Die erste Millisekunde des Universums: Wie Urknall-Materie aus dem Hahn tropft

Der Anfang des Universums ist notorisch schwierig zu untersuchen. Wer mein Buch „Die Störung“ gelesen hat, kennt das Problem. Das liegt weniger daran, dass er so lange her ist. Wobei 13,8 Milliarden Jahre ja auch eine lange Zeit sind. Schwerer fällt es den Wissenschaftlern, weil sie die Physik des großen Anfangs noch nicht ganz verstanden haben. Unter den extremen, heute kaum im Experiment nachzuahmenden Bedingungen damals galten noch ganz andere, übergeordnete Gesetze, die wir erst noch langsam herausfinden müssen. Vorschläge dazu gibt es schon einige. Und es gibt auch immer wieder neue Erkenntnisse – die mamchmal auch überraschend sein können. Oder hätten Sie gedacht, dass die damals vorhandene Materie sehr ähnliche Eigenschaften besaß wie Wasser, dass bei Ihnen aus der Leitung kommt?

„Wir haben eine Substanz namens Quark-Gluon-Plasma (QGP) untersucht, die die einzige Materie war, die während der ersten Mikrosekunde des Urknalls existierte. Unsere Ergebnisse erzählen uns eine einzigartige Geschichte, wie sich das Plasma in der Frühphase des Universums entwickelt hat“, erklärt You Zhou, Associate Professor am Niels Bohr Institut der Universität Kopenhagen. „Zuerst wurde das Plasma, das aus Quarks und Gluonen bestand, durch die heiße Expansion des Universums in seine Bestandteile getrennt. Dann formierten sich die Quarkstücke zu sogenannten Hadronen. Ein Hadron mit drei Quarks bildet ein Proton, das Teil von Atomkernen ist. Diese Kerne sind die Bausteine, aus denen die Erde, wir selbst und das Universum, das uns umgibt, bestehen.“

Das Quark-Gluon Plasma (QGP) war in den ersten 0,000001 Sekunden des Urknalls vorhanden und verschwand danach durch die Expansion. Doch mit Hilfe des Large Hadron Collider am CERN konnten die Forscher diese erste Materie der Geschichte wiederherstellen und zurückverfolgen, was mit ihr geschah. „Der Collider schmettert Ionen aus dem Plasma mit großer Geschwindigkeit zusammen – fast mit Lichtgeschwindigkeit. Dadurch können wir sehen, wie sich das QGP von seiner eigenen Materie zu den Kernen in Atomen und den Bausteinen des Lebens entwickelt hat“, sagt You Zhou.

„Lange Zeit dachten die Forscher, dass das QGP eine Form von Gas sei, aber unsere Analyse bestätigt die Messung, bei der der Hadron Collider zeigt, dass das QGP flüssig war und eine glatte, weiche Textur wie Wasser hatte. Das ist ziemlich überraschend und anders als jede andere Materie, die wir kennen und was wir erwartet hätten“, sagt You Zhou. Auch wenn dies wie ein kleines Detail erscheinen mag, bringt es uns der Lösung des Rätsels um den Urknall und die Entstehung des Universums in der ersten Mikrosekunde einen Schritt näher, führt er weiter aus. „Jede Entdeckung ist ein Baustein, der unsere Chancen verbessert, die Wahrheit über den Urknall herauszufinden. Wir haben etwa 20 Jahre gebraucht, um herauszufinden, dass das Quark-Gluon Plasma flüssig war, bevor es sich in Hadronen und die Bausteine des Lebens verwandelte. Daher ist unser neues Wissen über das sich ständig verändernde Verhalten des Plasmas ein großer Durchbruch für uns.“

Drei Tröpfchen aus Quark-Gluon-Plasma, simuliert bei 6 und 38 Yoktosekunden (10-24 s) nach Frontalkollisionen zwischen Blei-Ionen im LHC. (Bild: MUSIC arXiv:1209.6330)

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BrandonQMorris
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  • Brandon Q. Morris, 54, ist Physiker und beschäftigt sich beruflich und privat schon lange mit den spannenden Phänomenen des Alls. So ist er für den redaktionellen Teil eines Weltraum-Magazins verantwortlich und hat mehrere populärwissenschaftliche Bücher über Weltraum-Themen geschrieben. Er wäre gern Astronaut geworden, musste aber aus verschiedenen Gründen auf der Erde bleiben. Ihn fasziniert besonders das „was wäre, wenn“. Sein Ehrgeiz ist es deshalb, spannende Science-Fiction-Geschichten zu erzählen, die genau so passieren könnten – und vielleicht auch irgendwann Realität werden.