Die Geschichte des Universums Teil 4 von 5

Kleiner Einschub:
Wir alle kennen den Vergleich der bisherigen Geschichte des Universums mit einem Jahr in einem Kalender.
01.01. - Das Universum beginnt zu existieren
31.01. - Unsere Milchstraße entsteht
01.08. - Unser Sonnensystem entsteht
16.08. - Erstes Leben tritt auf der Erde auf
31.12. - Ab 20 Uhr findet die gesamte Menschheitsgeschichte statt
31.12. - Ab 23:59:24 Uhr beginnt das, was wir "Kultur" nennen
Zum Vergleich: am Ende der Degenerierten Ära haben wir in diesem gedachten Kalender, in dem das erste Jahr der
gesamten Geschichte vom Anbeginn des Universums bis heute entspricht, etwa 714.285.714.285.714 Billiarden Jahre
hinter uns gelassen...

4) The Black Hole Era (Die Ära der schwarzen Löcher)
100 Sextilliarden (10^41) Jahre bis 100 Tredezilliarden (10^83) Jahre nach dem Urknall
Die einzigen Objekte, die den Protonenzerfall des 3. Zeitalters überstehen werden, sind schwarze Löcher. Diese könnten aus Protonen zusammengesetzt sein oder auch nicht, sichtbar sind sie für uns jedenfalls nicht. Wir beschreiten nun die vierte Ära, die der schwarzen Löcher. Die sind Objekte, deren Fluchtgeschwindigkeit so hoch ist, dass ihnen nicht einmal mehr Licht entkommen kann. [Anm.: um die Erdanziehungskraft zu überwinden, muss man eine Geschwindigkeit von etwa 11,2 km/s (umgerechnet 40.320 km/h) erreichen, zum Verlassen der Sonne wären 617,3 km/s nötig. Um ein schwarzes Loch zu verlassen ist eine Geschwindigkeit von über 300.000 km/s nötig und da die Lichtgeschwindigkeit etwa diesem Wert entspricht und nicht überschritten werden kann, entkommt nichts diesen Gebilden]
Die ursprüngliche Definition eines schwarzen Lochs beinhaltete, dass ihm nichts entkommen kann. Doch seit auch quantentheoretische Überlegungen mit eingeflossen sind, scheint es möglich, als könne trotz allem Strahlung aus einem schwarzen Loch entweichen. Dieser Prozess geht so langsam vonstatten, dass man sich heute keine Gedanken darüber zu machen braucht. Aber in ferner Zukunft, wenn alle stellaren Objekte verschwunden sind, strahlen schwarze Löcher durch das Entweichen von sog. Hawking-Strahlung als hellste Objekte im Universum und übernehmen damit die Rolle, die die Sterne heute spielen.
Es gibt unterschiedliche Arten von schwarzen Löchern. Auf der einen Seite die, die aus Supernovae resultieren bzw. entstehen, wenn ein Neutronenstern genügend zusätzliche Masse ansammelt um selbst zum schwarzen Loch zu werden. Diese Klasse nennt man stellare schwarze Löcher, da sie aus stellaren Objekten hervorgegangen sind und ähnliche Massen besitzen. Die Zahl dieser stellaren schwarzen Löcher in der künftigen Milchstraße wird auf etwa eine Million geschätzt. Auf der anderen Seite gibt es supermassive schwarze Löcher, wie sie im Zentrum von Galaxien zu finden sind. Diese schwarzen Löcher haben nicht die Masse von mehreren Sonnen sondern sind millionen- oder sogar milliardenfach massiver. Wenn man sich die Bewegungen von Sternen im Zentrum einer beliebigen Galaxie anschaut, so stellt man fest, dass sich diese extrem schnell um ein relativ kleines, zentrales, unsichtbares Objekt bewegen. Die Masse, die nötig ist, um die umliegenden Sterne so zu beschleunigen, bewegt sich, wie oben schon erwähnt, im Bereich von Millionen oder Milliarden Sonnenmassen, ist aber auf einen verhältnismäßig winzigen Bereich konzentriert. Diese Bedingungen erfüllen nur schwarze Löcher. Das in unserer eigenen Milchstraße ist mit etwa 3 Millionen Sonnenmassen dabei noch relativ klein.

Die Fluchtgeschwindigkeit eines schwarzen Loches übersteigt die Lichtgeschwindigkeit

Machen wir nun eine Inventur des Universums in der Black Hole Era, so stellen wir fest, dass es nur noch schwarze Löcher gibt von denen jedes durch die Hawking-Strahlung hell leuchtet. Aber auch schwarze Löcher leben nicht unendlich lange. Abhängig von ihrer Masse zerstrahlen selbst schwarze Löcher nach einer gewissen Zeit. Ein schwarzes Loch mit der Masse unserer Sonne [Anm.: wäre etwa 3 km groß, die Sonne so wie sie heute ist hat einen Durchmesser von fast 1,4 Millionen Kilometer] würde auf diese Weise ungefähr 10^65 Jahre existieren. Ein typisches stellares schwarzes Loch [Anm.: mit mehr Masse, die Sonne ist nämlich zu leicht um zum schwarzen Loch zu werden] würde 1.000 Mal länger bestehen und nach 10^68 Jahren vergehen. Ein supermassives schwarzes Loch wie das im Zentrum unserer Milchstraße wäre nach 10^83 Jahren verschwunden. Und irgendwann gäbe es auch die gewaltigsten schwarzen Löcher mit über 2 Milliarden Sonnenmassen nicht mehr und die Black Hole Era wäre zu Ende.

Die Geschichte des Universums Teil 3 von 5

3) The Degenerate Era (Die Degenerierte Ära)
1 Billiarde (10^15) Jahre bis 10 Sextilliarden (10^40) Jahre nach dem Urknall
Wenn die Evolution der Sterne endet beginnt die Degenerierte Ära. Die meisten Sterne werden ihre Kernfusion beendet haben und als stellare Körper vor sich hin existieren. Nun haben wir zu etwa gleichen Teilen Braune und Weiße Zwerge, 3 von 1000 stellaren Körpern sind Neutronensterne und Schwarze Löcher. Da Weiße Zwerge ca. um den Faktor 10 schwerer als Braune Zwerge sind, befindet sich der allergrößte Teil der Masse im Universum nun in Weißen Zwergen. Obwohl es noch größere Mengen freies Gas gibt, so ist es doch diffus verteilt und gering konzentriert. Unter dem Strich gibt es in der Degenerierten Ära hauptsächlich stellare Überbleibsel wie Braune und Weiße Zwerge, die im Bereich zwischen 10^15 und 10^37 Jahren die wichtigsten stellaren Objekte im Universum bilden.
In dieser Ära kommen die Braunen Zwerge, die gescheiterten Sterne, die nie genug Masse zur Kernfusion hatten, wieder ins Spiel - denn sie können zusammenstoßen. Heutzutage macht sich niemand Gedanken über kollidierende Sterne, da derartig viel Platz zwischen den Sternen ist, dass eine Kollision quasi unmöglich ist. Anschaulich wird das durch einen Vergleich mit winzigen Sandkörnern, die man im Abstand von jeweils vielen Meilen im Universum verteilt. Doch wenn man lange genug wartet passieren auch scheinbar unmögliche Dinge - und zwei Braune Zwerge in der Degenerierten Ära stoßen in einem bestimmten Winkel zusammen. Dabei kann es passieren, dass das Produkt dieser Kollision genügend Masse besitzt, um zum echten Stern zu werden und die Fusion von Wasserstoff zu Helium zu beginnen. Diese Sterne werden nichts mit der Sonne gemein haben und zu den typischen Roten Zwergen zählen, die über Billionen Jahre langsam ihren Wasserstoffvorrat, den sie mangels Masse zuvor nicht verbrennen konnten, zu Helium fusionieren - um sich irgendwann in die Gruppe der Weißen Zwerge einzureihen.
Kennt man die Anzahl der Braunen Zwerge, die Galaxie in der sie sich befinden, die Kollisionsrate dieser Sterne und die Lebensdauer der durch Kollisionen erzeugten Roten Zwerge, so kann man ausrechnen wie viele Sterne in dieser Galaxie in der Degenerierten Ära scheinen werden. Für unsere Milchstraße erwartet man etwa drei (!) solcher Sterne. Heute gibt es in jeder der unzähligen Galaxien Milliarden Sterne, die hell leuchten. In der Degenerierten Ära werden in der Milchstraße zwei oder drei Sterne, Produkte der unwahrscheinlichen Kollision von Braunen Zwergen, leuchten. Und das mit etwa 1/10.000 der Leuchtkraft unserer Sonne.

Künstlerische Darstellung eines Weißen Zwergs

Auch Weiße Zwerge können kollidieren, auch wenn dies noch unwahrscheinlicher ist als die Kollision zweier Brauner Zwerge [Anm.: zur Erinnerung, 20km Durchmesser!]. Meist wird dabei nichts herauskommen, was sich durch irgendeine Aktivität auszeichnen würde. Doch manchmal könnten die Produkte solcher Kollisionen genug Masse haben, um in einer besonderen Art Supernova zu explodieren. So wird unsere künftige, dunkle Galaxie von Zeit zu Zeit von einer gewaltigen Explosion erfüllt sein.
Auch scheint es, als würden Weiße Zwerge die sog. dunkle Materie anziehen. In diesen Sternleichen würde sich dann dunkle Materie ansammeln, sich wieder vernichten und dabei Strahlung freisetzen. Diese Strahlung eines Weißen Zwergs würde etwa einer Quadrillion Watt entsprechen. Wenig im Vergleich zur Sonne - aber immerhin ein guter Teil dessen, was auf der Erde von der Sonnenstrahlung ankommt.
Auf lange Zeitskalen gesehen wird sich das Bild der Milchstraße drastisch wandeln und Sterne hinaus in die gigantisch großen Voids geschleudert werden, wortwörtlich leere Bereiche zwischen den Galaxien. Das ließe sich beliebig in die Zukunft extrapolieren, wäre da nicht ein eventuell auftretendes Problem: die Protonen selbst, essentielle Bestandteile der uns vertrauten Materie, könnten zerfallen. Für diese Protonen wird eine ungefähre Lebensdauer von 10^37 Jahre angenommen und die meisten von ihnen befinden sich in dieser Ära in Weißen Zwergen. Wenn nun also ein Proton nach dieser unvorstellbar langen Zeit in ein sog. Positron [Anm.: quasi ein positiv geladenes Elektron] zerfällt, so wird es sich sehr schnell zusammen mit einem dazu passenden, negativ geladenen Elektron vernichten. Von beiden Teilchen wird unterm Strich nichts als Strahlung übrig bleiben, die letztenendes den Stern verlässt und damit seine Masse Stück für Stück reduziert.
Mit diesem Wissen lässt sich nun die komplette Evolution unserer Sonne betrachten. Nach dem Aufblähen zu einem Roten Riesen, dem Verlust der Hälfte ihrer Masse und dem anschließenden Dasein als Weißer Zwerg wird sie durch den Zerfall der Protonen selbst immer kleiner und kälter. Auf lange Sicht ist der Protonenzerfall die wichtigste Triebkraft für die Entwicklung stellarer Körper. Durch den geringeren Gravitationsdruck [es geht ja ständig Masse verloren und Masse ist äquivalent zur Anziehungskraft eines Körpers] wird unsere Sonne als Weißer Zwerg mit der Zeit wieder etwas größer und irgendwann noch ungefähr 400 Watt abstrahlen - eine Energiemenge, die man mit etwas Mühe auf dem Ruderergometer im Fitnessstudio erzeugen kann.
Dieser Zerfall wird weitergehen bis die Sonne von ihrer ursprünglichen Masse auf die des Jupiters, also etwa um den Faktor 1000, zusammengeschrumpft ist. Zu diesem Zeitpunkt wird die Sonne am ehesten einem Block Wasserstoffeis entsprechen, der durch geringste Mengen von Strahlung allmählich seine letzte Masse verliert. Irgendwann wird der Eisblock nicht mehr existieren und die Evolution der Sterne findet ein Ende.
Zu Beginn der Degenerierten Ära hatten wir viele Braune und Weiße Zwerge, ein paar Neutronensterne und schwarze Löcher. Letzte Sterne bildeten sich in seltenen Kollisionen Brauner Zwerge. Dunkle Materie sammelte sich in Weißen Zwergen an und gab ihnen so eine Energie- und Strahlungsquelle, die sie sonst nicht gehabt hätten. Über eine Zeitspanne von 10^20 Jahren verlieren die Galaxien ihre Sterne [besser: Sternleichen] allmählich an das umgebende fast-nichts und schwarze Löcher wachsen, indem sie verbleibende stellare Körper nach und nach verschlucken. Die Degenerierte Ära endet, sobald alle Protonen zerfallen sind. Das wird in etwa 10^40 Jahren der Fall sein.

Die Geschichte des Universums Teil 2 von 5

2) The Stelliferous Era (Die Stellare Ära)
1 Million bis 100 Billionen Jahre nach dem Urknall (unser Zeitalter)
Die Urzeit endet, sobald das Universum etwa eine Million Jahre auf dem Buckel hat und die ersten Sterne hervorbringt. Diese Ära wird etwa 100 Billionen Jahre andauern wovon wir erst knapp 14 Milliarden Jahre hinter uns haben. In der Gegenwart sind Sterne die wichtigsten Objekte im Universum und die Quelle der meisten Energie, die in ihm erzeugt wird. Die Sonne ist ein Stern - und die Anzahl der Sterne im Universum vergleichbar mit der Anzahl von Sandkörnern in einer großen Sanddüne, etwa 10^23, eine Eins mit dreiundzwanzig Nullen. Die meiste Energie in diesem Zeitalter wird durch Kernfusion im Inneren von Sternen erzeugt. Dieser Prozess läuft auch in der Sonne ab und wird noch für etwa 7 Milliarden Jahre anhalten. Dann wird sich die Sonne in einen sog. Roten Riesen verwandeln, ihre äußere Hülle wird sich ungefähr bis auf die Erdbahn ausdehnen. Allerdings sollte man sich keine Gedanken darüber machen, was in 7 Milliarden Jahren sein wird; das Leben auf der Erde wird bereits in der halben Zeit nicht mehr möglich sein. Mit zunehmendem Alter nimmt die Größe, Helligkeit und Temperatur der Sonne stetig zu, so dass in 3,5 Milliarden Jahren ein Treibhauseffekt auf der Erde herrschen wird, der die Ozeane und die gesamte Biosphäre verdampfen lassen wird und gegen den die heutigen Klimaprobleme wie ein Spaziergang wirken [Anm.: der Mond wird sich sogar noch weit früher so weit von seiner heutigen Bahn entfernt haben, dass sich die Erdachse destabilisiert und Leben weitgehend unmöglich wird].
Es wird oft gesagt, die Sonne wäre ein Durchschnittsstern. Das ist schlicht falsch: unter den 50 nächstgelegenen Sternen ist die Sonne der viertgrößte während der durchschnittliche Stern etwa ein Viertel der Sonnenmasse besitzt. Auch bei einem Blick auf die Sternenpopulation der Milchstraße fällt auf, dass die meisten Sterne kleiner als unsere Sonne sind. Diese sog. Roten Zwerge existieren für gewöhnlich Billionen Jahre lang. Die Untergrenze für Sterne, die noch Kernfusion betreiben, liegt bei nur 8% der Sonnenmasse und 1/1.000 ihrer Helligkeit. Nach ihrer "Lebzeit" wird die Sonne, wie schon gesagt, ein Roter Riese werden, der ungefähr 100.000 Mal heller scheint als die Sonne heute - aber die Roten Zwerge werden immer etwa gleichgroß bleiben und am Ende ihrer Tage unauffällig zu Weißen Zwergen werden. Verschaffen wir uns eine Übersicht über die Sterne im Universum. Etwa die Hälfte aller stellaren Körper sind Braune Zwerge, Massen die zu leicht waren um zu echten Sternen zu werden. Diese Körper existieren Billionen Jahre und tun im Prinzip nichts. Die andere Hälfte der stellaren Körper besteht aus Sternen, die zunächst Wasserstoff, das leichteste Element, durch Kernfusion zu Helium verbrennen. Unter diesen Sternen sind die allermeisten Rote Zwerge, kleiner als unsere Sonne. Ein weitaus kleinerer Teil hat ähnliche Eigenschaften wie die Sonne - und ein noch kleinerer Teil besteht aus großen, massereichen Sternen mit einer viel kürzeren Lebzeit als die der Sonne. Jeder Stern, der mindestens 8% und höchstens 800% der Sonnenmasse besitzt (und das sind 99,7% aller Sterne) wird einmal als Weißer Zwerg enden. Auch unsere Sonne wird nach ihrer Zeit als Roter Riese, nachdem sie etwa die Hälfte ihrer Masse ins All verloren hat und der Rest etwa auf die Große der Erde zusammengeschrumpft ist, so enden. Diese künftige Sonne wird eine Dichte haben, die die der heutigen Sonne um den Faktor eine Million übersteigt.

Der größte bekannte Stern, VY Canis Majoris, wird mit seinen 30-40 Sonnenmassen in einer gewaltigen Supernova enden

Etwa 0,3% der Sterne wird ein weitaus dramatischeres Ende erleben. Diese Sterne explodieren am Ende ihrer Zeit in einer gewaltigen Supernova - und wenn eine solche Supernova explodiert gibt es zwei Möglichkeiten, was danach vom Stern übrig bleibt: ein Neutronenstern oder ein schwarzes Loch! Ersterer ist so dicht wie die Sonne, wenn man sie auf 20 Kilometer Durchmesser zusammenpressen würde. Durch die gewaltigen Druckverhältnisse und die dadurch extrem dicht gepackten Neuronen könnte man ihn fast als einen einzigen, riesigen Atomkern bezeichnen. Verkleinert und verdichtet man so ein extremes Objekt nochmal um den Faktor 3 oder 4, so erhält man ein schwarzes Loch.
Berücksichtigt man alle wichtigen Faktoren, so ergibt sich, dass eine Galaxie wie die unsere, etwa 10 Billionen Jahre die Neubildung von Sternen aufrecht erhalten kann. Das entspricht ungefähr der Lebenszeit der kleinsten und langlebigsten Sterne und gleichzeitig dem 714fachen der bisher im Universum verstrichenen Zeit. Das hat zur Folge, dass es irgendwann in der Zukunft einen scharfen Übergang zwischen einem Universum mit Sternen und einem Universum ohne Sterne geben wird. Während der 13. Kosmologischen Dekade, zur einer Zeit in der das Universum bereits 10^13 oder 10 Billionen Jahre hinter sich hat, werden die Sterne hell scheinen. Obwohl die meisten Sterne in dieser Zeit kleine Sterne sein werden wird es zu dieser Zeit kaum dunkler sein als heute: je älter ein Stern wird, desto heller scheint er.
Doch nach 10^14 oder 100 Billionen Jahren werden alle Sterne ausgebrannt sein, ihren Wasserstoff verbrannt haben
und aufhören zu scheinen. Der Milchstraße wird das Gas ausgehen, aus dem neue Sterne gebildet werden und der
ganze Sternentstehungsprozess wird zum erliegen kommen...