Ein dichtes, wabenförmiges Netz aus Licht.

Kosmologie: Vom Nachthimmel zum Urknall

Der Himmel bietet in einer klaren Nacht einen beeindruckenden Anblick. Unter den scheinbar unzähligen Sternen findet man den Mond und die Planeten unseres Sonnensystems und wer die Möglichkeit hat, mit einem Teleskop genauer hinzusehen, wird atemberaubende Galaxien und Nebelstrukturen entdecken. Was wir sehen ist ein Ausschnitt des Universums. Ein kleiner Teil von allem, was physisch existiert. Neben der Erde ist nunmehr der gesamte Kosmos Zentrum der menschlichen Grundfrage: Was ist das für eine Welt, in welcher wir leben? Was können wir von ihr erfahren? Auf diese Fragen Antworten zu finden, ist die Aufgabe, die sich die Kosmologie gestellt hat.

Wie ist es überhaupt möglich, Erkenntnisse über das gesamte Universum zu gewinnen, wo es doch so groß und für Experimente schier ungeeignet ist? Die am nächsten liegende Möglichkeit ist der erwähnte Blick in den Nachthimmel. Es fällt auf: der Himmel ist dunkel. Diese scheinbare Trivialität entpuppt sich bei genauerer Betrachtung als eine Beobachtung, aus der man viele grundlegende Schlussfolgerungen ziehen kann. Wäre etwa das Universum unendlich groß, und dementsprechend von unendlich vielen Sternen erfüllt, so müsste der Nachthimmel überall hell wie die Sonne sein. Ein eindeutiger Widerspruch, der bereits 1826 von Heinrich Wilhelm Olbers formuliert wurde. Die Lösung desselben führt uns zunächst in das 20 Jahrhundert. 1929 beobachtete Edwin Hubble, dass die Spektren entfernter Galaxien eine Verschiebung in den roten Bereich aufwiesen, was sich durch eine Bewegung dieser vom Beobachter fort erklären lässt. Ferner beobachtete er, dass diese Verschiebung, d.h. die Geschwindigkeit, mit dem Abstand der Galaxien zu uns größer wird.

Diese beiden Größen sind also proportional zueinander und unterscheiden sich immer um einen bestimmten Faktor. Dieser Faktor ist der Hubble-Parameter, dem eine wichtige Bedeutung in der Kosmologie zukommt (siehe Infobox unten). Wir fassen dies als eine allgemeine Ausdehnung des Universums auf, ähnlich – aber nicht gleich! – einer Explosion, bei der sich die Einzelteile voneinander und von einem Ausgangspunkt entfernen. Denkt man diese sogenannte Expansion des Universums zurück in die Vergangenheit, so folgt daraus, dass es sich einst in einem einzigen Punkt konzentriert befunden haben muss. Der Ausgang aus diesem Punkt wird als Urknall bezeichnet. Nun können wir aus diesen Daten die Zeit bestimmen, die das Universum zum Expandieren von diesem Punkt bis zum heutigen Zustand gebraucht hat. Der Kehrwert des Hubble-Parametes ist: $$H^{-1}=13{,}7\mathrm{~Milliarden~Jahre}$$ Da sich Licht nun mit einer endlichen Geschwindigkeit maximal seit dieser Zeit ausbreiten kann und sich das Universum in ebendieser Zeit noch weiter ausgedehnt hat, ist das sichtbare Universum auf etwa 46 Milliarden Lichtjahre begrenzt. Das im Olbers Paradoxon postulierte unendliche Universum ist also nicht vorhanden und der Himmel deshalb größtenteils dunkel.

„Hubble Extreme Deep Field“-Aufnahme weit entfernter Regionen des Universums

Allein mit diesen Überlegungen können wir nun also die Urknalltheorie nachvollziehen und den Umstand, dass das Universum aus einem einzigen Punkt hervorgegangen sein muss. In der Anfangszeit lag also die gesamte vorhandene Energie in Form von Strahlung auf sehr engem Raum vor. Es gab auch noch nicht die Atome, wie wir sie uns heute vorstellen: Elektronen und Quarks, die Bestandteile der Protonen, waren noch nicht zu Atomen zusammengebunden, sondern bewegten sich frei im Raum und konnten sich aufgrund der großen Menge an Energie in ihrer Umgebung nicht aneinander binden. Erst mit der Expansion nahmen die Energiedichte und die Temperatur ab. Es konnten die ersten Atome entstehen, Elektronen und Protonen kamen zusammen und die nun recht schwache Strahlung konnte die Bindung nicht mehr verhindern. Die Reste dieser Strahlung finden sich seitdem überall im Kosmos und sind heute als kosmische Hintergrundstrahlung nachweisbar. Sie entspricht der Strahlung eines Körpers mit einer Temperatur von ungefähr 2,7 Kelvin, das sind gut -270 °C. Das Standardmodell der Kosmologie ist somit bis zu einem Zeitpunkt von wenigen Millisekunden nach dem Urknall experimentell bestätigt.

Die Struktur des Kosmos

Unsere Erde, die im mittelalterlichen geozentrischen Weltbild noch Mittelpunkt der gesamten Welt war, nimmt nach der Urknalltheorie nunmehr keinen besonderen Platz im Kosmos ein. Viel weniger: in einer durchschnittlichen Galaxie kreist sie um einen durchschnittlichen Stern und der Mensch als ihr Bewohner findet sich sozusagen entthront irgendwo im nirgendwo. Diese Feststellung wird nach dem Astronomen Nikolaus Kopernikus, der das geozentrische Weltbild durch seine Beobachtungen widerlegen konnte, das „kopernikanische Prinzip“ genannt. Es findet seine Ausweitung in dem „kosmologischen Prinzip“, nach dem das Universum auf große Distanzen homogen, d.h. unabhängig vom Beobachterstandort, und isotrop, d.h. unabhängig von der Beobachtungsrichtung, gleich ist. Zu diesen grundlegenden Annahmen muss sich aber ein weiteres Prinzip anordnen. Nämlich eines, das den Menschen als beobachtende Lebensform mit einbezieht. Nach dem „Anthropischen Prinzip“ muss das Universum jede Eigenschaft besitzen, die menschliches Leben ermöglicht. Die Frage danach, warum sich alles genau so herausgebildet hat, dass es den Menschen gibt, lässt sich damit recht spitz beantworten. Wäre es anders, so wären wir nicht hier. Es sind verschiedene Interpretationen des Anthropischen Prinzips möglich, und die wenigsten davon sind wissenschaftlich anerkannt. Aber es lässt sich damit andeuten, welches große philosophische Potential hinter den kosmologischen Fragen steckt.

Heutzutage können wir mit immer besseren Teleskopen etwas über den Aufbau des Kosmos erfahren. Die Struktur des Universums scheint heute einzig durch die Gravitation bestimmt, da andere Kräfte nicht über vergleichbar große Distanzen wirken. Mit Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie – der heute besten Erklärung der Gravitation – ist es somit möglich, die räumliche Anordnung von Planeten, Sternen und Galaxien zueinander zu beschreiben. Die Schwerkraft wirkt in lokalen Bereichen der allgemeinen Expansion entgegen, sodass sich Sterne überhaupt erst zu Galaxien zusammenfinden können. Galaxien wiederrum ziehen sich ebenfalls an und gruppieren sich zu Galaxienhaufen. Galaxienhaufen sammeln sich zu Superhaufen und diese strukturieren sich in großen Filamenten. Zwischen diesen befinden sich riesige Hohlräume, die Voids, in denen sich praktisch keine sichtbare Materie befindet. Worin diese Struktur allerdings ihren Anfang nahm, ist nach wie vor nicht bekannt – wahrscheinlich ist die Form des Universums wenige Bruchteile von Sekunden nach dem Urknall dafür verantwortlich.

Bolshoi-Simulation der Struktur aller Materie im Universum

Eine Simulation der University of California namens „Bolshoi“ zeigt eindrucksvoll, wie die Filamente mitsamt der Voids einem Netz von Nervenzellen oder einem Spinnennetz gleichen und lassen einen ehrfürchtigen Blick auf das Universum zu. Hier liegt jedoch ein ungelöstes Rätsel vor. Die sichtbare Materie verhält sich anders als sie es nach den Berechnungen auf Grundlage der Gravitationsgesetze tun sollte. Anscheinend existiert eine Art von Materie, die wir nicht sehen können, die sich aber trotzdem durch ihre Gravitation bemerkbar macht. Herauszufinden, woraus diese „Dunkle Materie“ besteht, ist Gegenstand aktueller Forschungen und eine der Aufgaben modernster Teilchenbeschleuniger. Noch ein weiteres Problem macht den Theoretikern zu schaffen: Seit dem Urknall expandiert das Universum und da die Gravitation eine anziehende Kraft ist, müsste man eigentlich davon ausgehen, dass diese Expansion sich mit der Zeit verlangsamt. Messungen belegen jedoch das genaue Gegenteil. Die Expansionsgeschwindigkeit nimmt mit der Zeit zu. Woher die dafür verantwortliche Energie herkommt, ist unklar, weshalb sie analog zur Dunklen Materie als „Dunkle Energie“ bezeichnet wird.

Das Ende des Universums

Wir konnten feststellen, dass das Universum einen Anfang hat und seitdem expandiert. Es liegt hier nun nahe, die Frage danach zu stellen, ob es auch ein Ende haben wird. Hierzu gibt es mehrere Theorien, die alle von der Verteilung und Menge der Dunklen Materie und Dunklen Energie abhängen. Eine Möglichkeit ist, dass das Universum in seiner Expansion stoppt und wieder in sich zusammenfällt. Damit das der Fall ist, muss die Dichte der Materie im Universum größer als eine bestimmte kritische Dichte sein, die einem Wert von ca. \( 5\cdot 10^{-30} \mathrm{g}/\mathrm{cm}^3 \) entspricht. Nur so kann die Gravitation der Expansion entgegenwirken und das geschlossene Universum wieder in einem einzigen Punkt vereinigen. Ist die Materiedichte kleiner oder gleich der kritischen Dichte, dann würde das offene Universum für immer expandieren und sich immer weiter abkühlen bis schließlich keine Temperaturdifferenzen mehr vorhanden sind und alle Prozesse auf ewig stillstehen. Theoretiker gehen sogar davon aus, dass nach mehr als \( 10^{31} \) Jahren selbst die Protonen zerfallen werden und das Universum praktisch in einem leeren Nichts endet. Schätzungen zufolge hat das Universum eine Materiedichte, die genau dem Wert der kritischen Dichte entspricht, weswegen ein Zusammenfall als eher unwahrscheinlich angesehen wird.

Es sind durchaus bewegende Erkenntnisse, welche die moderne Kosmologie erlangen konnte. Und bei all den Beschreibungen und Theorien bleiben doch letztendlich Fragen, die ungeklärt sind und aller Wahrscheinlichkeit nach auch für immer ungeklärt bleiben werden. Ist dieses Universum das einzige oder Teil einer Welt von mehreren Universen? Warum ist es überhaupt entstanden? Was können wir alles davon wissen? Fragen, die ein Physiker kaum mehr beantworten kann, so gehen sie doch in den Bereich der Philosophie und sind nach dem Urknall-Kritiker Robert Betts Laughlin sogar „quasireligiös“. Gleichwohl sind es Fragen, die den Menschen als nachdenkendes Wesen für seine Zeit immer beschäftigen werden.

Der Hubble-Parameter

Edwin Hubble beobachtete, dass Galaxien sich mit umso größerer Geschwindigkeit von uns entfernen, je weiter sie von uns entfernt sind. Wir drücken das mathematisch als eine Proportionalität aus:

$$ v \sim d $$

Dabei ist v die Geschwindigkeit und d der Abstand. Der genaue Zusammenhang der beiden Größen wird durch eine Konstante beschrieben, sodass wir statt dem Proportionalitätszeichen ein Gleichheitszeichen schreiben können und eine lineare Gleichung erhalten.

$$ v = H \cdot d $$

Diese Konstante ist der Hubble-Parameter. Wollen wir die Gleichung verallgemeinern, so ersetzen wir den Abstand d mit einem sogenannten kosmischen Skalenfaktor a, der nicht einen bestimmten Abstand bezeichnet, sondern einen verallgemeinerten Parameter darstellt. Seine zeitliche Änderung entspricht der Geschwindigkeit. Für den Hubble-Parameter ergibt sich:

$$ H = \frac{\dot{a}}{a} = 74 \frac{\mathrm{km}}{\mathrm{s} \cdot \mathrm{Mpc}} $$

Anzumerken ist, dass der Hubble-Parameter keine Konstante im eigentlichen Sinne ist, sondern sich mit der Zeit verändert.