Indizien für den Beginn des Kosmos im Urknall

2. Nukleosynthese und Heliumhäufigkeit

Der russisch-amerikanische Physiker George Gamow war in den 1940er Jahren getrieben von der Idee, irgendeinen Beweis oder gar irgendein Überbleibsel des Urknalls zu finden, um so direkt belegen zu können, dass es den Urknall vor Milliarden von Jahren gegeben haben muss.
So fragte sich Gamow auch, ob die Häufigkeiten der Elemente im Universum den Urknall erklären konnten. Unser Universum besteht zu etwa ¾ aus dem leichtesten aller Elemente Wasserstoff und zu etwa ¼ aus Helium, wobei die schwereren Elemente nur einen Bruchteil ausmachen.
Gamow glaubte, dass diese leichteren Elemente, die unser Universum dominieren, in der immensen Hitze des Urknalls gebacken wurden, wobei er aber auch davon ausging, dass alle schwereren Elemente des Periodensystems ebenso kurz nach dem Urknall entstanden seien.

Er ließ seinen Studenten Ralph Alpher im Rahmen seiner Doktorarbeit entsprechende Berechnungen anstellen. Sie fanden jedoch heraus, dass nicht alle Elemente in der Frühzeit des Universums kurz nach dem Urknall ihren Ursprung gefunden haben konnten, sondern nur die leichteren.
Gamow beschrieb die Kernsynthese kurz nach dem Urknall damals als “prehistoric kitchen of the universe” (“prähistorische Küche des Universums”).
Heute wird dieser Prozess der Bildung der leichten Elemente im frühen Universum als Nukleosynthese oder Urknallnukleosynthese bezeichnet.

Wir wissen heute, dass in den ersten Minuten nach dem Urknall nur die Kerne der leichtesten drei Elemente des Periodensystems durch Fusion erzeugt wurden, nämlich die Kerne von Wasserstoff (schwerem Wasser, Deuterium, und des Wasserstoffisotops Tritium), Helium und einer kleinen Menge Lithium.
Denn nach den ersten paar Minuten nach dem Urknall war das Universum bereits durch die Expansion so stark abgekühlt, dass die Fusion wieder zum Erliegen kam.
Die schwereren Elemente bis zum schwersten stabilen Element Eisen sollten erst Millionen Jahre später durch Fusion im Inneren von Sternen entstehen.
Im Inneren von Sternen wird zunächst durch die Fusion von Wasserstoffkernen Helium erzeugt. Danach finden weitere nukleare Brennen statt, wodurch sukzessive die schwereren Elemente bis zu Eisen fusioniert werden. Die noch schwereren Elemente werden erst bei noch größerer Hitze im Rahmen von Sternexplosionen, sog. Supernovae, geschaffen.

Auch wenn Gamows und Alphers Theorie nicht die Entstehung der schwereren Elemente erklären konnte, so konnten ihre Berechnungen dennoch die Häufigkeit von Helium im Universum dadurch erklären, dass sie den Urknall als Beginn des Universums annahmen.
(siehe auch Alpher, Bethe, Gamow: The Origin of Chemical Elements, Physical Review Volume 73, Nr. 7 vom 01.04.1948)
Schätzt man nämlich die gesamte Heliummenge ab, die seit der Entstehung des Universums durch Fusion im Inneren der Sterne entstanden sein kann, so stellt sich heraus, dass dieser Prozess in den Sternen alleine nicht ausreicht, um die Heliumhäufigkeit im Universum von etwa 25% zu erklären.
Der Löwenanteil des Heliums im Universums musste also anders entstanden sein, und zwar, so wie Gamow und Alpher annahmen, im frühen Universum kurz nach dem Urknall.
Die gemessene Häufigkeit von Helium im Universum ist somit ein weiteres Indiz für den Beginn unserer Welt im Urknall.