Das gesamte beobachtbare Weltall stammt aus einem winzigen, enorm dichten und heißen Bereich, der sich gewaltig vergrößert hat. – Die folgende kurze Einführung in die moderne Kosmologie erklärt den Hintergrund der aktuellen Forschungen.
Ein Luftballon in der Tasche ist immer nützlich – besonders dann, wenn es darum geht, schwierige Fragen der Kosmologie zu veranschaulichen. Mario Livio hat deshalb oft einen bei sich. Und wer genau hinschaut, sieht kleine Punkte auf der Gummihaut. Die hat der Leiter der Wissenschaftsabteilung des Weltraumteleskop-Instituts in Baltimore, Maryland, eigenhändig aufgemalt. Doch bevor er den Luftballon zum Vergnügen seines Publikums aufbläst, stellt er gerne noch eine der berüchtigten „ einfachen” Fragen: Warum ist es nachts dunkel? Die Antwort, dass die Sonne hinter dem Horizont steht und somit diesen nächtlichen Teil der Erdoberfläche nicht beleuchten kann, ist unzureichend. Denn wenn, wie viele Wissenschaftler und Philosophen lange angenommen haben, das Universum ewig und unendlich wäre und es überall Sterne gäbe, müssten diese gleichsam an jeder Stelle am Himmel zu sehen sein. Dann wäre der aber überall so gleißend hell wie die Sonne – wir könnten vor lauter Sternen die Sterne nicht mehr sehen. Livio versucht, diese verblüffende Schlussfolgerung zu veranschaulichen: „Stellen wir uns vor, wir stünden mitten in einem Wald, dessen Baumstämme allesamt weiß angestrichen wurden. Wenn der Wald nicht sehr groß ist, kann man vielleicht in einigen Richtungen durch die Lücken zwischen den Baumstämmen einen Blick auf die Dinge erhaschen, die außerhalb des Waldes sind. Wenn der Wald jedoch sehr viel ausgedehnter ist, erscheint er gleichförmig weiß. In welche Richtung man auch schaut, immer trifft der Sehstrahl auf einen Baumstamm.” Man sieht gewissermaßen vor lauter Wald die Bäume nicht mehr. Da dieser Effekt unabhängig von der Distanz ist, spielt es keine Rolle, dass Sterne unvorstellbar weit entfernt sind, viel weiter als Bäume. Auch können die vielen beobachtbaren Staubwolken im Weltraum nicht für die Dunkelheit des Nachthimmels verantwortlich sein, indem sie das Licht der Sterne dahinter verschlucken. Denn in einem ewigen Universum wäre genügend Zeit dafür, dass das Licht die Wolken aufheizt und diese somit selbst zu leuchten beginnen. Für unsere allnächtliche Erfahrung muss es also einen anderen Grund geben. Tatsächlich verrät die Dunkelheit des Nachthimmels einiges über die Natur des Universums und spielt eine große Rolle für die wissenschaftliche Kosmologie. Ihr Ziel ist, die Beschaffenheit, Entstehung und Entwicklung des Kosmos zu beschreiben. Bis zur Dunkelheit der Nacht ist dies eine lange Geschichte. Astronomen erkannten, dass das Universum in allen Richtungen ungefähr gleich aussieht. Überall gibt es Galaxien, die Haufen und Superhaufen bilden. Fast alle entfernen sich von der Milchstraße. Diese ist aber nicht das Zentrum einer ungeheueren Explosion, sondern von jeder anderen Galaxie aus wäre derselbe Effekt zu beobachten. Das ist die Folge eines Zuwachses an Raum zwischen den Galaxienhaufen (in ihnen verhindert jedoch die Schwerkraft der Massen die Ausdehnung). Der Weltraum ist also nicht statisch, sondern er dehnt sich aus als würde ein Maßband auseinander gezogen. Um diese kosmische Expansion zu veranschaulichen, benutzt Mario Livio seinen Luftballon. Die zweidimensionale Oberfläche der Gummihaut steht dabei für den dreidimensionalen Weltraum, und die aufgemalten Punkte sind die Galaxienhaufen. Verschmitzt bläst Livio Luft in den Ballon. Der beginnt sich auszudehnen. Alle Punkte entfernen sich dabei immer weiter voneinander. Jeder Beobachter in einem solchen Punkt käme sich als Zentrum der Expansion vor. Doch dies ist eine optische Täuschung, denn die Ausdehnung erfolgt überall. „Es gibt keinen Mittelpunkt auf der Oberfläche des Ballons”, sagt Livio. „Sie hat auch keinen Rand. Wenn wir zweidimensionale Lebewesen wären, die auf ihr lebten, würden wir doch nie an ein Ende kommen.” Analog verhält es sich auch mit unserem Weltraum. Doch dieser Vergleich hinkt: Das All hat keinen Mittelpunkt „ außerhalb” von sich wie die Ballonhülle. Und es dehnt sich auch nicht in einen anderen Raum hinein aus, sondern wächst gleichsam „ innerlich”. Bevor die Flucht der Galaxien beobachtet wurde, ist die Ausdehnung des Alls schon mit der Allgemeinen Relativitätstheorie vorausgesagt worden. Sie beschreibt, wie Raum, Zeit, Materie und Energie zusammenhängen und ist der theoretische Rahmen für das Verständnis der Entwicklung des Universums als Ganzes. Rechnet man die Ausdehnung des Weltraums zurück, kommt man unweigerlich zu einem Zustand, wo Materiedichte und Temperatur gegen unendlich streben: die Singularität. Es scheint, als entstamme alles – Raum, Zeit, Materie und Energie – einer geheimnisvollen Explosion, dem Urknall (Big Bang). Er muss mindestens 13 Milliarden Jahre zurückliegen. Nach der Urknall-Theorie muss das Universum sich also aus einem einfachen heißen Zustand im Lauf von Jahrmilliarden entwickelt haben. Weil das Licht nicht unendlich schnell ist, sondern Zeit braucht, um Entfernungen zurückzulegen, ist ein Blick hinaus in den Raum zugleich ein Blick zurück in die Vergangenheit: Je weiter Astronomen also ins All spähen, desto älter ist es. Und tatsächlich sah es vor Jahrmilliarden anders aus: Die Materie war dichter; Galaxienhaufen begannen sich erst zu entwickeln; Galaxien kollidierten immer wieder, wuchsen und setzten während ihrer feurigen Jugend ungeheuere Energiemengen frei. Für die Urknall-Theorie spricht neben der Entwicklung und Expansion des Alls auch die Entdeckung der Kosmischen Hintergrundstrahlung im Bereich der Radio- beziehungsweise Mikrowellen. Sie durchflutet das gesamte All nahezu gleichmäßig und hat eine Temperatur von minus 270 Grad Celsius – knapp 3 Grad über der tiefstmöglichen Temperatur. So kalt ist der Weltraum heute. Diese Hintergrundstrahlung ist eine Art Echo des Urknalls – ein düsteres Nachglimmen des Feuerballstadiums, als das Universum etwa 300000 Jahre alt war. Mit seiner Ausdehnung sank seine Temperatur, und als sie unter 3000 Grad fiel, wurde das Universum gleichsam durchsichtig. Zuvor war die Materie so dicht, dass die Strahlung in ständiger Wechselwirkung mit ihr stand, immer wieder gestreut oder verschluckt und neu ausgesandt wurde. Als das Universum kühl genug war, konnten die positiv geladenen Atomkerne die negativ geladenen Elektronen einfangen. So entstanden die ersten Atome, und die Strahlung hatte plötzlich freie Bahn. Ein großer Teil davon durchflutet als Hintergrundstrahlung auch jetzt noch den Raum. Dass sie früher wärmer war, lässt sich inzwischen messen – eine weitere Bestätigung für die Urknall-Theorie. Und die winzigen räumlichen Temperaturunterschiede von einem hunderttausendstel Grad spiegeln wie ein himmlischer Fingerabdruck die Dichteverteilung der Urmaterie im frühen Kosmos wider. Wo sie zufällig etwas konzentrierter war, hat die Schwerkraft im Lauf der Zeit Sterne, Galaxien und Galaxienhaufen geformt. Die Urknall-Theorie stützt sich auf weitere Beobachtungen, insbesondere auf die Häufigkeit der leichten Elemente. 75 Prozent der sichtbaren Materie besteht aus Wasserstoff, 24 Prozent aus Helium. Diese Elemente sowie Spuren von Deuterium (schwerem Wasserstoff) und Lithium haben sich in den ersten drei Minuten gebildet. Die Prozesse lassen sich heute sehr genau nachvollziehen. Alle schwereren Elemente wie Sauerstoff, Kohlenstoff, Schwefel, Eisen und so weiter sind nicht mit dem Urknall entstanden, weil dafür die Zeit nicht reichte. Sie wurden erst später in Sternen durch Kernfusion erbrütet. Als die Sterne explodierten, gelangten die schweren Elemente als Rohstoff für die Bildung neuer Sterne und Planeten ins All. Im ersten Moment unseres Universums gab es nur eine einzige Superkraft. Alle Teilchen waren ununterscheidbar und masselos. Mit der Abkühlung des Weltraums spaltete sich diese Urkraft nach und nach zu den vier heute bekannten fundamentalen Naturkräften auf: Die Schwerkraft und elektromagnetische Wechselwirkung mit unendlicher Reichweite und die starke und schwache Wechselwirkung im Bereich der Atome. Das war bereits in der ersten billionstel Sekunde abgeschlossen. Zugleich entstanden aus exotischen Vorstufen die jetzt noch existierenden Elementarteilchen: Quarks, Elektronen und Neutrinos. Die Quarks schlossen sich später zu Neutronen und Protonen zusammen – die Bausteine der Atomkerne. Zu all diesen Teilchen gab es Antiteilchen mit derselben Masse, aber sonst entgegengesetzten Eigenschaften (wie Ladung oder Drehimpuls). Bei hohen Temperaturen stehen Erzeugung und Vernichtung von Materie und Antimaterie im Gleichgewicht. Wird es kühler, zerstrahlen die Teilchen und Antiteilchen paarweise zu Photonen. Das geschah in der ersten Sekunde des Universums fast vollständig. Dass der Weltraum heute nicht „wüst und leer” ist, sondern noch immer Materie enthält, ist einer geringfügigen Asymmetrie zu verdanken: Auf etwa eine Milliarde Antiteilchen kamen eine Milliarde und ein Teilchen. Dieser winzige Überschuss an Materie überstand die Vernichtungsorgie. Der Ursprung der Welt ist im 20. Jahrhundert von einem Thema der Mythen, Religionen und Philosophien zu einem Gegenstand der exakten Naturwissenschaft geworden. Über die Vorgänge seit den ersten Sekundenbruchteilen – ab etwa einer milliardstel Sekunde nach dem Urknall – wissen die Kosmologen inzwischen schon sehr gut Bescheid. Was noch früher geschah, ist spekulativ, wird aber in den nächsten Jahren durch immer leistungsfähigere Teleskope und Teilchenbeschleuniger erforscht werden können. Freilich ist dies nur teilweise eine experimentelle Frage, denn die Bedingungen ganz zu Beginn des Universums werden in irdischen Labors auf Grund der fehlenden Energie niemals nachgeahmt werden können, sondern lassen sich allenfalls indirekt erschließen. Doch auch der theoretische Rahmen ist noch unzureichend. Denn es fehlt eine Theorie, die alle Naturkräfte einheitlich beschreibt. Ohne sie lässt sich das Rätsel des Urknalls nicht lösen. Deshalb kann man im Augenblick allenfalls darüber spekulieren, wieso das Universum entstand. Doch es gibt bereits handfeste Erklärungsversuche einer „ Schöpfung aus dem Nichts” oder einer Zeit vor der Zeit (siehe Artikel „Hawking & Co”). Und erst seit ein paar Monaten existiert ein radikaler Gegenvorschlag: das Zyklische Universum (siehe Artikel „Ewige Wiederkehr”), das letztlich keinen Anfang hat. Konkurrenz belebt das Geschäft. Das gilt auch für die Wissenschaft. Jetzt müssen die Forscher Wege finden, die verschiedenen Theorien zu überprüfen. Jedenfalls lässt die moderne Kosmologie keinen Zweifel mehr, dass unsere eigene Existenz eng mit der Natur des Universums verknüpft ist. Das belegt nicht nur die Geschichte der Atome unserer Körper – wir sind gewissermaßen lebender Sternenstaub. Auch der Nachthimmel gibt davon Zeugnis. Er macht deutlich, dass das Universum einst begann und sich seither ausdehnt. Denn er wäre nicht dunkel, wenn es ewig und unveränderlich wäre. Doch wir können „prinzipiell nicht Sterne und Galaxien jenseits eines bestimmten Horizonts sehen”, sagt Mario Livio. „Denn ihr Licht hatte nicht genug Zeit, uns während der Lebenszeit des Universums zu erreichen. Es ist, als wären die Bäume ab einer bestimmten Entfernung schwarz statt weiß.” Und aus einem weiteren Grund erscheint die Nacht finster: „ Da das Universum expandiert, wird das Licht von jeder weit entfernten Galaxie zu einer niedrigeren Frequenz verschoben”, sagt Livio und steckt seinen Luftballon wieder in die Tasche. Zur Enttäuschung mancher Zuschauer hat er ihn nicht platzen lassen – aber das wäre ja auch keine gute Metapher für den Urknall, der keine Explosion im Raum war, sondern gleichsam überall stattfand. „In unserem Waldbeispiel würde dies bedeuten, dass die Stämme ungleichmäßig angestrichen sind, wobei entferntere Stämme immer weniger Farbe haben.” Das Licht aus der kosmischen Urzeit wurde von der Ausdehnung des Weltraums also gleichsam auseinander gezogen und somit in unsichtbare Frequenzbereiche verschoben. Doch hätten wir hochempfindliche Augen für Radiowellen, erschiene uns der Nachthimmel tatsächlich nicht ganz dunkel, sondern von einem schwachen Glimmen erfüllt – dem ältesten Licht. Diese Kosmische Hintergrundstrahlung lässt sich sogar sichtbar machen: Sie trägt zum Rauschen bei, das – bei Antennenübertragung – nach Sendeschluss über den Fernsehschirm flimmert.
Kompakt
Unser Universum ist nicht ewig und unveränderlich, wie lange vermutet wurde, sondern hat eine Geschichte. Es begann mit einem Urknall vor mindestens 13 Milliarden Jahren und dehnt sich seither aus. Zunächst war es extrem heiß und dicht. Die leichtesten Atomkerne entstanden in den ersten drei Minuten. Aus dem Tagebuch des Universums Ab zirka 10-12 Sekunden nach dem Urknall sind recht verlässliche Aussagen möglich. Über die Zeit davor kann im Augenblick nur spekuliert werden, weil noch keine gut fundierte und durch Beobachtungen bestätigte physikalische Theorie existiert. Auch die folgenden Zeitangaben sind modellabhängig und daher teilweise noch nicht genau bekannt. Vor 10-43 Sekunden Epoche der Quantengravitation: Die Raumzeit hatte eine diskontinuierliche, „schaumartige” Struktur. Raum und Zeit sind nicht unterscheidbar. Es gab eine einzige Superkraft. Nach 10-43 Sekunden, Temperatur: 1032 Grad Celsius Symmetriebruch der Superkraft führt zur Abspaltung der Gravitation. Entstehung der klassischen Raumzeit, die mit einem Plasma relativistischer Teilchen gefüllt ist (primordiale Materie), darunter X- und Anti-X-Teilchen. Ständige Wechselwirkung mit und Umwandlung zu den heute noch bekannten Elementarteilchen (Quarks, Elektronen, Neutrinos…) und Kraftüberträger-Partikel (Photonen, Gluonen, W- und Z-Bosonen…). Nach 10-35 Sekunden, Temperatur: 1027 Grad Celsius Abspaltung der starken Wechselwirkung; asymmetrischer Zerfall der X- und Anti-X-Teilchen, was die spätere Dominanz der Materie über Antimaterie vorwegnimmt. Es kommt zur Inflation: Kurzfristige exponentielle Ausdehnung des Weltraums, der dadurch nahezu flach wird. Verstärkung von Quantenfluktuationen als „ Keimzellen” der späteren großräumigen Strukturen (Galaxiensuperhaufen) aus der primordialen Materie; extreme Verdünnung der Materie (Inhomogenitäten und Monopole verschwinden aus dem Beobachtungshorizont). Nach 10-32 Sekunden, Temperatur: 1027 Grad Celsius Ende der Inflation: Wiederaufheizung des Kosmos und Bildung neuer Materie aus dem Zerfall des Inflaton-Felds. Nach 10-11 Sekunden, Temperatur: 1015 Grad Celsius Aufspaltung der elektroschwachen Wechselwirkung zur elektromagnetischen und schwachen Wechselwirkung; X- und Anti-X-Teilchen sterben aus. Die Materie erhält ihre Masse durch das Higgs-Feld – erst jetzt haben die Elementarteilchen ihre heute noch beobachtbaren Eigenschaften. Nach 10-6 Sekunden, Temperatur: 1014 Grad Celsius Quarks, Anti-Quarks und Gluonen können nicht mehr als freie Teilchen existieren. Protonen und Neutronen entstehen aus Quarks. Anschließend zerstrahlen Protonen und Antiprotonen fast vollständig. Winziger Überschuss von Materie. Nach 10-1 Sekunden, Temperatur: 1010 Grad Celsius Neutrinos koppeln sich von den anderen Teilchen ab. Nach 5 Sekunden, Temperatur: 6·109 Grad Celsius Elektronen und Positronen zerstrahlen fast vollständig. Nach 100 Sekunden, Temperatur: 109 Grad Celsius Ende des Zerfalls von Neutronen zu Protonen. Entstehung der leichten Elemente (insbesondere der Atomkerne von leichtem Wasserstoff und Helium sowie von etwas Deuterium und Lithium) aus der Verschmelzung von Protonen und Neutronen. Nach 10000 Jahren, Temperatur: 30000 Grad Celsius Materiedichte dominiert über Strahlungsdichte. Nach 300000 Jahren, Temperatur: 3000 Grad Celsius Ende der Plasmaphase: Entstehung der Atome, Entkopplung der Strahlung von der Materie – das Universum wird durchsichtig. Nach 100 Millionen bis 1 Milliarde Jahren, Temperatur: unter -250 Grad Celsius Bildung der ersten Sterne und Galaxien, Entstehung der schwereren Elemente durch Kernfusion im Sterninneren. Nach 1 bis 10 Milliarden Jahren, Temperatur: -250 Grad Celsius Entstehung von Planeten und Leben. Nach 1 bis 10 Milliarden Jahren, Temperatur: -270 Grad Celsius Gegenwart
Rüdiger Vaas
