Überlegungen dereinst

Noch bis vor 100 Jahren glaubte man, wir würden in einem statischen Universum leben, also einem, das sich so gut wie nicht verändert. Andere Galaxien außerhalb unserer Milchstraße waren noch nicht bekannt. Die Nebelfleckchen am Himmel wurden als Gaswolken innerhalb der Milchstraße gedeutet.

Alle Sterne, die wir am Himmel sehen, gehören zu unserer Galaxis, und so schien es, als fülle sie allein das Universum aus. Tatsächlich aber sind wir von zahllosen anderen Galaxien umgeben, die viele Millionen Lichtjahre von uns entfernt sind und uns deshalb am Himmel wie diffuse Flecken ohne Details erscheinen.

Die Beobachtungstechnik wurde enorm verbessert, die Teleskope wurden immer größer. Die verwaschenen Flecken am Himmel ließen sich nun in Einzelsterne auflösen. Dabei stellte sich heraus, dass es viele Milliarden anderer Galaxien gibt und diese ebenso wie die Milchstraße wiederum aus Milliarden Sternen bestehen. Auch ihre Entfernungen und Geschwindigkeiten konnten nun gemessen werden.

Erkenntnisse heute

Dabei stellte man etwas ganz Merkwürdiges fest: fast alle Galaxien bewegen sich von uns weg! Und das sogar umso schneller, je weiter sie von uns entfernt sind! Sind wir also doch der Mittelpunkt des Universums, wie früher angenommen wurde? Ist die Erde der Mittelpunkt der Welt, und alles dreht sich nur um sie?

Aber nein, in Wahrheit befindet sich immer der Beobachter im Mittelpunkt. Alles andere bewegt sich von ihm weg, egal ob er sich auf der Erde oder in einer fernen Galaxie befindet. Überall ist der gleiche Effekt zu beobachten. Der Raum um uns herum dehnt sich aus, überall gleichmäßig und in alle Richtungen. Das kannst du in einem einfachen Mach-mit-Experiment nachmachen (siehe unten).

Raumausdehnung bedeutet also nicht, dass sich die Galaxien von uns wegbewegen, sondern dass der Raum zwischen uns und ihnen immer größer wird. Dadurch muss das Licht der Galaxien einen immer weiteren Weg zurücklegen, um zu uns zu gelangen. Es verändert dabei seine Wellenlänge, man sagt es wird rotverschoben. Das können wir messen.

Ausblick in die Zukunft

Für die Zukunft des Universums gilt also: alles entfernt sich voneinander, und irgendwann in vielen Milliarden Jahren sind andere Galaxien so extrem weit von uns entfernt, dass uns ihr Licht nicht mehr erreichen kann. Es wird dunkel am Himmel.

Wir könnten dann, so es uns noch gäbe (aber nicht einmal der Planet Erde wird dann noch existieren) nur noch Sterne unserer eigenen Galaxie am Himmel sehen, aber keine einzige andere Galaxie. Unsere Galaxie wird sich bis dahin auch sehr verändert haben.

Denn nicht alle Galaxien entfernen sich von uns. Die, die sich in unserer kosmischen Nähe befinden, nähern sich der Milchstraße an und werden sich in etlichen Milliarden Jahren mit ihr zu einer riesigen Supergalaxie vereinigen. Zu diesen Galaxien gehört auch die Andromedagalaxie, die sich im Sternbild Andromeda aufhält.

So sieht also die Zukunft des Universums aus: Nahegelegene Galaxien vereinigen sich zu Supergalaxien, entferntere Galaxien geraten durch die Raumdehnung immer weiter auseinander, bis sie einander vollkommen aus dem Blickfeld geraten und nur noch für sich alleine sind, umgeben von einem großen Nichts.

In den Supergalaxien lässt irgendwann die Neubildung von Sternen nach, es kommt kein 'Nachwuchs' mehr hinzu. Alte Sterne haben bald ihren Brennstoffvorrat verbraucht und erlöschen.

Schwarze Löcher in der Galaxie verschlingen die Materie ihrer Umgebung. Ewig wird es also auch eine Supergalaxie nicht geben. Die Sterne verschwinden irgendwann. Die Zukunft des Universums ist kalt und dunkel...

Blick zurück auf den Anfang

Wir können beobachten, was um uns herum geschieht, wie einige Galaxien auf uns zufliegen, die allermeisten aber sich immer weiter entfernen, und können aus diesen Vorgängen abschätzen, was die Zukunft bringen wird, wie es weitergeht mit dem Universum. Aber wie hat das alles angefangen?

Lassen wir doch einfach einmal den 'Film' unserer Beobachtungen rückwärts ablaufen! Was passiert nun? Alles rückt näher zusammen, unaufhörlich, immer enger, immer dichter, und dann, etwa 13,7 Milliarden Jahre vor heute, was sehen wir da? Einen Punkt, in dem das komplette heutige Universum mit all seinen Sternen und Galaxien, die gesamte Materie versammelt ist!

So unglaublich das klingen mag, genau das lässt sich aus unseren Beobachtungen schließen! Natürlich geht das über jegliche Vorstellungskraft hinaus, aber es ist doch möglich. Und so gelangen wir zur Theorie des Urknalls. Der Urknall ist keine Explosion im eigentlichen Sinne, sondern die gleichzeitige Entstehung von Materie, Raum und Zeit.

Der Urknall und die Zeit kurz danach

Und plötzlich war es da, das Universum! Aus dem Nichts heraus tauchten Teilchen und Antiteilchen auf. Sie stießen gleich wieder zusammen und vernichteten sich gegenseitig. Ein kleiner Teil der dabei entstandenen Materie aber überlebte. Aus ihr setzt sich das gesamte heutige Universum zusammen mit allen Sternen und Planeten.

In den ersten zehn Mikrosekunden bestand das Universum aus einem brodelnden Brei fundamentaler Teilchen wie Quarks und Gluonen. Atome gab es noch nicht. Das Universum hatte eine Temperatur von einigen Billiarden Grad, dehnte sich rasch aus und kühlte dabei ab.

Nach diesen zehn Mikrosekunden war die Temperatur schon auf etwa 2 Billionen Grad gesunken. Die Teilchen eilten weniger hektisch umher, sie verbanden sich miteinander und bildeten die ersten Protonen und Neutronen.

Einhundert Sekunden später hatte das Weltall noch eine Temperatur von 1 Milliarde Grad Celsius, die Protonen und Neutronen fanden sich zusammen und bildeten die ersten Atome: zu ca. 25% Helium-4 und Spuren von Deuterium. Die meisten Protonen (75%) aber blieben unverändert. Das Universum bestand nun aus einem Plasma, einer Art Ursuppe, einem Gemisch aus freien Atomkernen, Protonen und Elektronen.

Nach etwa 380000 Jahren war das Weltall so weit abgekühlt (auf ca. 3000 K), dass sich die Protonen mit Elektronen zusammenfügen konnten und stabile Atome bildeten. Zu einem sehr großen Teil entstand jetzt Wasserstoff, der auch heute noch das häufigste Element darstellt. Das Plasma löste sich auf, Licht konnte sich nun ungehindert ausbreiten. Man sagt, das Universum wurde nun durchsichtig. Strahlung und Materie hatten sich entkoppelt.

Die nun entstandenen Wasserstoffwolken verdichteten sich unter dem Einfluss der Gravitation. So entstanden die ersten Sterne.In ihrem Inneren setzte die Kernfusion ein, wobei Wasserstoff in Helium umgewandelt wird. Bereits wenige Millionen Jahre später explodierten die schwereren Sterne als Supernovae und versorgten so ihre nähere Umgebung mit neuen chemischen Elementen wie Kohlenstoff, Sauerstoff, Eisen und viele mehr. Aus diesem Sternenstaub entstanden wiederum neue Sterne, erste Galaxien bilden sich.

Bis zum heutigen Tag hat sich das Weltall enorm ausgedehnt und ist bis auf 2,73 Grad Kelvin abgekühlt. Diese Strahlung nennen wir Hintergrundstrahlung. Sie ist ein Relikt aus der Zeit, als sich Strahlung und Materie entkoppelten. Eine genaue Messung der Hintergrundstrahlung und ihrer Schwankungen verrät uns einiges über den Zustand des Weltalls 380000 Jahre nach dem Urknall.

Ihre Entdeckung führte dazu, dass eine ganz neue Kategorie Himmelskörper eingeführt werden musste. In den letzten 10 Jahren konnten Hunderte Braune Zwerge ausfindig gemacht werden. Die meisten von ihnen bewegen sich alleine in unserer Galaxie, einige von ihnen umkreisen aber auch Sterne. Es ist auch möglich, dass Braune Zwerge von Planeten umkreist werden.

Wie entstehen Braune Zwerge?

Dazu gibt es folgende Theorie: Zu Beginn entwickeln sie sich wie ganz normale Sterne. Das heißt in einer Molekülwolke bildet sich ein Kern heraus, der dichter ist als seine Umgebung. Überschreitet der Kern eine Mindestmasse, kommt es zum Kollaps der Wolke.

Die Schwerkraft überwiegt den nach außen gerichteten Gasdruck, die Materie stürzt ins Zentrum der Wolke und verdichtet sich. Aufgrund der gestiegenen Masse steigt auch die Gravitationskraft des Kerns, er zieht mehr Material aus der Umgebung an, Masse und Schwerkraft steigen weiter.

Das geht so lange, bis sich genügend Materie angesammelt hat, damit im Inneren des Protosterns Temperatur und Druck ausreichen, um die Kernfusion zu starten. Wasserstoffkerne verschmelzen zu Helium, und die dabei frei werdende Energie wird in Form von Strahlung nach außen abgegeben. Der junge Stern beginnt zu leuchten.

Doch so weit scheint ein Brauner Zwerg gar nicht erst zu kommen.

Sein Wachstum wird gestört oder gebremst, und so wird er die nötige Masse für den Start der Wasserstofffusion nie zusammenbekommen.

Gründe dafür kann es mehrere geben:

• vielleicht ist die Molekülwolke zu dünn oder zu klein und stellt nicht genügend Baumaterial zur Verfügung
• vielleicht enstehen ganz in der Nähe weitere Sterne, die sich gegenseitig die Gase vor der Nase wegschnappen
• vielleicht entstand in der Nähe ein weiterer, aber viel größerer Stern, der den kleinen jungen Protostern gravitativ beeinflusst und ihn aus seiner ursprünglichen Umgebung herausschleudert

Köcheln auf kleiner Flamme

Der anfängliche Stern stellt also sein Wachstum ein. Nach ein bis zehn Millionen Jahren ist zumindest genügend Masse und demnach im Inneren genug Druck und Temperatur erreicht, um zumindest eine Deuteriumfusion zu starten.

Deuterium ist ein Isotop des Wasserstoff und wird auch Schwerer Wasserstoff genannt. Deuterium entstand ebenfalls beim Urknall.

Nach etwa 100 Millionen Jahren ist der Vorrat an Deuterium bereits aufgebraucht, die Fusion kommt zum Erliegen.

Der leuchtschwache Sternenzwerg kühlt nun allmählich ab und wird dabei immer schwächer. Jetzt ähnelt er weniger einem Stern als vielmehr einem großen Gasplaneten. Dabei kann der Braune Zwerg aber auch eigene Planeten besitzen, die ihn umkreisen.

Häufig trifft man aber auch auf Braune Zwerge, die selbst einen Stern umkreisen. Dass es sich hierbei eben nicht um einen Planeten handelt, verrät uns die ungewöhnlich große Masse des Objektes.

Das Weltall kühlt ab

Nein, das wäre nicht möglich, denn kurz nach dem Urknall war das Universum von heißem Plasma erfüllt, in dem Protonen, Elektronen und Neutronen noch eigenständig herumirrten. Die Photonen der Strahlung stießen permanent mit ihnen zusammen und wurden ständig absorbiert und sogleich wieder emittiert, konnten den Raum also nicht durchqueren.

Erst als es sich nach 380000 Jahren auf ca. 3000 Kelvin abgekühlt hatte, fügten sich aus den Protonen und Elektronen des Plasmas die ersten Atome zusammen (Wasserstoff und Helium), und das Weltall wurde durchsichtig, also für Strahlung durchlässig. Photonen konnten sich nun endlich ungehindert bewegen.

Blickt man also weit genug in der Zeit zurück, wird in knapp 13,7 Milliarden Jahren die Sicht durch so etwas wie eine undurchdringliche, undurchsichtige Wolke versperrt, die ein weiteres Zurückblicken unmöglich macht. Seit dieser Zeit hat sich das Weltall immer weiter abgekühlt, wir messen heute etwa 3 Grad.

Diese allererste freie Strahlung, die das Weltall 380000 Jahre nach seinem Beginn durchflutete, sollte also zu finden sein, wenn wir hineinschauen ins All. Sie ist daran zu erkennen, dass sie nicht von einem einzelnen Objekt abgestrahlt wird, sondern uns von allen Seiten her gleichmäßig erreicht.

Da sie den gesamten Himmel erfüllt und sich klar von der Strahlung der Sterne und Galaxien unterscheiden lässt, wird sie Hintergrundstrahlung genannt, manchmal auch Mikrowellenstrahlung oder Drei-Kelvin-Strahlung.

Die Entdeckung der Hintergrundstrahlung

Die Hintergrundstrahlung wurde 1964 rein zufällig entdeckt. Die beiden Radioastronomen Arno Penzias und Robert Wilson wollten astronomische Messungen anderer Art durchführen und stellten dabei fest, dass ihre Ergebnisse durch eine störende Strahlung verfälscht werden. Auf der Suche nach der Ursache bzw. Quelle dieser Strahlung fiel ihnen auf, dass sie nicht aus einer bestimmten Richtung kommt, sondern von überall her, egal wohin sie ihre Antennen auch richteten.

Für diese Entdeckung erhielten Penzias und Wilson im Jahr 1978 den Nobelpreis für Physik. Die Entdeckung der Hintergrundstrahlung ist deshalb so bedeutsam, weil sie die Urknalltheorie bestätigt und viele weitere Erkenntnisse über unser Universum möglich macht.

Eine erste Vermessung des Himmels ergab überall eine gleichmäßige Temperatur von rund 3 Kelvin (genauer 2,73K). Die Hintergrundstrahlung ist quasi der Fingerabdruck des Universums im Alter von 380000 Jahren. Sein Zustand zu dieser Zeit ist im Muster der Hintergrundstrahlung abgebildet. Eine gleichmäßige Strahlung von 3K aus allen Richtungen bedeutet auch eine gleichmäßige Verteilung der Materie und Strahlung im frühen Universum.

Wäre sie aber absolut gleich verteilt gewesen, hätten sich keine Dichtezentren herausbilden können. Ohne diese wäre es nie zur Entstehung von Sternen und in weiterer Folge zur Entstehung von Galaxien gekommen. Das Universum könnte dann gar nicht so strukturiert sein, wie es sich heute beobachten lässt. Die Keime dieser Strukturen müssten bereits zum Zeitpunkt der Rekombination (des Zusammenfindens von Protonen und Elektronen zu ersten Atomen) vorhanden gewesen sein.

Es galt also nun, die Hintergrundstrahlung genauestens zu vermessen und winzige Temperaturschwankungen ausfindig zu machen. Anfang der 1970er Jahre schickte man dazu Spektralphotometer mit Ballonen in ca. 3km Höhe, um von dort aus möglichst ungestört von irdischen Strahlungsquellendie Infrarotstrahlung ( = Wärmestrahlung) des Himmels vermessen zu können.

Später dann schickte man umgebaute Spionageflugzeuge mit Messgeräten an Bord in die Stratosphäre. Dabei konnte erstmals eine Struktur im Mikrowellenhintergrund festgestellt werden. Die Temperaturunterschiede betragen nur wenige Mikrokelvin (hunderttausendstel Grad). Der Wunsch bzw. die Notwendigkeit nach präziserer Messung war groß.

Auf in die Umlaufbahn

Die besten Messergebnisse lassen sich erzielen, wenn man sich außerhalb der störenden Erdatmosphäre befindet. Und so entwickelten mehr als 1000 Wissenschaftler, Ingenieure und Techniker einen Satelliten, der die Messungen durchführen soll. Er bekam den Namen COBE (Cosmic Background Explorer) und verrichtete von 1989 bis 1993 seine Arbeit im All. Mit seiner Hilfe wurde der Himmel genauer vermessen als je zuvor.

Satellit COBE

Die Messergebnisse wurden zu einer Art Landkarte des Himmels zusammengefügt, die blaue und rote Flecken aufzeigt. Rote Flecken sind wärmere Bereiche, blaue Stellen symbolisieren kühlere Bereiche. Die Unterschiede in der Temperatur sind aber nach wie vor winzig, also im Bereich von hunderttausendstel Graden.

Dennoch werden nun ganz deutlich Unterschiede in der Energieverteilung sichtbar. Genau diese Schwankungen ermöglichen ein Universum, wie wir es kennen, bei dem sich durch die Gravitation Materie zusammenballt und Sterne bildet, die in ihrem Inneren eine Kernfusion starten, wodurch sie Materie in Energie umwandeln und das Weltall zum Leuchten bringen.

Satellit WMAP

Im Juni 2001 kam ein neuer Satellit zum Einsatz, um die Hintergrundstrahlung noch genauer zu vermessen. Die Ergebnisse von WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) ermöglichten die Zusammenstellung einer äußerst detaillierten Karte des gesamten Himmels (siehe unten).

Nun sind die Dichteschwankungen und Temperaturschwankungen noch deutlicher zu erkennen. Aus diesen Fluktuationen bildeten sich die Strukturen heraus, die wir heute beobachten. Da gibt es Bereiche hoher Materiekonzentration in den Galaxien und Galaxienhaufen, und dazwischen existieren riesige Blasen, die wie leergefegt sind.

Satellit Planck

Der Satellit Planck wurde konzipiert, um die Fluktuationen am gesamten Sternenhimmel mit bisher unerreichter Auflösung und Empfindlichkeit zu erfassen. Die Analyse der Verteilung dieser Urstrukturen der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung ermöglicht den Astronomen Rückschlüsse in Bezug auf die Zusammensetzung und Entwicklung des Universums von seiner Entstehung bis zum heutigen Tag.

Dank der außerordentlichen Präzision der Planck-Karte konnten auch einige bisher ungeklärte Phänomene aufgedeckt werden, für deren Verständnis neue physikalische Erklärungsversuche erforderlich sein könnten.

Zu den wohl überraschendsten Ergebnissen zählt die Tatsache, dass die Fluktuationen bei den Temperaturen der Hintergrundstrahlung auf großen Winkelskalen nicht den im Standardmodell vorhergesagten Werten entsprechen: Ihre Signale sind nicht so stark, wie dies von der von Planck entdeckten kleinmaßstäbigeren Struktur zu erwarten gewesen wäre. Ebenfalls verblüffend ist die Asymmetrie der Durchschnittstemperaturen an den entgegengesetzten Hemisphären des Himmels. Dies widerspricht der im Standardmodell postulierten grundsätzlichen Ähnlichkeit des Universums, ganz gleich in welche Richtung man blickt.

Darüber hinaus erstreckt sich ein kalter Fleck über ein Areal am Himmel, das wesentlich größer ist als erwartet. Bereits Plancks Vorgänger, die NASA-Mission WMAP, gab Hinweise auf die Asymmetrie und den kalten Fleck, jedoch schenkte man ihnen aufgrund der Zweifel an ihrem kosmischen Ursprung kaum Beachtung.

Zu guter Letzt lässt sich anhand der Planck-Daten auch ein neuer Wert für die Hubble-Konstante ermitteln, also der Geschwindigkeit, mit der sich das Universum heute ausdehnt, nämlich 67,15 km/s/Megaparsec. Dies liegt deutlich unter dem derzeitigen, in der Astronomie verwendeten Standardwert. Aus diesen Daten lässt sich für das All ein Alter von 13,82 Milliarden Jahren errechnen.

Quelle: astronews.com und ESA

Die Erkenntnisse aus der Erforschung der Hintergrundstrahlung erlauben weitere Schlussfolgerungen über das Wesen unseres Universums. Kosmologen fanden heraus, dass wir in einem ungekrümmten, also flachen Weltall leben. Das wiederum lässt den Schluss zu, dass es sich nie wieder zu einem Punkt zusammenziehen wird, sondern ewig weiter expandiert (sich ausdehnt).

Verantwortlich dafür sind vermutlich die Dunkle Materie und die Dunkle Energie, die einen sehr viel größeren Anteil am Universum haben als all die Sterne und Galaxien, die wir beobachten können.

Mit der Lösung des Rätsels der Herkunft der geheimnisvollen 3K-Strahlung aus dem Weltall haben wir viele neue Erkenntnisse gewonnen und sind zugleich auf neue Rätsel gestoßen, die es nun zu lösen gilt.