„Das Mindestalter des Universums bestimmt“

Welt der Physik: Welche Methoden gibt es überhaupt, um das Alter des Universums zu ermitteln?

Cristina Chiappini

Cristina Chiappini: Es gibt mehrere unterschiedliche Ansätze hierfür, die aber notgedrungen allesamt auf bestimmten Annahmen beruhen. Wir können das Alter des Universums leider nicht direkt bestimmen – es hat ja niemand kurz nach dem Urknall eine Stoppuhr gestartet. Stattdessen schauen die beiden bekanntesten Verfahren tief in den Kosmos. So finden sich etwa in der kosmischen Mikrowellenstrahlung Spuren aus der Zeit kurz nach dem Urknall. Der Satellit Planck hat diese mit sehr hoher Präzision vermessen. Diese Daten weisen auf ein Alter von rund 13,8 Milliarden Jahren hin.

Und welches ist die zweite Methode?

Das zweite große Standardverfahren nutzt extrem weit entfernte Supernovae, also Sternexplosionen, eines bestimmten Typs, die alle eine ähnliche Helligkeit aufweisen. Diese Supernovae werden deshalb „Standardkerzen“ der Kosmologie genannt. Aus ihrer Helligkeit kann man auf ihre Entfernung schließen. Wenn man viele solcher Messungen hat, lässt sich daraus die Geschwindigkeit der Ausdehnung des Universums bestimmen, und somit auch sein Alter. Diese Messungen deuten jedoch auf ein etwas jüngeres Universum hin, und zwar von nur rund 13 Milliarden Jahren – allerdings alles im Rahmen breiter Fehlerbalken, also eines großen Toleranzbereichs.

Wie kann das sein, dass diese beiden Methoden so unterschiedliche Ergebnisse liefern?

Das ist ein großes Problem, das zurzeit intensiv in der Astrophysik-Gemeinde diskutiert wird. Bei all diesen Messungen stecken viele Annahmen in der Interpretation der Daten. So ist etwa nicht ganz klar, ob die Standardkerzen-Supernovae wirklich immer einen ähnlichen Energieumsatz haben und damit die gleiche Leuchtkraft erzeugen. Und auch bei der Interpretation des kosmischen Mikrowellenhintergrunds müssen Hypothesen zur Ausdehnung des frühen Universums gemacht werden, die wir nicht direkt überprüfen können. Unser Team hat deshalb versucht, einen anderen Weg zu gehen, der auf ganz anderen Annahmen beruht. Wir haben deshalb das Alter von vielen sehr alten Sternen aus der Frühzeit unserer Galaxie bestimmt. Damit lässt sich ein Mindestalter für das Universum festlegen, denn es kann natürlich nicht jünger sein als seine ältesten Sterne.

Wie alt ist das Universum?

Wie haben Sie diese alten Sterne gefunden?

Wir konnten auf den neulich erschienenen Datensatz des Weltraumteleskops Gaia zurückgreifen – oder besser gesagt Datenschatz, denn darin sind Millionen von Sternen und anderen Objekten hochgenau vermessen und kartiert. Gaia hat mittlerweile nach zehn Dienstjahren plangemäß den Betrieb eingestellt, aber die Datenanalyse läuft noch. Uns interessieren dabei nur die sehr alten Sterne. Dies sind ausschließlich Zwergsterne, da nur diese kleinen und leuchtschwachen Sterne langsam genug brennen, um mehr als zehn Milliarden Jahre alt zu werden. Unsere Sonne zum Beispiel ist rund 4,5 Milliarden Jahre alt und damit für einen Stern ihrer Größe schon im mittleren Alter.

Und wie lassen sich solche leuchtschwachen Zwergsterne überhaupt untersuchen?

Das ist eine gute Frage, denn genau das war bei früheren Analysen stets ein großes Problem. Wenn wir nach sehr alten Sternen gesucht haben, haben wir immer nur eine Handvoll gefunden, zu denen wir genauere Aussagen machen konnten. Und auch hier waren die Fehlerbalken ziemlich groß. Aber dank der hervorragenden Daten von Gaia haben wir nun eine Vielzahl von Zwergsternen, die wir eingehend analysieren konnten. Sie stammen alle aus unserer galaktischen Nachbarschaft, mit Entfernungen bis zu einigen tausend Lichtjahren. Weiter entfernte Zwergsterne lassen sich nicht mehr präzise genug vermessen.

Wie viele Sterne haben Sie analysiert?

Von ursprünglich rund 800 000 Sternen haben wir sukzessive den Datensatz immer weiter reduziert. Bei jedem Schritt haben wir nur diejenigen Zwergsterne ausgewählt, deren Parameter sich sauber bestimmen ließen. Dazu zählen insbesondere Entfernung, Leuchtkraft und Spektrum, woraus wir auch auf ihre Masse schließen können. Schlussendlich blieben nur noch 78 Sterne übrig, deren Alter wir anhand gängiger Sternmodelle mit einem geringen Fehler bestimmen konnten. Das ist ein gewaltiger Fortschritt gegenüber früheren Analysen, bei denen nur von rund fünf Sternen die Eigenschaften so genau bekannt waren.

Künstlerische Darstellung der Raumsonde Gaia

Und welches Alter konnten Sie für diese Sterne ermitteln?

Im Mittel betrug das Alter dieser Sterne rund 13,6 Milliarden Jahre. Das passt sehr gut zur Altersbestimmung des Kosmos über die kosmische Mikrowellenstrahlung von 13,8 Milliarden Jahren. Denn es dauerte etliche Dutzend Millionen Jahre nach dem Urknall, bis sich Galaxien bilden und dann auch die ersten Sterne entstehen konnten. Dieses Alter passt auch zu Beobachtungen von extrem weit entfernten Galaxien mit dem James-Webb-Weltraumteleskop, deren Licht rund 13,6 Milliarden Lichtjahre zu uns unterwegs war. All das deutet darauf hin, dass das Universum vor rund 13,8 Milliarden Jahren entstanden ist und dass sich schon rund 200 Millionen Jahre später Galaxien und frühe Sterne gebildet haben.

Wie zuversichtlich sind Sie, dass Ihre Altersbestimmung solide ist?

Was den Datensatz mit den 78 alten Sternen betrifft, so gehen wir davon aus, dass die Daten zuverlässig sind. Die Beobachtungen mit Gaia sind vielfach kalibriert worden. Der Fehlerbalken bei der Altersbestimmung betrug bei jedem einzelnen Stern rund zehn Prozent oder etwas weniger. Mit nur ein paar wenigen Sternen ließe sich damit noch kein klares Ergebnis erzielen. Aber bei 78 Sternen zeigt die Verteilung sehr deutlich ein Mindestalter von 13,6 Milliarden Jahren. Aber natürlich sind auch unsere Rechnungen nicht frei von Annahmen, die sich als falsch herausstellen können. So nutzen wir bestimmte gut etablierte Modelle, wie sich Sterne im Lauf der Zeit entwickeln und wie Masse, elementare Zusammensetzung und Leuchtkraft zusammenhängen. Sollte sich herausstellen, dass diese Modelle nicht ganz zutreffen, dann müssen wir unsere Berechnungen noch einmal neu anstellen. So ist das eben in der Wissenschaft.