In diesem Beitrag möchte ich die für mich relevanten Erkenntnisse zur Hypothese der Kosmologie über die Entwicklung des Universums im Bezug auf einen bevorstehenden Big Freeze zusammentragen und in Form einer kleinen Projektarbeit aufarbeiten. Beobachtungen weisen darauf hin, dass die Expansion des Universums auch in Zukunft unendlich fortdauern wird. In einem solchen Szenario wird das Universum umso kühler, je mehr es sich ausdehnt, die Temperatur nähert sich mit der Zeit dem absoluten Nullpunkt (daher der Name Big Freeze).

Aber was bedeutet das alles?

Ausgangspunkt meiner Betrachtungen ist das Buch "Die fünf Zeitalter des Universums: eine Physik der Ewigkeit" von Fred Adams und Gregory P. Laughlin ("The Five Ages of the Universe", 1999), das mich persönlich extrem faszinierte und fesselte. Die Autoren unterteilen die Vergangenheit und die Zukunft unseres expandierenden Universums in fünf Ären: Zu Beginn des Seins, direkt nach dem Urknall, herrschte demnach die Primordiale Ära, hier hatten sich die Sterne noch nicht gebildet. Wir leben derzeit in der zweiten, der Sternenreichen Ära, mit all den unzähligen Sternen und Galaxien, die wir sehen. Dieser Ära wird die Ära der Degeneration folgen, mit der Zeit werden alle Sterne ausgebrannt sein, und alle Objekte stellarer Masse (Weiße Zwerge, Neutronensterne oder Schwarze Löcher) werden Sternenreste sein. Nach Auffassung von Adams und Laughlin werden sich in der darauf folgenden Ära der Schwarzen Löcher Weiße Zwerge, Neutronensterne und andere kleinere astronomische Objekte durch Protonenzerfall auflösen, wonach nur noch Schwarze Löcher übrig bleiben. Schließlich werden auch diese in der letzten Dunklen Ära verschwunden sein und nur noch Photonen und Leptonen werden existieren.

Die Folgen des Big Freeze wären weitreichend. Die Sterne würden nach und nach erlöschen, da sie nicht mehr genügend Brennstoff haben würden. Die Galaxien würden sich immer weiter voneinander entfernen, bis sie schließlich nicht mehr sichtbar wären. Die letzten Objekte im Universum wären Schwarze Löcher, die jedoch auch irgendwann verdampfen würden.

Das Big Freeze ist ein mögliches Szenario für das Ende des Universums. Es basiert auf der Annahme, dass die Expansion des Universums unendlich fortdauern wird. In diesem Fall wird das Universum immer kühler, je mehr es sich ausdehnt. Die Temperatur nähert sich mit der Zeit asymptotisch dem absoluten Nullpunkt, der bei -273,15 Grad Celsius liegt.

Sternenreiche Ära: von 10⁶ (1 Million) Jahren bis 10¹⁴ (100 Billionen) Jahren nach dem Urknall

Das beobachtbare Universum ist zurzeit 1,38 * 10¹⁰ (13,8 Milliarden) Jahre alt. Daher befinden wir uns derzeit in der Sternenreichen Ära. Es bilden sich ständig neue Sterne. Diese entstehen durch Kollaps von kleinen, dichten Kernregionen in großen, kalten molekularen Wasserstoffwolken. Man nennt diese u.a. durch die Eigengravitation entstandenen Zusammenballungen Protosterne. Wenn sich diese Protosterne genügend zusammenziehen, werden deren Kerne so heiß, dass im Inneren die Kernfusion von Wasserstoff beginnt.

Sterne leben aber nicht ewig!

Ganz kurz zusammengefasst: Ein Stern besteht vor allem aus Wasserstoff und Helium, je später ein Stern entsteht, desto mehr schwerere Elemente enthält dieser, man spricht hierbei von seiner Metallizität. Im Inneren von Sternen findet eine Kernfusion statt. Diese Kernfusion setzt Energie frei und bringt den Stern zum Leuchten. Die Kernfusion verbraucht aber auch dessen Wasserstoff, wenn der "Treibstoff" aufgebraucht ist, dann hört diese Fusion auf. In der Endphase kann ein Stern unter bestimmten Umständen auch noch andere, schwerere Elemente wie Helium, Sauerstoff oder Kohlenstoff fusionieren, aber irgendwann ist keine Fusion mehr möglich. Der Stern hört auf ein Stern zu sein und wird zu einem Objekt in dem keine Kernfusion mehr stattfinden kann. Je nach der ursprünglichen Masse des Sterns ist das dann ein Weißer Zwerg, ein Neutronenstern oder ein Schwarzes Loch.

Sterne mit sehr niedriger Masse werden ihren gesamten Wasserstoff verbrauchen und zu Weißen Zwergen aus Helium werden. Sterne mit niedriger bis mittlerer Masse werden einen Teil ihrer Masse als Planetarischen Nebel ausstoßen und zu Weißen Zwergen werden, Sterne mit größerer Masse werden in einer Supernova vom Typ II explodieren, wobei ein Neutronenstern oder ein Schwarzes Loch entsteht. In jedem dieser Fälle bleibt ein Sternenrest übrig, nur ein Teil der Materie des Sterns kommt ins interstellare Medium zurück. Früher oder später geht das für die Bildung von Sternen notwendige Gas zur Neige.

Unter der Annahme, dass Dunkle Energie zu einer sich beschleunigenden Expansion des Universums führt, werden in etwa 1,5 * 10¹¹ (150 Milliarden) Jahren alle Objekte außerhalb der Lokalen Gruppe sich hinter dem kosmologischen Horizont befinden. Dadurch wird es unmöglich, dass Ereignisse in der Lokalen Gruppe Auswirkungen auf andere Galaxien haben. Ein Beobachter in der Lokalen Gruppe kann zwar entfernte Galaxien noch sehen, doch was beobachtet wird, wird mit der Zeit exponentiell mehr gravitativ zeitverschoben und rotverschoben sein. Der Beobachter in der Lokalen Gruppe wird die entfernte Galaxie jedoch nicht hinter dem kosmologischen Horizont verschwinden sehen und wird nie Ereignisse sehen, die nach 150 Milliarden Jahren in deren Zeit passiert sind. Daher wird der intergalaktische Transport und die Kommunikation nach 150 Milliarden Jahren unmöglich sein.

In 2 * 10¹² (2 Billionen) Jahren wird Strahlung aus allen Galaxien außerhalb des Lokalen Superhaufens so rotverschoben sein, dass sogar Gammastrahlen, die sie aussenden, Wellenlängen haben werden, die länger sind als das zu dieser Zeit beobachtbare Universum. Daher werden diese Galaxien nicht mehr erkannt werden können.