Sternexplosionen in fernen Galaxien dürften frischen Zündstoff liefern für die Diskussion um Urknall oder ewig gleiches All. Was die Forscher jetzt gefunden haben, ist eine starke Dehnung der für bestimmte Supernovae typischen Kurve der Helligkeitsentwicklung. Neben der Hintergrundstrahlung hat die Theorie vom Urknall nun ein zweites solides Standbein.
Der Streit um die Expansion des Alls begann vor genau 80 Jahren, als Albert Einstein versuchte, seine noch taufrische Allgemeine Relativitätstheorie auf den Kosmos als Ganzes anzuwenden. Er erlebte eine böse Überraschung: Seine Gleichungen lieferten ihm stets ein in sich zusammenstürzendes Universum.
Verzweifelt führte er eine neue Größe als Gegengewicht zur übermächtigen Gravitation in seine Theorie ein: die “Kosmologische Konstante”. Sie sollte den Kosmos stabilisieren, doch wenige Jahre später zeigte sich, daß unser Universum keineswegs stationär ist, sondern sich beständig ausdehnt. Eine solche Expansion ließ sich viel einfacher, lediglich durch einen Vorzeichenwechsel, aus den Einsteinschen Gleichungen hervorzaubern.
Es war nicht der berühmte Edwin P. Hubble, der die Expansion des Alls entdeckte – wie oft behauptet wird. Bereits 1923, sechs Jahre vor Hubbles Veröffentlichung, stieß Vesto Slipher, Beobachter am Lowell Observatory in Arizona, auf den Befund, daß sich fast alle Spiralgalaxien von uns fortbewegen.
Die Astronomen mochten jedoch nicht glauben, daß wir uns an einem besonderen Ort befinden, gleichsam im Mittelpunkt des Universums, von dem alles fortstrebt. Der deutsche Astronom Carl Wirtz vermutete deshalb, es seien nicht die Galaxien, die sich bewegen, sondern der Raum selbst dehne sich aus. Im Jahre 1928 zeigte schließlich der Kosmologe Howard Robertson auf der Grundlage von Sliphers Messungen und genauen Entfernungsbestimmungen von Hubble, daß die Rotverschiebung gleichmäßig mit der Entfernung zunimmt – genau wie bei einer Expansion des Raumes zu erwarten.
Hubble untermauerte dies ein Jahr später mit weiteren Messungen – und erntete die Lorbeeren: “Hubblesches Gesetz” heißt der Zusammenhang zwischen Entfernung und Rotverschiebung heute. Robertsons Fehler war es gewesen, seine Ergebnisse in einer physikalischen Fachzeitschrift zu publizieren und nicht, wie Hubble, in einer astronomischen. Seine Bestätigung erfuhr das neue dynamische Bild des Kosmos 1965 durch die Entdeckung der aus allen Richtungen kommenden Drei-Grad-Hintergrundstrahlung, die den Amerikanern Arno A. Penzias und Robert W. Wilson den Physik-Nobelpreis einbrachte.
Wenn das Weltall expandiert, muß es vor langer Zeit in einem ultradichten, extrem heißen “Urknall” entstanden sein. Die heiße Strahlung dieses Urknalls muß noch heute den Kosmos erfüllen, allerdings durch die Ausdehnung des Raumes auf ganze drei Grad über dem absoluten Nullpunkt abgekühlt sein.
Doch nicht alle Astrophysiker sind von der Expansion des Raumes und seiner Entstehung in einem Urknall überzeugt. Das Licht könnte, so eine alternative These, auf seinem Jahrmillionen dauernden Weg zu uns durch noch unbekannte Prozesse “ermüden”, also Energie verlieren, und dadurch langwelliger werden, was einer Rotverschiebung entspräche. Und wie erklärt sich dann die Hintergrundstrahlung?
Sie ist nicht der einzige Kronzeuge des Urknalls. Jetzt gelang es zwei internationalen Forschergruppen, die Expansion des Weltalls neu und elegant zu beweisen. Die beiden Teams – eines unter der Leitung von Bruno Leibundgut von der Europäischen Südsternwarte ESO und eines um Gerson Goldhaber und Saul Perlmutter von der Kalifornischen Universität in Berkeley – benutzten für ihre Untersuchung die Lichtkurven von Supernovae in fernen Galaxien.
Supernovae des “Typs Ia” verhalten sich sehr einheitlich. Nach der Explosion des Sterns nimmt die Helligkeit zwei Wochen lang rasch zu, um dann über Monate hinweg langsam abzufallen. Die maximale Helligkeit und die Zeitdauer bis zum Maximum sind bei allen Supernovae dieses Typs etwa gleich – deshalb eignen sich ihre Lichtkurven als kosmologische “Meßlatten”.
Bruno Leibundgut und seine Kollegen beobachteten die Supernova 1995 K, die eine Rotverschiebung von 0,48 aufweist, was eine Verlängerung der Wellenlängen um den Faktor 1,48 bedeutet. Im Astrophysical Journal vom 20. Juli 1996 berichten sie: “1995 K ist die langsamste Supernova des Typs Ia, die jemals beobachtet wurde. Wir schreiben das nicht den Eigenschaften der Supernova zu, sondern der Zeitdilatation”, also der Streckung der Lichtkurve durch die Expansion des Raumes.
Goldhaber und seine Mitbeobachter bestätigten dieses Resultat nun durch die Messung der Lichtkurven von sieben Supernovae mit Rotverschiebungen zwischen 0,35 und 0,46. Es dauert bei den entfernten Supernovae bis zur Erreichung des Maximums länger als bei nahegelegenen, überdies stimmt das Streckungsverhältnis von Lichtkurve und Wellenlängen – also vom Lebensrhythmus der Supernova und der Farbe ihres Lichts – genau überein.
Oft wird die Rotverschiebung der Galaxien auch heute noch – sowohl in populärwissenschaftlichen Darstellungen als auch in Fachpublikationen – fälschlich als Doppler-Effekt bezeichnet. Tatsächlich handelt es sich jedoch um etwas anderes: Das Licht nimmt, während es sich von der fernen Strahlungsquelle auf uns zubewegt, an der Expansion des Weltalls teil (siehe “Rotverschiebung und Entfernung”, bild der wissenschaft 10/1996, Seite 72).
Das ist keine Haarspalterei, wie der amerikanische Kosmologe Edward R. Harrison anhand eines Beispiels zeigte: Man stelle sich einen Kosmos vor, der zunächst, während der Aussendung des Lichts durch die Supernova, stationär ist. Während das Licht auf seiner weiten Reise zu uns ist, expandiere das Universum, gehe aber vor Ankunft der Strahlung auf der Erde wieder in eine stationäre Phase über.
Da sich Strahlungsquelle und Beobachter also bei Aussendung und Empfang des Lichts in Ruhe befinden, sollte kein Doppler-Effekt beobachtbar sein. Tatsächlich würde man jedoch eine kosmologische Rotverschiebung durch die Expansion des Raumes während der Lichtausbreitung sehen.
Ebenso wie die Wellenlängen der Spektrallinien ist auch die ganze Lichtkurve der Supernova betroffen. Während sich die Photonen durch das All bewegen, vergrößert sich der Abstand zwischen ihnen durch die permanente Ausdehnung des Kosmos.
Die Lichtkurve verlängert sich nicht, wie mitunter zu lesen ist, weil der letzte Schimmer der Supernovae etwa einen längeren Weg zurückzulegen hätte, also wegen der seit der Explosion erfolgten Expansion. Dieser Effekt trägt nur einen winzigen, nicht meßbaren Bruchteil (rund 10-8) zu dem Phänomen bei. Auch das läßt sich leicht am Harrison-Modell nachvollziehen: Dort legen die Signale von Anfang und Ende der Lichtkurve exakt den gleichen Weg zurück – und trotzdem wird die Lichtkurve gestreckt.
Die Ursache für die Dehnung der Lichtkurve ist also, wie bei der Rotverschiebung, die Expansion des Raumes – deshalb sind auch die Streckungsfaktoren identisch. Würde das Licht auf dem Weg zu uns “ermüden”, gäbe es also keine Expansion, würden die Lichtkurven ferner Supernovae sich in ihrem zeitlichen Verlauf nicht von denen der nahen Supernovae unterscheiden.
Rainer Kayser
