Das goldene Zeitalter der Astronomie hat erst begonnen. Denn obwohl die Astronomen viele der großen Fragen, über die sie sich noch vor einem Jahrzehnt den Kopf zerbrachen, inzwischen beantworten können, wissen sie heute kurioserweise auch, dass sie mehr als 95 Prozent des Universums noch gar nicht kennen.
„Wichtig ist, dass man niemals aufhört zu fragen”, war Albert Einstein überzeugt. Und der Einfallsreichtum der Astronomen kennt keine Grenzen, wenn sie nach Antworten auf ihre kosmischen Fragen suchen – sogar über den Rand des beobachtbaren Universums hinaus.
Erst vor wenigen Wochen sorgten die neuen Messungen des NASA-Satelliten WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) für Aufmerksamkeit. Seine nun dreijährige hochpräzise Kartierung der Kosmischen Hintergrundstrahlung – des Nachleuchtens des heißen, jungen Universums nach dem Urknall – hat die kosmischen Kennziffern genauer gemessen, als es in der über 5000-jährigen Geschichte der Astronomie jemals möglich war. Die Daten haben gezeigt, dass der Weltraum viel größer ist, als wir ihn aufgrund der Endlichkeit der Lichtgeschwindigkeit durchschauen können – womöglich sogar unendlich groß. Diese räumliche Unbegrenztheit droht die Grenzen des menschlichen Vorstellungsvermögens zu sprengen. Doch die Erkundung des Weltalls ist noch lange nicht an ihre Grenzen gekommen. Im Gegenteil: So rasante Fortschritte wie heute machte die Astrophysik noch nie.
Vor neun Jahren, im September 1997, hatte bild der wissenschaft schon einmal die großen Themen der Astronomie auf dem Titel. Vier der sechs damals ausgewählten Geheimnisse, also zwei Drittel, sind inzwischen im Wesentlichen gelöst.
• Supermassereiche Schwarze Löcher: Diese gewaltigsten Materiekonzentrationen der Welt, die teilweise mehr Masse haben als eine Milliarde Sonnen zusammen, gibt es im Mittelpunkt fast aller Galaxien, auch der Milchstraße. Sie haben sich anscheinend sehr rasch durch die Ansammlung großer Urgas-Mengen gebildet. Auch wenn zahlreiche Details ihres Wachstumsprozesses noch unklar sind, haben ihn die Astrophysiker durch Berechnungen, Computersimulationen und viele neue Beobachtungen inzwischen im Wesentlichen verstanden (bdw 12/2004, „Im Schlund der Raumzeit” ).
• Quasare: Es gibt kaum noch Zweifel, dass diese Milliarden Lichtjahre entfernten Energiemonster die Zentren junger Galaxien sind, wo gewaltige Massen an Gas und Staub, zuweilen sogar ganze Sterne, von einem supermassereichen Schwarzen Loch verschlungen werden. Auch andere extreme kosmische Objekte – etwa Blazare und Radiogalaxien – lassen sich so erklären. Die Unterschiede beruhen nur auf dem unterschiedlichen Blickwinkel: Bei Blazaren sehen wir direkt in die Energiequelle, bei Quasaren schräg auf den sie umgebenden Gürtel aus Gas und Staub, und bei Radiogalaxien von der Seite auf diesen Gürtel (bdw 10/2001, „Ordnung im extragalaktischen Zoo”).
• Gammastrahlen-Ausbrüche: Diese stärksten aller Explosionen im All machen sich als kurze Blitze im energiereichen Gammastrahlen-Bereich des elektromagnetischen Spektrums bemerkbar, später oft auch in einem Nachleuchten im optischen und im Röntgenbereich (bdw 8/2001, „Kosmische Knaller”). Sie gehen auf zwei verschiedene Prozesse zurück: Die kurzen Ausbrüche, die nur Bruchteile von Sekunden aufscheinen, entstehen demnach bei der Kollision und Verschmelzung von zwei ausgebrannten Sternleichen – Neutronensternen oder Schwarzen Löchern. Die etwas länger – mindestens eine Sekunde – dauernden Ausbrüche sind dagegen Hypernovae, bei denen sehr massereiche Sterne zerrissen werden. Das erschien aufgrund der gemessenen extremen Energien physikalisch zunächst unmöglich. Doch wenn diese „ Kernfusionsbomben” nicht kugelsymmetrisch, sondern bipolar explodieren, also entlang ihrer Rotationsachse zwei Strahlen- und Materiekegel („Jets”) bilden, und wir direkt in einen davon blicken, dann ist die Gesamtenergie der Explosion niedriger als ursprünglich gedacht und mit den bekannten Gesetzen der Physik und Sternentwicklung verträglich. Bleibt die Frage, was eine Hypernova von einer gewöhnlichen Supernova unterscheidet. Vermutlich sind es die physikalischen Randbedingungen, insbesondere eine rasche Rotation. „Nur ein kleiner Teil der Sternexplosionen gehört zu solchen Hypernovae”, schätzt Alexander Heger von der University of California in Santa Cruz. „Rasch rotierende Sterne ab 20 oder 30 Sonnenmassen genügen. Wie die Jets entstehen – vielleicht in der Akkretionsscheibe um das entstehende Schwarze Loch oder in Magnetfeldern um Neutronensterne – ist noch weitgehend unklar, aber es gibt zahlreiche Modelle.”
• Sonnenneutrinos: Jahrzehntelang haben Physiker weniger der geisterhaften Elementarteilchen, die bei den Kernverschmelzungsprozessen im Sonnenzentrum entstehen, gemessen, als es die Modelle der Sonnenphysik vorhersagten. Inzwischen ist klar, dass diese Modelle richtig sind. Doch eine Grundannahme über die „Geisterteilchen” war falsch: Neutrinos sind nicht masselos, wie lange gedacht, sondern haben eine geringe Ruhemasse und können sich deshalb ineinander umwandeln (bdw 7/2003, „ Swinging Neutrinos”). Da die ersten Neutrino-Detektoren nur für eine der drei Neutrino-Sorten empfindlich waren, die Elektron-Neutrinos, sind ihnen die Myon- und Tau-Neutrinos systematisch entgangen. Inzwischen wurden diese anderen Sorten und ihre Umwandlung ineinander aber gemessen – sowohl bei Neutrinos von der Sonne als auch bei solchen, die in der Erdatmosphäre und in Kernkraftwerken entstehen. Nur die exakten Massen der fast lichtschnellen Partikel sind noch unbekannt – aber sie müssen sehr gering sein. Übrigens erhielten zwei Sonnenneutrino-Forscher, Raymond Davis und Masatoshi Koshiba, 2002 den Physik-Nobelpreis.
Zwei der bdw-Rätsel von 1997 sind allerdings nach wie vor völlig ungelöst:
• Gibt es Leben auf anderen Planeten? Inzwischen haben Astronomen über 180 Trabanten bei anderen sonnenähnlichen Sternen entdeckt (bdw 4/2006, „Exotische Welten”), darunter im Januar vielleicht sogar den ersten, der kein jupiterähnlicher Gasriese ist, sondern eine feste, wenn auch eiskalte Oberfläche haben könnte. Lebensfreundliche Welten sind allerdings noch immer unbekannt – was nicht verwundert, da die Messmethoden dafür bislang nicht ausreichen. Doch neue Beobachtungstechniken und besonders die geplanten Weltraum-Teleskope dürften in den nächsten 10 bis 20 Jahren erdgroße Planeten im All aufspüren – und zwar nicht nur indirekt, sondern sogar fotografisch. Derweil haben Abschätzungen von Siegfried Franck und seinen Mitarbeitern an der Universität Potsdam immerhin ergeben, dass allein in der Milchstraße mit 40 Millionen erdähnlichen Planeten zu rechnen ist, die primitives Leben tragen könnten. Es wäre mit den geplanten Weltraumteleskopen nachweisbar: Sauerstoff – oder sein Reaktionsprodukt Ozon – in einer Planetenatmosphäre würde auf Photosynthese-Prozesse hinweisen wie bei Bakterien, Algen und Pflanzen auf der Erde. Die Frage nach der Existenz von außerirdischen Intelligenzen, womöglich mit einer viel höher entwickelten Technologie als der unseren, ist freilich ein anderes Thema und reicht weit über das Gebiet der Astrophysik hinaus. Bislang kann man darüber nur spekulieren – doch es laufen zurzeit großangelegte Suchprojekte, die alle früheren an Empfindlichkeit und Raffinesse gewaltig übertreffen (bdw 2/2002, „ Außerirdische”). Aber nicht nur die Wahrscheinlichkeiten und die Potenziale der biologischen und sozialen Evolution anderswo im All sind rätselhaft – die Astronomen mussten mit der Entdeckung der vielen anderen Planeten im All auch zähneknirschend erkennen, dass sie noch nicht einmal die Entstehung der Sonnensysteme ausreichend verstehen. (Mehr darüber im Beitrag „Wie bilden sich Planeten?”.)
• Woraus besteht die Dunkle Materie? Zahlreiche unabhängige Indizien weisen darauf hin, dass die im elektromagnetischen Spektrum nachweisbare Materie nur einen Bruchteil der Gesamtmasse des Alls ausmacht. Die ominöse fehlende Masse, Dunkle Materie genannt, macht sich aber indirekt bemerkbar – beispielsweise durch die Rotation der Galaxien, durch die Bewegung der Galaxienhaufen und des intergalaktischen Gases, durch die Lichtablenkung ferner Galaxien im Schwerefeld von Vordergrundgalaxien und durch die Entwicklung der großräumigen Strukturen im All. Die Dunkle Materie besteht wahrscheinlich aus noch unbekannten Elementarteilchen, die nicht elektromagnetisch wechselwirken und daher auch nicht sichtbar sind. Zwar gibt es zahlreiche Kandidaten im Rahmen der physikalischen Hypothesen von Supersymmetrie und einer Vereinheitlichung der Naturkräfte, aber noch keine empirischen Hinweise. Seit einigen Jahren sind weltweit verschiedene Experimente im Einsatz, um die Dunkle Materie aufzuspüren, die den meisten Experten zufolge auch um die Erde herumschwirren muss. Wer das Rätsel der Geisterteilchen löst, wird sicherlich bald in die Riege der Physik-Nobelpreisträger aufsteigen.
inzwischen ist es noch finsterer geworden bei der Inventur unseres Universums. Kosmologen haben Hinweise auf eine rätselhafte Dunkle Energie gefunden. Das ist das Ergebnis von mehreren unabhängigen Beobachtungsmethoden, vor allem von Messungen ferner Sternexplosionen – Supernovae vom Typ Ia, die alle ungefähr dieselbe Helligkeit haben –, Eigenschaften der großräumigen Verteilung der Galaxien, der Kosmischen Hintergrundstrahlung und so weiter. Auch die jüngsten Daten von WMAP sprechen für eine solche Dunkle Energie.
Die große Überraschung der letzten Jahre war also, dass die gewöhnliche Materie, aus der die sichtbare Welt besteht, nur etwa 4 Prozent der Gesamtenergiedichte des Universums ausmacht. Die rätselhafte Dunkle Materie liefert weitere 22 Prozent. Der Hauptanteil der Gesamtenergiedichte, rund 74 Prozent, entfällt auf die noch mysteriösere Dunkle Energie.
Vergleicht man unser Universum mit einem Cappuccino, dann steht der Kaffee für die Dunkle Energie und die aufgeschäumte Milch für die Dunkle Materie – über beide wissen wir noch fast nichts. Die gewöhnliche Materie aus Protonen, Neutronen, Elektronen und so weiter, aus der wir selbst aufgebaut sind, entspricht dem Schokoladenpulver. Das also ist die ironische Erfolgsgeschichte der modernen Kosmologie: Jetzt wissen wir, was wir nicht wissen – und das ist über 95 Prozent dessen, woraus unser Universum besteht.
Viele fundamentale Fragen sind noch offen, obwohl – oder gerade weil – mehr Wissenschaftler mehr Erkenntnisse sammeln als jemals zuvor und wir im Goldenen Zeitalter der Astronomie leben, wie die französische Astronomin Catherine Cesarsky, die Generaldirektorin der Europäischen Südsternwarte, auf der Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft letztes Jahr in Berlin sagte. Das lässt spannende Jahre erwarten – und gibt ausreichend Nahrung für die menschliche Neugier. Oder wie Albert Einstein betonte: „Man kann nur mit Staunen die Geheimnisse der Ewigkeit, des Lebens, der wunderbaren Wirklichkeit betrachten. Es genügt, wenn man versucht, jeden Tag etwas von diesem Geheimnis zu verstehen. Man muss sich eine heilige Neugier bewahren.” Rüdiger Vaas ■
Ohne Titel
• Vier der sechs großen Rätsel, die bild der wissenschaft im September 1997 vorgestellt hatte, sind im Wesentlichen gelöst.
• Doch die Forscher stehen vor neuen großen Fragen. Manche ergaben sich völlig überraschend – wie die nach der Dunklen Energie –, andere entwickelten sich in Gebieten, die bereits als gut verstanden galten – wie die Entstehung von Sternen und Planeten.
COMMUNITY Lesen
bild der wissenschaft hat in den letzten Jahren regelmäßig über die brennenden aktuellen Fragen der Astronomie informiert.
Urknall und Quantengravitation:
bdw 12/2001, 5/2002, 12/2003, 4/2004, 10/2004, 5/2005
Planeten bei anderen Sternen:
bdw 5/2000, 4/2006
Erste Sterne:
bdw 6/1998, 10/2003, 12/2004
Kosmische Strahlung:
bdw 12/1998, 2/2006
Dunkle Energie:
bdw 6/1999, 7/2001, 4/2002, 8/2003
WMAP und die Kosmische Hintergrundstrahlung:
bdw 6/2001, 8/2003, 10/2003
Der aktuellste deutschsprachige Überblick zur Astrophysik, von der Milchstraße bis zu den Galaxiensuperhaufen, exzellent dargestellt von einem Experten:
Peter Schneider
EINFÜHRUNG IN DIE EXTRAGALAKTISCHE ASTRONOMIE UND KOSMOLOGIE
Springer, Heidelberg 2006 € 59,95
Der gegenwärtige Forschungsstand der Exoplaneten:
WO PLANETEN ENTSTEHEN
Sterne und Weltraum 2/2006
Prächtiger Bildband über die Schönheiten des Weltraums, mit vielen neuen Aufnahmen:
Mark Emmerich, Sven Melchert
FASZINATION UNIVeRSUM
Franckh-Kosmos Stuttgart 2006, € 29,90
Die Suche nach einer Weltformel und der Erklärung des Urknalls sowie der Schwarzen Löcher und der Möglichkeit von Zeitreisen und Überlichtgeschwindigkeit, dargestellt von bdw- Astronomie-Redakteur
Rüdiger Vaas
TUNNEL DURCH RAUM UND ZEIT
Franckh-Kosmos, Stuttgart 2. aktual. Aufl. 2006, € 16,95
Internet
Abhay Ashtekars Forschungen zur Quantengeometrie:
www.gravity.psu.edu/people/Ashtekar/ articles.html
Alexander Hegers Forschungen zu den ersten Sternen:
www.ucolick.org/~alex/
Wilhelm Kleys Forschungen zur Planetenentstehung:
www.tat.physik.uni- tuebingen.de/~kley/
Auger-Observatorium und Kosmische Strahlung:
www.auger.org
Subir Sarkars Homepage:
www-thphys.physics.ox. ac.uk/user/SubirSarkar/
