Astrophysik und Kosmologie

Vor bald vier Jahrhunderten hat Galileo Galilei als einer der Ersten sein Fernrohr an den Himmel gerichtet. Seit 1610 bestaunt der Mensch den Kosmos nicht mehr nur mit bloßen Augen: Damals zeigte der Mond mit einem Mal Berge und Täler, Venus offenbarte ihre Phasengestalt, Jupiter wurde von vier Monden umkreist und das silberne Band der Milchstraße entpuppte sich als Ansammlung unzähliger Sterne.

Heute sind aus den Linsenfernröhrchen Galileis längst Hightech-Spiegelteleskope geworden - doch ob weiland Galilei oder heute moderner Astronom: Die Aufgabe des Teleskops, die Erwartung an das technische Hilfsmittel hat sich nicht verändert - neue Teleskope fangen immer ein bißchen mehr vom schwachen Leuchten der Himmelskörper ein und lassen uns so immer besser und immer tiefer in das Universum blicken. Jedes neue Teleskop schiebt die Grenze unserer Erkenntnis ein bißchen weiter hinaus. Jedes neue Teleskop erweitert buchstäblich unseren Horizont - das ist heute noch genauso wie vor 400 Jahren. Lediglich die räumlichen Dimensionen haben sich "ein wenig" verändert.

Die neue Generation von Großteleskopen mit raffinierten optischen Systemen blickt Milliarden von Lichtjahren hinaus ins All - Astronomen beobachten Vorgänge in den Tiefen des Kosmos, die stattgefunden haben, lange bevor unsere Sonne mit ihren Planeten entstanden ist. Das Licht dieser entfernten Objekte erreicht uns erst jetzt. Wer zehn Milliarden Lichtjahre weit hinaus ins All blickt, der blickt also auch zehn Milliarden Jahre in der Zeit zurück. Astronomen sind längst zu Historikern unserer eigenen Vergangenheit geworden - Großteleskope, die mit ihren modernen Meßinstrumenten der aus der Frühzeit des Kosmos zu uns gelangenden Strahlung noch die letzten Geheimnisse entreißen, sind gleichsam Spatel und Handpinsel bei den kosmologischen Ausgrabungen in Raum und Zeit.

Wie die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler jetzt sehen - und endlich können sie es sehen (und es nicht nur vermuten oder darüber spekulieren)! - tut sich enorm viel im Kosmos. Sie gehen mit Hochdruck daran, den Geheimnissen am Rand von Raum Zeit zu Leibe zu rücken. Die Astronominnen und Astronomen ersinnen stets neue Methoden, dem Hauch von einem Leuchten, das sie als Strahlung der Himmelskörper gerade noch empfangen können, eine grandiose Fülle von Informationen abzuringen. Was auch immer im Kosmos zu sehen ist: Physik ist alles. Dieselben physikalischen Gesetze, die einen Baum erblühen oder einen Marienkäfer fliegen lassen, lassen auch ganze Sternhaufen aufleuchten und gewaltige Galaxien umeinander kreisen - mit einer Leichtigkeit, die dem Menschen schnell seine Grenzen zeigen: Astronomen dürfen immerhin betrachten, was die Natur im Kosmos passieren lässt.

Während zwischen Biologe und Frosch noch so etwas wie eine Wechselwirkung existiert, bleibt den Astronomen die Rolle des reinen Zuschauers - Astronomie ist das Empfangen und Analysieren der aus dem All zu uns gelangenden Strahlung (seien es Wellen oder Teilchen). Vorgänge im Kosmos lassen sich nicht beeinflussen - die Erforschung des Alls bedarf genialer Ideen, die die Beobachtungen unseres kosmischen Eintagsfliegendaseins in einem großen Bild der Erkenntnis vereinen.

Die Kosmologie, jener Teilbereich der Astrophysik, der sich mit dem Universum als ganzem, mit seinem Aufbau, seiner Entstehung und Entwicklung beschäftigt, ist von einer eher belächelten - weil keinen direkten Beobachtungen zugänglichen - Disziplin zu einem der heißesten Themen moderner Astronomie geworden. Vor zwanzig Jahren von Spöttern noch eher der Theologie zugerechnet, ist heute fast alles irgendwie Kosmologie. Denn immer deutlicher zeigt sich, daß sich die Entstehung der ersten Strukturen im Universum kurz nach dem Urknall nur verstehen läßt, wenn die Prozesse in unserer eigenen Galaxie - der Milchstraße - verstanden sind.

Die Grundidee eines sich seit dem Urknall ausdehnenden Kosmos ist heute weitestgehend unumstritten. Der Kosmos ist vor etwa 15 Milliarden Jahren aus einem extrem heißen und extrem dichten Zustand hervorgegangen und dehnt sich seitdem aus. So weit - so gut. Doch schon bei ersten Details fängt das Stochern im Nebel an. Wann sind die ersten Galaxien entstanden? Lange Zeit wähnten die Astronomen in den ersten paar Milliarden Jahren des Universums die "dark ages" - die dunklen, weil noch sternlosen Zeitalter. Von dieser Vorstellung ist in den letzten Jahren nicht viel übrig geblieben - wobei noch völlig unklar ist, wie sich Sterne innerhalb der ersten halben Milliarde Jahre des Universums bilden konnten. Theorie und Modelle hinken weit hinter den Beobachtungen her. Aber gerade dann müssen genauere Daten und bessere Ideen weiterhelfen.

Buchstäblich weltbewegende Fragen gibt es mehr als genug... Wie haben sich die heutigen Galaxien wie die Milchstraße gebildet? Waren gewaltige Schwarze Löcher die Keimzellen der Galaxien? Wie haben sich die großräumigen Strukturen im Weltall geformt? Heute ist das Universum hoch strukturiert, aber kurz nach dem Urknall war es fast ein Einheitsbrei... Welche Rolle spielt die geheimnisvolle Dunkle Materie, die nicht direkt zu sehen ist, die sich aber durch ihre Anziehungskraft auf sichtbare Objekte verrät? Wie wird es dem Universum in der Zukunft ergehen? Wird sich der Kosmos auf ewig ausdehnen? Oder kommt eines sehr fernen Tages die Ausdehnung zum Stehen? Schließt sich dann ein großer Kollaps an, gewissermaßen ein "Urknall rückwärts"?

Vor der Beantwortung der "großen" Fragen, gibt es noch manch "profanes" Detail zu klären, das viele schon gerne als abgehakt ansehen möchten. Ein ganz banales Beispiel: Wie entstehen Sterne? Nach gängiger Vorstellung stürzen riesige Gas- und Staubwolken zusammen, zerfallen dabei in einzelne Wolken, in deren Innern schließlich Sterne zünden. Details dieser Vorgänge sind - wieder einmal - zum größten Teil unverstanden. Wie lange dauert dieser Prozeß? Woraus muß so eine Wolke bestehen, um wirklich zum Stern werden zu können? Woher kommt das Material? Mit welchen Massen entstehen Sterne? Wo kommt es überhaupt noch zur Entstehung neuer Sterne? Wie entwickeln sich Sterne, wie enden sie? Diesen Fragen gehen die Forscher mit Beobachtungen in unserer Milchstraße oder in Nachbargalaxien nach - aber auch sie hängen unmittelbar mit den Fragen nach der Vergangenheit und Zukunft des Kosmos zusammen.

Sind Planeten normale "Dreingaben" der Sternentstehung? Haben auch viele andere Sterne Planeten? Oder ist unsere Sonne ein kosmischer Sonderling? Sind Planeten wie unsere Erde kosmische Dutzendware? Gibt es auch überall sonst im Universum die für unser Leben so wichtigen chemischen Stoffe wie Wasser, Kohlenstoff und Sauerstoff? Wo sind die Geschwister der Erde?

In diesem Zusammenhang sind selbst die Objekte am Rande unseres Sonnensystems von Interesse. Denn da draußen in Plutos Gefilden tummeln sich viele kleine Eisbrocken, Reste aus der Entstehungszeit des Sonnensystems - bestens konserviert im interplanetaren Gefrierfach. Woraus bestehen sie? Wie sind sie entstanden? Wo hört das Sonnensystem auf? All diese Objekte liefern wertvolle Informationen über Größe und Zusammensetzung der Urwolke, aus der sich einst Sonne und Erde gebildet haben - vermutlich entstehen aus ganz ähnlichen Wolken noch heute viele Sterne irgendwo im Universum.

Ob es um die Entstehung von Sternen und Planeten geht, um die Bildung und Entwicklung von Galaxien oder um die Struktur des Kosmos insgesamt. Die Astronomen befinden sich derzeit in einer etwas unkomfortablen, aber daher um so spannenderen Lage. Denn neue Beobachtungen decken schonungslos die heutigen Wissenslücken auf. In den vergangenen Jahrzehnten reichten - mangels besserer Daten - recht grob geschnitzte Vorstellungen aus.

Noch ist die Gemengelage etwas unübersichtlich. Aber in den ersten Jahren des gerade beginnenden Jahrhunderts werden sich bestimmt viele der überraschenden Beobachtungsdaten in ein neues grundlegendes Bild vom Kosmos einfügen. Nie zuvor standen so viele Instrumente zur Verfügung - nie zuvor war so viel "Spiegelfläche" auf die himmlischen Objekte gerichtet. Doch Technik allein reicht nicht. Teleskope sind immer nur so gut, wie die Astronominnen und Astronomen, die sie benutzen - und die brauchen jetzt zündende Ideen. Dann steht die Astronomie derzeit tatsächlich am Beginn einer neuen großen "Ära der Entdeckungen" oder, wie viele schwärmen, am Beginn eines "goldenen Zeitalters".