden in obiger Abbildung) geht die inflationäre Phase des Kosmos zu Ende. Dies bedeutet, dass sich die Raumzeit nicht mehr super-exponentiell ausdehnt, sondern erheblich langsamer. Dies bremst auch die Geschwindigkeit der Abkühlung, was dazu führt, dass sich das jetzt entstehende „materielle“ Universum extrem aufheizt. Wir reden hier von einer Temperatur in der Grössenordnung von unvorstellbaren 10³² Kelvin, was in etwa Kollisionsenergien von ca. 10¹⁹ Giga-Elektronenvolt (GeV) entspricht. Bei diesen Temperaturen können keine materiellen Partikel existieren – sie werden im Augenblick ihrer Entstehung vernichtet. Das heisst nichts anderes als dass unser Universum am Uranfang ausschliesslich aus megaheisser Strahlung besteht – dem „superheissen Plasma“.

Natürlich dehnt sich dieses Plasma im Folgenden aus, wenn auch mit um Myriaden geringerer Grössenordnung als während der Inflationsphase. Es kommt zu einer zunächst extrem geringen, dann zunehmenden Abkühlung. Die Folge hiervon ist die Entstehung materieller Elementarteilchen. Welche, hängt unmittelbar von der jeweils herrschenden Temperatur ab. Wichtig zu wissen ist, dass es für das Entstehen jeder Teilchenart eine »Schwellentemperatur« gibt, oberhalb derer sie wieder zerfallen beziehungsweise sich vernichten, da sie immer paarweise als Teilchen und Antiteilchen entstehen. Oberhalb der Schwellentemperatur existiert ein Gleichgewicht von Vernichtung zu Strahlung und Entstehung als Materie-Teilchenpaar aus Strahlung. Unterhalb der Schwellentemperatur dagegen sind die jeweiligen Teilchen stabil, es können aber keine neuen ihrer Spezies mehr entstehen.  Bei der Schwellentemperatur spricht man vom »Ausfrieren« der Teilchen und Kräfte (also der sie vermittelnden Bosonen) aus dem heissen Plasma. Die Abkühlung des Universums wird durch seine kontinuierliche Ausdehnung vorangetrieben.

Die ersten stabilen Partikel: Quarks, Gluonen und Leptonen

Wie geht es nun weiter? Welche Teilchen entstehen zuerst, welche später, also bei niedrigerer Schwellentemperatur? Wir betrachten die Situation eine Milliardstel Sekunde (1 Nanosekunde) nach dem Ende der kosmischen Inflation.  Zu dieser Zeit besteht das Universum primär aus Strahlung und einem superheißen Plasma aus Quarks und Gluonen. Quarks sind die Bausteine von Protonen und Neutronen im Atomkern und Gluonen die zugehörigen sogenannten Bosonen, die die »starke Kraft« der Anziehung zwischen den Quarks im Atomkern vermitteln. Die Quarks in diesem Plasma sind frei beweglich – ein Zustand, den sie bereits eine Millisekunde nach dem »Big Bang« verloren haben. Sie sind zu diesem Zeitpunkt infolge der weiteren Abkühlung des expandierenden Universums in Atomkernen irreversibel gebunden und das für alle Zeiten. Es gibt danach keine freien Quarks mehr. Man spricht von stabilen Hadronen. Unter diesem Begriff fasst man die Bausteine von Atomkernen zusammen, also primär Protonen und Neutronen. Die einzige Möglichkeit, freie Quarks zu schaffen, wäre eine Wiedererhöhung der Temperatur auf unvorstellbare zirka 10¹⁶ Kelvin. Das entspricht Kollisionsenergien größer als 10¹⁵ Giga-Elektronenvolt ( GeV ). Das schaffen auch die größten Teilchenbeschleuniger (wie der Large Hadron Collider, LHC am CERN) nicht einmal annähernd. Etwa zur gleichen Zeit wie bei der Bildung stabiler Hadronen entstehen die Leptonen. Das sind die leichten Partikel, die nicht am Kernaufbau beteiligt sind – Elektronen und Neutrinos. Für alle Teilchen waren in gleicher Menge auch die jeweiligen Antiteilchen (Antiquarks, Positronen, Antineutrinos) präsent.

Dem weiteren Verlauf der Teilchen- und Atomentstehung sowie den sie beeinflussenden Kräften (Bosonen), die nacheinander „ausfrieren“ werde ich aufgrund ihrer fundamentalen Wichtigkeit für das Verständnis unseres materiellen Universums und seiner Evolution eigene blogposts widmen.

 

Headerbild: Spinnenetzstruktur des Universums; Würfel mit Kantenlänge 1 Milliarde Lichtjahre; Bolshoi Simulation. Credit: NASA, ESA and E. Hallman, University of Colorado; Boulder

Beitragsbild: Illustration des heutigen Galaxien-gefüllten Universums. Hubble Ultra Deep Field 2014. Credit: NASA and ESA

 

Verantwortlich: Peter H. Jacobi (Autor von „Cosmoblog. Kosmologie: Über die Grundlagen zur Spitzenforschung von heute und morgen“; K.Fischer Verlag, September 2017)