Das Universum wird entweder mit einem großen Knall enden oder aber mit einem langgezogenen Wimmern – das war schon in den zwanziger Jahren klar, als Kosmologen Albert Einsteins Relativitätstheorie auf den Kosmos als Ganzes anwendeten. Die Experten sprechen von einem zeitlich offenen oder einem geschlossenen Universum. Entweder dehnt sich der Weltraum weiter aus bis in alle Ewigkeit, oder er hat genug Masse, um die Expansion zu stoppen und umzukehren. In diesem Fall wird das Universum immer kleiner, heißer und dichter, bis es sich in einem finalen Kollaps selbst verschlingt, mit dem in ungefähr 100 bis 200 Milliarden Jahren zu rechnen wäre.
Neue Erkenntnisse sprechen jedoch eindeutig für ein Universum, dessen Ausdehnung niemals aufhört. Die Zukunft ist offen – doch was wird geschehen? Welche Chancen, Herausforderungen und Gefahren birgt die Zukunft in einem ewigen Universum? Wie wird die Geschichte der Materie weitergehen, wenn unendlich viel Zeit zur Verfügung steht?
Inzwischen haben ein paar kühne Kosmologen gewagt, auf Grundlage der bekannten Naturgesetze Antworten auf diese Fragen zu suchen. Ein räumlich und zeitlich umfassenderes Thema ist nicht vorstellbar. Doch warum machen sich Menschen überhaupt Gedanken um Ereignisse, die sie selbst und ihre Nachkommen niemals erleben werden?
“Das ist wie mit der Frage, warum man den Mount Everest besteigen soll – weil das Problem existiert”, sagt Jamal N. Islam aus Bangladesh. An der University of Cambridge hatte er Mitte der siebziger Jahre als erster genauer über das Schicksal eines offenen Universums nachgedacht. “Es liegt in der Natur des Menschen, an die Grenzen des Wissens zu gehen, um sie zu erweitern. Das ferne Schicksal des Universums und der Zivilisationen ist nicht zuletzt deshalb spannend, weil es fundamentale Fragen in Physik, Astronomie und Biologie aufwirft. Und die Antworten darauf könnten zu wichtigen Fortschritten auf diesen Gebieten führen.”
“Islam und ich wollten, daß die Eschatologie, die Lehre vom Ende der Welt, zu einem respektablen wissenschaftlichen Forschungsgebiet wird und nicht bloß ein Zweig der Theologie ist”, sagt Freeman Dyson vom Institute for Advanced Study.
Dank der Pionierarbeit von Islam und Dyson, die weitere Forschungen angeregt hat, besitzen die Kosmologen mittlerweile ziemlich präzise Vorstellungen über das ferne Schicksal des Universums. Angesichts der gigantischen Zahlen, mit denen man in der Wissenschaft der Zukunft jonglieren muß, wird es dem Laien allerdings rasch schwindelig – und auch den Forschern selbst. Um den Überblick nicht zu verlieren, haben Fred C. Adams von der University of Michigan und Gregory Laughlin von der University of California in Berkeley in ihrer umfassenden Studie “Ein sterbendes Universum” kürzlich sechs kosmische Epochen unterschieden, mit denen sich die Entwicklung des Weltalls beschreiben läßt. Für jede Ära ist die gesamte Zeit davor lediglich ein Augenblick.
Das erste Kapitel der kosmischen Historie, die Epoche der Inflation, währte nur einen winzigen Augenblick – unvorstellbare 10-32 Sekunden. An ihrem Beginn ist unser Universum mit dem Urknall entstanden und hat sich sofort explosionsartig aufgebläht – daher der Name (das lateinische “inflatio” bedeutet “das Sichaufblasen”).
Darauf folgte die Epoche der Strahlung, die ungefähr 300000 Jahre dauerte. Licht und Materie standen damals in enger Wechselwirkung, so heiß und undurchdringlich war die Suppe der Elementarteilchen. In den ersten drei Minuten dieser Ära entstanden die leichten Atomkerne. Als die Temperatur aufgrund der weiteren Ausdehnung des Universums auf 3000 Grad gesunken war, vereinigten sich die Elektronen mit den Atomkernen zu Atomen. Jetzt erst bekam die Strahlung freie Bahn: Der Weltraum wurde durchsichtig.
Nun begann die Epoche der Sterne – unsere Epoche. Im Verlauf von vielen Millionen Jahren formten sich Strukturen aus dem einst fast gleichmäßig verteilten Urgas: Sterne, Galaxien sowie Haufen und Superhaufen von Galaxien. Sterne erbrüten über Kernfusionsprozesse in ihrem Inneren schwerere Elemente, explodieren und liefern so den Rohstoff für neue Sterne. Dank der schwereren Elemente konnten auch Planeten entstehen – und auf diesen Planeten schließlich Lebewesen wie wir, die über die Entwicklung des Universums nachdenken.
Für dieses Nachdenken ist die kompakte Zehnerpotenz-Schreibweise unerläßlich. Sie gibt die Anzahl der Nullen hinter der 1 an. 1010 ist beispielsweise 10000000000 = 10 Milliarden. In dieser Größenordnung liegt das heutige Alter des Universums. Die Zehnerpotenz-Schreibweise erlaubt es, leichthin mit Zeitspannen umzugehen, die sich jeder Veranschaulichung entziehen.
Massereiche Sterne gehen mit ihren Rohstoffen so verschwenderisch um, daß sie nur einige Millionen Jahre leuchten. Dann werden sie zu Roten Riesen und explodieren als Supernovae. Dabei sprengen sie ihre äußere Hülle ins All, während ihr Kern zu einem Neutronenstern oder einem Schwarzen Loch zusammenstürzt. Diese düsteren Sternruinen haben nur wenige Kilometer Durchmesser, aber eine enorme Dichte. Ein zuckerstückgroßer Würfel eines Neutronensterns wiegt über 100 Millionen Tonnen.
Das Ende eines relativ massearmen Sterns wie unsere Sonne ist weniger spektakulär. Er schrumpft nach seiner kurzen Phase als Roter Riese zu einem Weißen Zwerg, bei dem die Kernverschmelzungsprozesse aufhören.
Er ist nur etwa 10000 Kilometer groß und wird allmählich zu einem Schwarzen Zwerg, dessen Temperatur schließlich weit unter den Gefrierpunkt fällt. Je leichter ein Stern ist, desto höher ist seine Lebenserwartung. Doch selbst die häufigsten Sterne im Universum, unscheinbare Rote Zwerge mit Massen von nur einem Zehntel unserer Sonne, sind nach 1012 bis 1014 Jahren ausgebrannt. Laughlin hat berechnet, daß in etwa 1014 Jahren – das ist 10000mal mehr als das bisherige Alter des Alls – auch die galaktischen Gas- und Staubwolken aufgebraucht sind, der Rohstoff für die Entstehung neuer Sterne. Sternentstehung und Sternentwicklung kommen ungefähr zur selben Zeit zum Erliegen. Das ist das Ende der Sternen-Ära. Dann gehen im Universum buchstäblich die Lichter aus.
Jetzt beginnt die vierte Ära, die Epoche des Zerfalls. Die kosmischen Strukturen beginnen sich aufzulösen. Die Expansion des Weltraums treibt die supergalaktischen Haufen soweit auseinander, daß hypothetische Astronomen in dieser fernen Zukunft selbst mit den besten Teleskopen schließlich keine anderen Sterneninseln mehr beobachten könnten. Die Himmelskörper zerstreuen sich in der Finsternis. Je geringer die Dichte der Materie im Universum ist, desto mehr werden die Himmelskörper ermutigt, sich von ihren Nachbarn zu lösen und sich frei und unabhängig zu bewegen. Immer wieder kommt es zu nahen Begegnungen zwischen den Sternen in einer Galaxie. Die Folge ist ein Gravitationsschleuder-Effekt, der ein Gestirn aus seiner Galaxie hinauskatapultieren kann. In ferner Zukunft wird sich auf diese Weise die große Mehrheit toter Sterne, Planeten und Schwarzer Löcher im intergalaktischen Raum zerstreuen.
Knapp einem Zehntel der ausgebrannten Sterne steht aber ein noch gräßlicheres Schicksal bevor: Sie verschwinden völlig von der Bildfläche. Denn sie geraten in die Fänge der zentralen galaktischen Schwarzen Löcher und werden verschlungen. Im Lauf der Zeit können die gefräßigsten dieser Schwerkraftfallen auf Massen vom Zehnmilliardenfachen unserer Sonne und mehr anwachsen. Doch irgendwann sind auch sie von ihrer Umgebung isoliert und hören auf zu wachsen. Und selbst tote Doppelstern- und Planetensysteme, die in den traurigen Resten der Galaxien zufällig übriggeblieben sind, entkommen nur bis in etwa 1020 Jahren der Vernichtung. Denn nach Einsteins Relativitätstheorie strahlen Körper, die sich umkreisen, Gravitationswellen aus. Das heißt, ihre Bahnen schrumpfen allmählich. “Das raubt ihnen ihre Energie und führt zu einer langsamen Spirale des Todes, einer sich lange hinziehenden Orgie des Kannibalismus”, sagt Paul Davies von der University of Adelaide in Australien.
Die nächste Stufe der Auflösung in der Epoche des Zerfalls führt zum Untergang der Materie. Nicht einmal Diamanten sind für die Ewigkeit. Denn auf lange Sicht werden selbst Atomkerne instabil. Irgendwann zwischen 1033 und 1041 Jahren zerfallen die Protonen. So jedenfalls sagen es physikalische Theorien voraus, die die Naturkräfte in einer vereinheitlichten Form zu beschreiben versuchen. Das letzte Wort ist hierzu noch nicht gesprochen, und Experimente zur Überprüfung des Protonenzerfalls, die seit Jahren laufen, haben bislang noch keinen Nachweis erbracht, sondern nur eine Mindesthaltbarkeitsdauer (1,6 * 1033 Jahre – nach neuen Messungen des japanischen Superkamiokande-Detektors). Trotzdem sind viele Physiker davon überzeugt, daß sich die Protonen – ebenso wie die Neutronen – früher oder später in Positronen, Neutrinos, Pionen und Photonen umwandeln.
Die Energie, die dabei freigesetzt wird, ist verschwindend gering, und doch dominiert sie in dieser Epoche des Weltalls. “Aus der Masse eines Zwergsterns zieht der Protonenzerfall ungefähr 400 Watt”, erklärt Adams. “Diese Energie würde gerade einmal für ein paar Glühbirnen reichen.”
Vielleicht wird der Protonenzerfall aus unbekannten physikalischen Gründen unterdrückt. Doch auch das rettet die Materie nicht: Dann fallen die Bausteine der Atome vermutlich einem quantenmechanischen Tunneleffekt zum Opfer:
Irgendwann einmal kommen sich nämlich die Quarks, aus denen Protonen und Neutronen bestehen, so nahe, daß die Gravitation sie zu einem virtuellen Schwarzen Miniloch zusammendrückt, das sich sofort in Strahlung umwandelt.
Den gesamten 1048 Tonnen gewöhnlicher Materie, die wir zur Zeit im Universum beobachten können, ist es also vorherbestimmt, entweder durch langsamen nuklearen Zerfall oder in Schwarzen Löchern zu verschwinden.
Diese kosmischen Schwerkraftfallen beherrschen als einzig verbliebene makroskopische Körper die fünfte Ära, die Epoche der Schwarzen Löcher. Doch auch ihr Schicksal ist durch die Naturgesetze bereits besiegelt. Wie Stephen Hawking von der britischen University of Cambridge berechnet hat, strahlen Schwarze Löcher aufgrund quantenmechanischer Effekte Wärme ab und verlieren somit letztlich auch Masse, wenn ihre Umgebungstemperatur hinreichend niedrig ist. “Schwarze Löcher sind gar nicht so schwarz”, schreibt Hawking in seinem berühmten Buch “Eine kurze Geschichte der Zeit”, die in diesem Fall freilich nicht gar so kurz ist.
Die Zeiträume, in denen das geschieht, lassen sich nicht mehr veranschaulichen. Man kann sie lediglich berechnen und benennen: Stellare Schwarze Löcher zerstrahlen im Lauf von etwa 1066 Jahren, galaktische und supergalaktische brauchen 10100 Jahre und mehr. Sie werden immer heißer und explodieren schließlich in einem jähen, gleißenden Blitz aus Gammastrahlung – “ein flüchtiger Grabspruch für die einstige Existenz einer Milliarde strahlender Sonnen”, nennt es Davies.
In der letzten Ära, der Epoche der Finsternis, geschieht nicht mehr viel. Einige der übriggebliebenen Elektronen finden hin und wieder ein Positron, ihr Geschwisterteilchen aus Antimaterie, und zerstrahlen damit. Früher oder später ist ein fortwährend expandierendes Universum eine verlassene, bitterkalte und stockfinstere Arena. Die verbliebenen Elektronen, Positronen und Neutrinos haben alsbald Entfernungen voneinander, die größer sind als der Durchmesser des heute beobachtbaren Weltalls. Nur wenn das Proton entgegen der Auffassung der meisten Physiker doch stabil wäre, also keinem Zerfalls- oder Quantentunnelprozeß zum Opfer fiele, gäbe es im Universum noch einige weit verstreute Materiebrocken.
Doch selbst ihnen stünde keine unbeschadete Zukunft bevor. Winzige Bewegungen der Atome relativ zueinander führen nämlich dazu, daß sich die Materie über extrem lange Zeiträume hinweg wie eine zähe Flüssigkeit verhält: Sie wird kugelförmig. Nach einer Überschlagsrechnung von Freeman Dyson dauert es etwa 1065 Jahre, bis auch das härteste Material seine Gestalt verändert hat. Selbst kunstvoll geschliffene Diamanten werden zu Perlen.
Außerdem können sich die Atome irgendwann so nahe kommen, daß sie miteinander verschmelzen. Diese kalte Kernfusion dauert atemberaubend lange. Aber nach vielleicht 101500 Jahren hat sich, so schätzt Dyson, die gesamte Materie in die stabilsten aller Atomkerne verwandelt: in Eisen.
Doch nicht einmal diese Eisenkugeln wären für die Ewigkeit. In 101026 Jahren kollabieren sie zu Schwarzen Löchern, die sich dann wiederum in Hawking-Strahlung auflösen. Jetzt haben freilich sogar die Zahlen astronomische Ausmaße erreicht. Ausgedruckt wäre die Zahl 101026 nämlich 20 Millionen Lichtjahre lang. Würde sie in bild der wissenschaft gedruckt werden, reichte der Heftstapel gut 40 Lichtjahre ins All – bis zur Wega.
Auch wenn manche Details des kosmischen Dramas noch spekulativ sind, steht eines fest: Die Zukunft wird düster. Nur noch einige Photonen, Neutrinos und ein paar andereElementarteilchen treiben still und auf Ewigkeit voneinander isoliert durch die endlosen Räume der Finsternis. Doch so langweilig und schwarz uns diese Zukunft auch erscheinen mag, die Zeit wird nicht stehenbleiben.
“Der Begriff der Zeit verliert einen Teil seiner Bedeutung, wenn man ihn auf diese fernen Stadien des Universums anwendet”, sagt Jamal Isalm. “Die einzige Art und Weise, in der sich die Zeit dann noch zeigt, wird vielleicht in der abnehmenden Dichte und Temperatur der kosmischen Hintergrundstrahlung bestehen, die sich dem absoluten Nullpunkt nähert, minus 273,15 Grad Celsius, ihn aber niemals ganz erreichen kann.” Und er fügt hinzu: “Selbst die spekulativsten Lebensformen werden vielleicht in unsere Zeit zurückblicken und auf die Erde als eine ideale Welt voller Sonnenschein und Energie für Jahrmilliarden, eine Traumwelt, die vorbei ist und niemals wiederkehrt.”
Der Kosmologe Edward R. Harrison von der University of Massachusetts in Amherst wählt eine Metapher: “Abgesehen von dem ursprünglichen Glanz des Urknalls und einer darauffolgenden galaktischen Ära, die wenige zehn Milliarden Jahre andauert, ist das Universum ein ewig währendes Wimmern dunkler Verzweiflung.”
Dieses Wimmern im Ozean der Leere wird immer leiser, aber niemals verstummen. Für Freeman Dyson, der wohl weiter in die Physik des Schicksals vorgedrungen ist als jeder andere Mensch vor ihm, ist das kein Grund für Sentimentalitäten. “Die Gesetze der Physik sagen keine letzte Stille voraus, sondern zeigen uns, daß immer etwas geschehen wird, daß physikalische Vorgänge nicht aufhören, so weit wir auch immer in die Zukunft denken.”
Fahrplan in die Ewigkeit Epoche der Inflation Entstehung unseres Universums mit dem Urknall, rasante Expansion (Inflation), Entstehung der Elementarteilchen. 0 (die ersten 10-32 Sekunden) Epoche der Strahlung Aufspaltung der Naturkräfte, weitgehende Materie-Antimaterie-Vernichtung, Entstehung der leichten Elemente. 0 (die ersten drei Minuten)
Abkopplung der Strahlung von der Materie, das Universum wird durchsichtig. 300000
Epoche der Sterne Bildung der ersten Sterne und Galaxien, 108 bis 109
Entstehung der schwereren Elemente.Entstehung von Planeten und Leben. 109 bis 1010
Gegenwart
1,4 * 1010
Verstärkte Sonnenstrahlung, Erde wird unbewohnbar. 1,5 * 1010
Milchstraße kollidiert mit dem Andromeda-Nebel. 2,0 * 1010
Sonne bläht sich zum Roten Riesen auf und verschlingt Merkur und Venus. Kruste und Mantel der Erde schmelzen, übrig bleibt ihr nackter Eisen-Nickel-Kern. Dann schrumpft die Sonne zum Weißen Zwerg, der allmählich erkaltet. 2,1 * 1010
Galaxien von Galaxiengruppen und -haufen verschmelzen zu Supergalaxien. 1011 bis 1012
Letzte Sterne (Rote Zwerge) erlöschen übrig bleiben Neutronensterne und Schwarze Löcher sowie Weiße Zwerge, die zu Schwarzen Zwergen abkühlen. 1013 bis 1014
Galaktische Gas- und Staubwolken für Sternentstehung sind verbraucht. 1014
Epoche des Zerfalls Tote Sterne verlieren ihre Planeten durch vorbeiziehende Nachbarsterne. 1015 bis 1017
Neue Sternentstehung durch zufällige Kollision von Braunen Zwergsternen. Die ganze Milchstraße leuchtet nur noch so hell wie unsere Sonne heute. 1016
Auflösung der Galaxien, fast alle Sterne verteilen sich im intergalaktischen Raum. 1018 bis 1019 Letzte Planeten stürzen in ihre toten Muttersterne. 1020
WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles) im galaktischen Halo zerstrahlen. Sie gehören zur mysteriösen Dunklen Materie, die die Hauptmasse des Universums bildet. 1022
Braune Zwerge in Doppelsystemen verschmelzen, nochmals Sternentstehung. 1023
Schwarze Zwerge fangen restliche WIMPs aus dem galaktischen Halo ein und behalten damit vorübergehend eine Temperatur von minus 209 Grad Celsius. 1025
Temperatur der Hintergrundstrahlung fällt unter 10-18 Grad über dem absoluten Nullpunkt. 1027
Zentrale galaktische Schwarze Löcher haben alle Sterne in ihrer weiteren Umgebung verschlungen. 1033
Zerfall der Axionen, einem weiteren Bestandteil der Dunklen Materie. 1032 bis 1047
Protonenzerfall, Auflösung der Atome (noch nicht bewiesen). 1033 bis 1041
Die Wellenlänge der Photonen der Hintergrundstrahlung beträgt 10 Milliarden Lichtjahre. 1040
Ohne Protonenzerfall: Protonen kollabieren durch einen quantenmechanischen Tunneleffekt. 1046 bis 10200
Epoche der Schwarzen Löcher Falls das Proton stabil ist: Die restliche Materie schmilzt zu Kugeln. 1065
Stellare Schwarze Löcher verdampfen. 1066
Bildung von Positronium (weiträumige Elektron-Positron-Paare). 1071
Supermassive Schwarze Löcher – die Kerne einstiger Galaxien – verdampfen. 10100 bis 10117
Epoche der Finsternis Falls das Proton stabil ist: Kernmaterie wandelt sich in Eisenkugeln um. 101500
Eisenkugeln kollabieren zu Schwarzen Löchern, die allmählich verdampfen… 101026
…oder Eisenkugeln kollabieren zu Neutronensternen. 101076
Rüdiger Vaas
