Peng! Und es ward Licht. Vor rund 13,8 Milliarden Jahren war auf einmal unser Universum da. Einfach so. Genau genommen war da erst einmal kein Licht, sondern eine unvorstellbare Menge an Energie, zusammengepresst auf kleinstem Raum. Innerhalb winzigster Sekundenbruchteile – Milliardstel von Milliardstel von Milliardstel von Milliardstel von Sekunden – explodierte dieser Raum dann geradezu. Diese blitzartige Ausdehnung des Kosmos nennen Astrophysiker auch "Inflation" oder "inflationäre Phase". In dem damals extrem heißen und dichten expandierenden Plasma entstanden zunächst vermutlich viele Teilchen, die wir heute nicht mehr im Universum finden. Diese schweren, instabilen Vorväter aller Partikel zerfielen dann in die uns heute bekannte Materie – und vermutlich auch in die rätselhafte Dunkle Materie, die deutlich häufiger vorhanden ist als die gewöhnliche.

Die normale Materie war noch immer extrem heiß – zu heiß, um stabile Atome zu bilden. Erst nach fast 400 000 Jahren der fortwährenden, immer langsamer verlaufenden Expansion und Abkühlung des Universums konnten sich aus dem heißen, undurchsichtigen Plasma Atome bilden. Auf einmal wurde das Universum durchsichtig. Gasmassen schlossen sich zu Galaxien zusammen. Sterne begannen zu leuchten. Diese ersten Sterne waren enorm groß, hitzig und kurzlebig. Sie verbrannten in ihrem Inneren Wasserstoff und Helium, die nach dem Urknall praktisch die gesamte Materie im Universum stellten. Dabei bildeten sie schwerere Elemente, die sie bei gigantischen Supernova-Explosionen wieder ins Weltall bliesen. Aus diesen Stoffen bildeten sich schließlich jüngere Sterne wie unsere Sonne und Planeten wie unsere Erde mitsamt allem, was auf solchen Planeten herumwuselt.

Finale Wand nach Urknall
© ESA / Planck Collaboration
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Rund 380 000 Jahre nach dem Urknall war das Universum im Zuge seiner Expansion so weit abgekühlt, dass sich die Elektronen und die Atomkerne der Ursuppe zu Atomen verbanden. Es wurde damit durchsichtig. Von da an konnten Photonen ungehindert das Weltall durchfliegen. Sie zeigen nun, 13,8 Milliarden Jahre später, die ursprünglich 3000 Kelvin heiße Entkopplungsphase, wegen der fortschreitenden Expansion des Weltalls abgekühlt auf 2,7 Kelvin. Dieser Zustand erscheint uns als so genannte finale Wand. Sie ist hier in einer Gesamtansicht des Himmels dargestellt, die vom europäischen Durchmusterungssatelliten Planck aufgenommen wurde.

Dies ist die etablierte Theorie des Urknalls und passt so weit zu allen bekannten Beobachtungen. Sie weist aber auch auf die enormen Lücken in unserem physikalischen Wissen hin. Denn wir sind heute nicht in der Lage, die enormen Energien kurz nach dem Ereignis reproduzieren, um herauszufinden, welche Teilchen es damals gab. Auch der weltstärkste Teilchenbeschleuniger, der Large Hadron Collider bei Genf, hat nur einen winzigen Bruchteil der Energie, die damals vorlag. Und je näher man sich an den Urknall herantasten will, desto höhere Energie benötigt man – eine angesichts der immens steigenden Kosten bei großen Beschleunigern schwierige Aussicht. Physiker versuchten deshalb in den letzten Jahren verstärkt, aus astronomischen Daten auf die Frühzeit des Kosmos zu schließen.

Kosmische Inflation – großer Blasebalg und großes Bügeleisen

Ein wesentlicher neuer Baustein in der Urknalltheorie ist die kosmische Inflation. "Die kosmische Inflation erklärt, warum unser Universum so gleichmäßig ist", sagt Torsten Enßlin, Kosmologe am Max-Planck-Institut für Astrophysik. Egal in welche Richtung wir schauen, überall herrscht ungefähr die gleiche Dichte an Materie, die gleiche Anzahl an Galaxien in einem gewissen Raumbereich, fast die gleiche Temperatur.

Die Idee hinter der Inflation: Ganz zu Anfang, als alles noch ganz eng beieinander war, stand alles im Universum noch in engster Wechselwirkung. Wäre danach alles langsam expandiert, hätten sich minimale Schwankungen enorm verstärkt. Das Universum wäre dann von Ort zu Ort sehr unterschiedlich. Wenn sich der Raum aber explosionsartig "aufgeblasen" hat, wäre es gar nicht erst dazu gekommen und der Raum selbst wäre quasi "glatt gebügelt" worden, so wie er uns heute eben erscheint. Keine andere Theorie kann diese Probleme so elegant lösen wie die anfangs von vielen Wissenschaftlern als mathematischer Trick belächelte Theorie der Inflation.

Aber auch am Beginn der Zeit gab es winzige Quantenfluktuationen, die sich heute einerseits etwa in der Verteilung der Häufigkeit ganzer Galaxiengruppen niederschlagen. Andererseits drücken sie auch der kosmischen Hintergrundstrahlung ihren Stempel auf. Diese ist das Nachleuchten jener Zeit knapp 400 000 Jahre nach dem Urknall, als sich aus dem heißen Plasma stabile Atome bildeten. Mit Hilfe von Präzisionsmessungen durch Satellitenprojekte wie dem Planck-Weltraumteleskop können Forscher sogar Rückschlüsse auf sehr viel frühere Zeiten ziehen. "In der kosmischen Hintergrundstrahlung sehen wir Fluktuationen, die aus den allerersten Augenblicken unseres Universums zur Zeit der Inflation stammen", so Enßlin. Durch die Inflation, die diese minimalen Schwankungen zu kosmischen Dimensionen "aufgeblasen" und dadurch konserviert hat, lassen sich also wichtige und sehr allgemeine Erkenntnisse über die absolute Urzeit unseres Universums gewinnen. Enßlin arbeitet deshalb mit seiner Arbeitsgruppe an neuen Analysemethoden, um Teleskopbildern bislang unsichtbare Informationen zu entlocken.

Grafik: Die Entwicklung des Universums nach dem Urknall
© NASA / WMAP Science Team / SuW-Grafik
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Die Entwicklung des Universums nach dem Urknall beginnt gemäß dem Standardmodell der Kosmologie mit einer inflationären Phase. Danach bilden sich Galaxien und Sterne. Später expandiert das Universum unter dem Einfluss der Dunklen Energie beschleunigt.

Schon immer da gewesen?

Aber wie das in der modernen Physik mit ihrem Hang zur Abstraktion so ist, könnte das Bild vom Urknall vielleicht auch ganz anders aussehen. Das gängige Bild hat so etwas wie einen Punkt null – einen Punkt, vor dem es keinen Raum und keine Zeit gab. In diesem Bild macht es keinen Sinn zu fragen, was vor dem Urknall kam oder woraus der Urknall entstanden ist. Denn wenn mit dem Urknall Raum und Zeit begannen, gibt es schlicht kein "Davor" und "Daraus". Dies mag einer der Gründe sein, warum etwa der Vatikan nicht nur Galilei rehabilitiert hat – der italienische Gelehrte hatte ja mit der Behauptung, die Erde drehe sich um die Sonne, die Menschenwelt aus dem Zentrum der Schöpfung gerückt und dadurch seinerzeit den Bann der Kirchenoberen auf sich gezogen. Die Zeiten haben sich geändert: Der Vatikan hat auch die Theorie vom Urknall schnell akzeptiert. Schließlich war es nicht nur ein katholischer Priester und Astrophysiker, der Belgier Georges Henri Lemaître, der in den 1920er Jahren das erste Urknallmodell aufgestellt hatte. Die Vorstellung eines Urknalls ist schließlich auch hervorragend mit der Idee einer Schöpfung vereinbar.

Man kann aber natürlich trotzdem die Frage stellen, ob es vielleicht nicht doch so etwas wie ein Davor gegeben haben könnte. Selbstverständlich ist hier viel Raum für mutige Thesen und Theorien: Wenn man sich an den strengen wissenschaftsphilosophischen Standpunkt hält, dass jede Theorie falsifizierbar sein muss, wird es für einige Theorien von Paralleluniversen und dergleichen eng. Dennoch lassen sich Gleichungen aufstellen, mit denen sich Strukturen ganzer Bündel von Universen beschreiben lassen.

Einige Forscher leiten aus der Theorie der Inflation die Idee ab, die Ausdehnung des Raums müsse nicht allein in den uns bekannten Dimensionen stattgefunden haben. Stattdessen könnten Myriaden von Universen entstanden sein und immer noch weiter entstehen – mit unterschiedlichen Naturkonstanten, Dimensionen oder sogar Naturgesetzen. Andere Forscher vertreten die These, es hätte schon immer andere Universen vor unserem gegeben. Diese wären expandiert und irgendwann in einem großen Knall wieder zusammengestürzt, dem so genannten "Big Crunch" – dem Gegenstück zum Urknall, dem "Big Bang". So wie ein Jojo den Faden immer wieder rauf- und runterläuft, würde dann ein Universum im Urknall entstehen, sich ausdehnen, wieder zusammenziehen und schließlich im großen Endknall enden, der zugleich der Urknall für das nächste Universum ist.

Unter Umständen, wenn etwa der letzte Big Crunch nicht perfekt symmetrisch gewesen ist, könnten vielleicht sogar Informationen aus dem letzten Universum in unseres gelangt sein. Manche Forscher halten es für möglich, eine hinreichend hoch entwickelte Zivilisation könnte einen solchen Big Crunch so weit beeinflussen, dass sie Informationen über sich selbst in das neu entstehende Universum einfließen lassen oder dessen Struktur mitprägen. Aber dies sind sehr weit führende Spekulationen, an denen Physik und Metaphysik, Mathematik und Sciencefiction miteinander verschmelzen.

Gibt es mehr als nur ein Universum?
© fotolia / Jürgen Fälchle
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Wenn das rasante Aufblähen des Kosmos nur in einigen Regionen aufhört, anderswo aber weitergeht, entstünde eine Vielzahl von Universen, in denen womöglich ganz eigene Naturgesetze herrschen. Die jüngsten Ergebnisse der Physiker sprechen für dieses Modell.

Schrumpfende Atome

Aber vielleicht ist auch gar nicht das Universum gewachsen, sondern die Atome sind geschrumpft? Vielleicht hatte das Universum schon immer eine endliche Größe, und lediglich die Atome waren früher sehr viel größer? Das wäre zum Beispiel möglich, wenn die Massen der Elementarteilchen früher sehr viel kleiner gewesen wären. In einem solchen Bild würden Elektronen auf sehr viel größeren Bahnen um die Atome kreisen. Wenn sie an Masse zunehmen, schrumpfen die Radien der Elektronenbahnen und damit die Atome. Das, was uns heute als Expansion des Kosmos erscheint, wäre dann eher so etwas wie eine optische Täuschung: Denn wenn die Atome im Lauf der Zeit schrumpfen, erscheinen die Abstände im Raum größer, auch wenn dieser sich nicht oder nur wenig ändert. Die Raumzeit wäre dann im Lauf der Jahrmilliarden vielleicht nur ein Stück weit expandiert oder hätte sich wieder zusammengezogen, aber nicht so dramatisch wie beim gängigen Urknallmodell. Dafür bringen die schrumpfenden Atome eine andere interessante kosmische Eigenschaft mit sich: In einem solchen Modell gibt es keine Stunde null. Das Universum hätte schon immer existiert, in einer ewigen, ereignisarmen Weise – während die interessanten Strukturen, die wir als Galaxien, Sterne und Planeten kennen, sich erst in den letzten gut zehn Milliarden Jahren dank der Massenzunahme aller Teilchen entwickelt hätten.

Dieser Artikel ist Teil unserer Serie "Rätsel des Kosmos", die wir in den nächsten Wochen fortsetzen.

Der Heidelberger Theoretiker Christoph Wetterich hat an diesem Modell gefeilt. "In der Vergangenheit waren die Massen kleiner als heute, sie begannen beim Wert null", erklärt Wetterich. Erst das langsame Massenwachstum habe dann die heute bekannten Strukturen entstehen lassen. Mit diesem Modell kann Wetterich nicht nur die wichtigsten Beobachtungen im Kosmos ebenso erklären wie das Standard-Urknallmodell – auch wenn sein Modell natürlich nicht so weit ausgearbeitet ist wie die Urknalltheorie, die das Werk vieler Forscher ist. Dafür vermeidet Wetterichs Modell die Unendlichkeiten, die mit dem Urknall einhergehen. Im Wesentlichen bietet seine Theorie also einen alternativen Blick auf Raum und Zeit und die Entstehung des Universums.

Diese Theorie mag auf den ersten Blick ein wenig konstruiert klingen, aber sie hat gegenüber anderen Alternativmodellen einen entscheidenden Vorteil: Sie ist zumindest im Prinzip falsifizierbar. Denn wenn Teilchen ihre Masse ändern, muss irgendetwas diese Massenänderung hervorgerufen haben. In der Standardtheorie der Teilchenphysik ist das so genannte Higgs-Feld für die Masse der Elementarteilchen verantwortlich. Das zu diesem Feld gehörende Higgs-Teilchen wurde nach jahrzehntelanger, aufwändiger Suche schließlich vor ein paar Jahren am Europäischen Kernforschungszentrum CERN nachgewiesen. Nicht das Higgs-Feld, aber ein ähnliches Feld könnte eine Massenänderung der Elementarteilchen bewirkt haben. Bloß: Lässt sich das zugehörige Teilchen letztlich nachweisen lassen oder nicht? Wenn es nur extrem schwach an andere Materie koppelt, könnte es sich jedem Nachweis entziehen. Dann wäre es schon eher eine Frage der philosophisch-weltanschaulichen Vorliebe, ob man lieber eine unendliche Vergangenheit oder eine unendliche Singularität als Vorgeschichte unseres Kosmos ansehen will.

Satellitenexperimente könnten Fenster in die Urzeit bieten

Viele der heute noch offenen Fragen zur Frühzeit unseres Universums werden sich nicht so schnell beantworten lassen. Denn es ist außerordentlich schwierig, Daten aus einer so fernen Vergangenheit zu gewinnen, da seitdem alle Signale enorm abgeschwächt sind – oder weil sie sich nur anhand von Strukturen bemerkbar machen, die über den gesamten Kosmos verteilt sind. Große Erwartungen legen Kosmologen unter anderem auf zwei Satellitenprojekte der Europäischen Weltraumagentur ESA, die gegenwärtig in Vorbereitung sind und in den kommenden Jahren an den Start gehen sollen. Zum einen ist dies eLISA (Evolved Laser Interferometer Space Antenna), ein riesiger Gravitationswellen-Detektor, zum anderen die Weltraummission Euclid, die nach dem griechischen Urvater der Geometrie benannt ist. Die ESA entwickelt beide Projekte im Rahmen ihres Cosmic-Vision-Programms.

eLISA soll aus drei Satelliten bestehen, die mit einem Abstand von einer Million Kilometer durchs All fliegen und dabei ihren Abstand per Laser extrem genau vermessen. Treten Gravitationswellen zwischen den Satelliten hindurch, wird der Raum kurzzeitig gestaucht und wieder gestreckt. Durch den großen Abstand zueinander und da sie nicht durch irdische Schwingungen gestört werden, reagieren diese Satelliten extrem sensibel auf Gravitationswellen. Die Forscher hoffen, dadurch entfernte Kollisionen von Neutronensternen und Schwarzen Löchern auffinden zu können, die sich mit irdischen Observatorien nicht nachweisen lassen.

Der Euclid-Satellit soll dagegen die Expansion des Kosmos vermessen, indem er das Licht entfernter Galaxien auffängt. Mit diesen Daten hoffen die Astrophysiker wesentlich genauere Modelle zur Entwicklung des Universums aufstellen zu können. Damit sollte sich der Einfluss von Dunkler Materie und Energie besser als je zuvor abschätzen lassen. Euclid soll also das "Dunkle Universum" vermessen. Der Start ins All ist ungefähr für 2020 geplant, der von eLISA wahrscheinlich mehr als zehn Jahre später. Wie immer in der Grundlagenforschung heißt es also auch hier, Geduld zu beweisen, um schließlich den Rätseln des Universums einen Schritt näher zu kommen.