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Kosmologie: Unser Platz im Universum

Schwarze Löcher, Dunkle Materie, Exoplaneten: Der renommierte britische Astrophysiker Martin Rees blickt zurück auf 175 Jahre mit vielen großen Entdeckungen in der Astronomie und in der Physik, die unser Weltbild veränderten.
Die Energiequelle der Sonne ist die Verschmelzung von Atomkernen in ihrem heißen Inneren.Laden...

Der französische Philosoph Auguste Comte behauptete im Jahr 1835, dass niemand jemals wissen werde, woraus die Sterne bestehen: »Wir verstehen es, ihre Formen, ihre Abstände, ihre Größen und ihre Bewegungen zu bestimmen«, schrieb er, »wohingegen wir niemals in der Lage sein werden, mit irgendwelchen Mitteln ihre chemische Zusammensetzung oder ihre mineralogische Struktur zu studieren, und erst recht nicht die Natur organisierter Wesen, die auf ihrer Oberfläche leben könnten.« Comte wäre verblüfft über die Entdeckungen, die seitdem gemacht wurden.

Heute wissen wir, dass das Universum viel größer und fremdartiger ist, als man vermutet hatte. Es erstreckt sich nicht nur über das Milchstraßensystem hinaus auf unzählige andere Galaxien – schon das würde die Astronomen des 19. und frühen 20. Jahrhunderts, für die unsere Galaxie »das Universum«; war, überraschen –, sondern es dehnt sich auch jeden Tag schneller aus. Jetzt können wir mit Zuversicht die kosmische Geschichte 13,8 Milliarden Jahre zurückverfolgen bis zu einem Moment, der nur eine Milliardstelsekunde nach dem Urknall liegt. Astronomen haben die Expansionsrate unseres Universums, die mittlere Dichte seiner Hauptbestandteile und andere Schlüsselzahlen auf eine Genauigkeit von ein oder zwei Prozent festgelegt. Sie haben auch neue physikalische Gesetze ausgearbeitet, welche den Weltraum regieren, die allgemeine Relativitätstheorie und die Quantenmechanik, welche sich als viel seltsamer erweisen als die von den Menschen zuvor verstandenen klassischen Gesetze. Diese Gesetze wiederum sagten kosmische Merkwürdigkeiten wie Schwarze Löcher, Neutronensterne und Gravitationswellen voraus. Die Geschichte, wie wir zu diesem Wissen kamen, ist voller zufälliger Entdeckungen, verblüffender Überraschungen und hartnäckiger Wissenschaftler, die Ziele verfolgten, die andere für unerreichbar hielten.

Unser erster Hinweis auf die wahre Natur der Sterne kam im Jahr 1860, als Gustav Kirchhoff erkannte, dass die dunklen Linien im Spektrum des von der Sonne kommenden Lichts durch verschiedene Elemente verursacht werden, die bestimmte Wellenlängen absorbieren. Astronomen analysierten ähnliche Merkmale im Licht anderer heller Sterne und entdeckten, dass sie aus den gleichen Materialien bestanden, die auf der Erde gefunden wurden – und nicht aus irgendeiner mysteriösen »fünften Essenz«, wie die Altvorderen geglaubt hatten.

Was das Licht der Sterne speist

Aber es dauerte länger, um zu verstehen, welcher Brennstoff die Sterne zum Leuchten brachte. Lord Kelvin (William Thomson) berechnete, dass, wenn die Sterne ihre Energie allein aus der Schwerkraft beziehen und sie sich langsam entleeren, während ihre Strahlung austritt, das Alter der Sonne 20 bis 40 Millionen Jahre betragen müsse. Das war weit weniger Zeit, als Charles Darwin oder die damaligen Geologen für das Alter der Erde abgeleitet hatten. In seinem letzten Aufsatz zu diesem Thema im Jahr 1908 fügte Kelvin eine Ausweichklausel ein, die besagte, dass er an seiner Schätzung festhalten würde, »wenn die Schöpfung nicht eine andere Energiequelle auf Lager haben würde«.

Diese Quelle, so stellte sich heraus, ist die Kernfusion – der Prozess, bei dem sich Atomkerne verbinden, um einen größeren Atomkern zu erzeugen und so Energie freizusetzen. Im Jahr 1925 berechnete die Astrophysikerin Cecilia Payne-Gaposchkin anhand der Lichtspektren von Sternen deren chemische Häufigkeit und stellte fest, dass sie im Gegensatz zur Erde hauptsächlich aus Wasserstoff und Helium bestehen. Sie enthüllte ihre Schlussfolgerungen in einer Arbeit, welche der Astronom Otto Struve als die brillanteste Doktorarbeit, die je in der Astronomie geschrieben wurde bezeichnete. Ein Jahrzehnt später zeigte der Physiker Hans Bethe, dass die Verschmelzung von Wasserstoffkernen zu Helium die Hauptenergiequelle in gewöhnlichen Sternen wie der Sonne ist.

Die wahre Natur der Nebel

Gleichzeitig wurden die Sterne immer weniger geheimnisvoll, und auch die Natur der verschwommenen »Nebel« wurde immer deutlicher. In der »Großen Debatte«, die am 26. April 1920 vor der Nationalen Akademie der Wissenschaften in Washington, D.C., stattfand, behauptete Harlow Shapley, dass unser Milchstraßensystem besonders sei und dass alle Nebel zu ihr gehörten. Im Gegensatz dazu argumentierte Heber Curtis, dass einige der unscharfen Objekte am Himmel separate Galaxien – »Inseluniversen« – seien, die unserem Milchstraßensystem völlig ebenbürtig seien. Der Konflikt wurde nicht in jener Nacht beigelegt, sondern erst einige Jahre später, als Edwin Hubble im Jahr 1924 die Entfernungen zu vielen Nebeln maß und nachwies, dass sie außerhalb des Milchstraßensystems lagen. Seine Befunde beruhten auf Cepheiden, veränderlichen Sternen in den Nebeln, die ihre wahre Helligkeit und damit ihre Entfernung durch ihre Pulsationsperiode verraten – eine Beziehung, die von der Astronomin Henrietta Swan Leavitt entdeckt wurde.

Von Nebeln zu GalaxienLaden...
Von Nebeln zu Galaxien | Erst in den 1920er Jahren wurde klar, dass viele »Nebel« eigenständige Welteninseln wie das Milchstraßensystem darstellen. Die optische Fotografie links zeigt die berühmte Sombrerogalaxie (Messier 104). Sie befindet sich in rund 50 Millionen Lichtjahren Entfernung im Sternbild Jungfrau. Von der Erde aus schauen wir fast direkt auf die Kante einer Materiescheibe aus kaltem dunklem Staub in der Randzone der Galaxie, welche an die Krempe eines Sombrerohuts erinnert.

Bald nachdem Hubble erkannt hatte, dass das Universum größer war, als viele gedacht hatten, stellte er fest, dass es immer noch größer wurde. Im Jahr 1929 entdeckte er, dass Merkmale in den Spektren der Sterne von fernen Galaxien röter erschienen – das heißt, eine längere Wellenlänge hatten – als die gleichen Merkmale in nahen Sternen. Würde man diesen Effekt als Dopplerverschiebung – also als natürliches Verhalten von Wellen, wenn sich die Strahlungsquelle von uns entfernt – interpretieren, würde dies bedeuten, dass sich andere Galaxien voneinander und von uns wegbewegen. In der Tat schienen sie sich umso schneller zurückzuziehen, je weiter sie von uns entfernt waren. Dies war der erste Hinweis darauf, dass unser Kosmos nicht statisch war, sondern sich ständig ausdehnte.

Neue Materieformen

Das Universum enthielt offenbar auch vieles, was wir nicht sehen konnten. Im Jahr 1933 schätzte Fritz Zwicky die Masse aller Sterne im Coma-Galaxienhaufen (siehe Bild unten) und stellte fest, dass sie nur etwa ein Prozent der Masse ausmachen, die notwendig ist, um den Galaxienhaufen am Auseinanderfliegen zu hindern. Die Diskrepanz wurde als das Problem der fehlenden Masse bezeichnet.

Import Heftartikel suw-202012-28: Bild 4 (ohne Titel)Laden...
Hinweis auf Dunkle Materie im Coma-Galaxienhaufen | Mehr als 1000 Galaxien tummeln sich im Coma-Galaxienhaufen, der 320 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt ist. Die Gravitation hält den Galaxienhaufen zusammen. Der schweizerische Astronom Fritz Zwicky fand anhand des Coma-Haufens heraus, dass es neben der sichtbaren leuchtenden Materie eine unsichtbare Komponente geben muss, die den Haufen als Ganzes zusammenhält: die Dunkle Materie.

Aber viele Wissenschaftler zweifelten damals an Zwickys Vermutung, dass verborgene Materie die Ursache sein könnte. Die Frage blieb bis in die 1970er Jahre ungeklärt, bis Arbeiten von Vera Rubin und W. Kent Ford (Sternbeobachtungen) sowie von Morton Roberts und Robert Whitehurst (Radiobeobachtungen) zeigten, dass auch die äußeren Teile der galaktischen Scheiben auseinanderfliegen würden, wenn sie nicht einer stärkeren Anziehungskraft unterlägen als Sterne und Gas allein. Schließlich sahen sich die meisten Astronomen gezwungen, zu akzeptieren, dass eine Art »Dunkle Materie« vorhanden sein muss. »Wir haben in eine neue Welt geblickt«, schrieb Rubin, »und dabei gesehen, dass sie mysteriöser und komplexer ist, als wir uns vorgestellt hatten.« Wissenschaftler glauben heute, dass die Dunkle Materie die sichtbare Materie um etwa das Fünffache übertrifft. Doch sind wir heute kaum näher als in den 1930er Jahren daran zu verstehen, was das ist.

Extreme Schwerkraft

Die Gravitation – diejenige Kraft, welche all diese Dunkle Materie zum Vorschein brachte –, hat sich als fast ebenso verwirrend erwiesen. Ein entscheidender Durchbruch ereignete sich im Jahr 1915, als Albert Einstein seine allgemeine Relativitätstheorie veröffentlichte, welche die Mechanik Isaac Newtons ablöste. Einsteins Theorie enthüllte, dass die Schwerkraft in Wirklichkeit die Verformung des Gefüges von Raum und Zeit ist. Dieses neue Konzept setzte sich nur langsam durch. Selbst nachdem sich die allgemeine Relativitätstheorie durch Beobachtungen einer Sonnenfinsternis im Jahr 1919 als richtig erwiesen hatte, wurde die Theorie von vielen als interessante Marotte abgetan – schließlich waren die newtonschen Gesetze immer noch gut genug, um die meisten Dinge zu berechnen. »Die Entdeckungen waren zwar sehr wichtig, hatten aber keinen Einfluss auf irgendetwas auf dieser Erde«, sagte der Astronom W. J. S. Lockyer der »New York Times« nach der Sonnenfinsternis. Fast 50 Jahre lang, nachdem die allgemeine Relativitätstheorie vorgeschlagen worden war, wurde sie aus dem Mainstream der Physik ausgeklammert. Dann, ab den 1960er Jahren, begannen die Astronomen, neue und extreme Phänomene zu entdecken, die nur mit Einsteins Ideen erklärt werden konnten.

Ein Beispiel dafür ist der Krebsnebel, eines der bekanntesten Objekte am Himmel, das aus den sich ausdehnenden Trümmern einer Supernova besteht, deren Zeuge chinesische Astronomen im Jahr 1054 waren (siehe Bild unten). Seit seinem Erscheinen leuchtet der Nebel weiterhin blau und hell – doch wie kommt das? Seine Lichtquelle war lange Zeit ein Rätsel, aber die Antwort wurde im Jahr 1968 gefunden, als sich der schwach leuchtende Stern in seinem Zentrum als etwas ganz Besonderes erwies.

Relikt im Krebsnebel: ein ultradichter PulsarLaden...
Relikt im Krebsnebel: ein ultradichter Pulsar | Eines der schönsten »Hubble-Bilder« ist der Krebsnebel. Es handelt sich um den Überrest einer Supernova vom Typ II, die im Jahr 1054 von Astronomen sogar am Taghimmel beobachtet wurde. Inmitten der Explosionswolke blinkt ein Millisekundenpulsar, ein schnell rotierender kompakter Neutronenstern. Für die Aufnahme wurden 24 optische Einzelbilder der Wide Field Planetary Camera 2 des Weltraumteleskops Hubble zu einem großen Bild kombiniert.

Tatsächlich handelt es sich um einen ultrakompakten Neutronenstern, massereicher als die Sonne, aber nur wenige Kilometer im Radius und mit 30 Umdrehungen pro Sekunde rotierend. »Dies war ein völlig unerwartetes, völlig neuartiges Objekt, das sich in einer Weise verhielt, die Astronomen nie erwartet und von der sie nie geträumt hatten«, sagte Jocelyn Bell Burnell, eine der Entdeckerinnen des Phänomens. Die übermäßig schnelle Rotation des Sterns erzeugt einen Teilchenwind aus schnellen Elektronen, der das blaue Licht abgibt. Die Gravitation an der Oberfläche eines so unglaublich dichten Objekts liegt weit außerhalb des newtonschen Regimes – eine Rakete müsste mit halber Lichtgeschwindigkeit abgefeuert werden, um der Anziehungskraft eines Neutronensterns zu entkommen. Hier müssen die von Einstein vorhergesagten relativistischen Effekte berücksichtigt werden. Tausende solcher rotierender Neutronensterne, die auch als Pulsare in Erscheinung treten, sind inzwischen entdeckt worden. Alle gelten als Überreste von massereichen Sternen, die als Supernovae explodierten, und bieten ein ideales Labor zur Untersuchung der Naturgesetze unter extremen Bedingungen.

Das exotischste Ergebnis der einsteinschen Theorie war das Konzept der Schwarzen Löcher – Objekte, die so weit kollabiert sind, dass nicht einmal Licht ihrer Anziehungskraft entkommen kann. Jahrzehntelang waren dies nur Vermutungen, und Einstein schrieb noch 1939, dass sie »in der physikalischen Realität nicht existieren«. Doch im Jahr 1963 entdeckten Astronomen Quasare: mysteriöse, extrem helle Leuchtfeuer in den Zentren einiger Galaxien. Es verging mehr als ein Jahrzehnt, bis sich ein Konsens darüber herausbildete, dass diese intensive Helligkeit von Materie erzeugt wird, das in riesige Schwarze Löcher stürzt, die in den Galaxienkernen lauern. Das war der bisher stärkste Beleg dafür, dass diese bizarren Vorhersagen der allgemeinen Relativitätstheorie tatsächlich existieren.

Urknall und kosmische Hintergrundstrahlung

Wann hat das Universum begonnen? Hatte es überhaupt einen Anfang? Die Astronomen hatten lange über diese Fragen debattiert, als Mitte des 20. Jahrhunderts zwei konkurrierende Theorien sehr unterschiedliche Antworten vorschlugen. Das Modell des »heißen Urknalls« (englisch: hot big bang) besagt, dass der Kosmos extrem klein, heiß und dicht begann und dann abkühlte und sich mit der Zeit ausbreitete. Die konkurrierende »Steady-State-Hypothese« ging im Gegensatz dazu davon aus, dass das Universum im Wesentlichen seit ewigen Zeiten in der gleichen Form existiert.

Der Wettstreit wurde durch eine zufällige Entdeckung entschieden: Im Jahr 1965 versuchten die Radioastronomen Arno Penzias und Robert Wilson, in den Bell Labs in New Jersey eine neue Antenne zu kalibrieren. Sie hatten ein Problem: Egal, was sie taten, um das Hintergrundrauschen zu reduzieren, maßen sie in jeder Richtung ein gleichförmiges Rauschen. Sie vertrieben sogar eine Taubenfamilie, die in der Antenne nistete, in der Hoffnung, dass sie die Ursache des Problems waren. Aber das Signal blieb bestehen. Sie hatten entdeckt, dass der intergalaktische Raum nicht völlig kalt ist. Stattdessen wird er durch schwache Mikrowellen auf fast drei Kelvin – also knapp über dem absoluten Nullpunkt – erwärmt. Penzias und Wilson hatten versehentlich das »Nachglühen der Schöpfung« aufgedeckt – das abgekühlte und verdünnte Relikt einer Ära, in der alles im Universum zusammengepresst wurde, bis es heiß und dicht war.

Der Befund gab den Ausschlag zu Gunsten der Urknalltheorie der Kosmologie. Denn dem Modell zufolge war das Universum in den frühesten heißesten Epochen der Zeit undurchsichtig, ähnlich wie das Innere eines Sterns, und Licht wurde wiederholt an Elektronen gestreut. Als die Temperatur jedoch auf 3000 Kelvin sank, wurden die Elektronen so weit verlangsamt, dass sie von Protonen eingefangen wurden und neutrale Atome bildeten. Danach konnte sich das Licht frei ausbreiten. Das Bell-Labs-Signal war dieses uralte Licht, das erstmals etwa 300 000 Jahre nach der Geburt des Universums freigesetzt wurde und immer noch den Kosmos durchdringt – das, was wir den kosmischen Mikrowellenhintergrund nennen. Es dauerte eine Weile, bis die Wissenschaftler, die diese Entdeckung gemacht hatten, das Ausmaß der Entdeckung begriffen: »Wir waren sehr froh, eine mögliche Erklärung [für das Antennenrauschen] zu haben, aber ich glaube, keiner von uns hat die Kosmologie anfangs wirklich ernst genommen«, sagte Wilson. »Walter Sullivan schrieb darüber einen Artikel auf der ersten Seite in der ›New York Times‹, und ich begann an diesem Punkt zu denken, dass ich vielleicht besser anfangen sollte, diese Kosmologie ernst zu nehmen.«

Die kosmische MikrowellenhintergrundstrahlungLaden...
Die kosmische Mikrowellenhintergrundstrahlung | Die ellipsenförmige Karte zeigt den gesamten von der Erde aus sichtbaren Himmel im Bereich der Mikrowellen. Sie erreichen uns aus einer frühen Phase des Universums, als es etwa 380 000 Jahre alt war. Sämtliche Vordergrundquellen wurden jedoch abgezogen, damit die kosmische Hintergrundstrahlung bei einer Temperatur von ungefähr 2,7 Kelvin zum Vorschein kommt. Im Falschfarbenbild stehen blaue für kühlere und rote für wärmere Bereiche, deren Strahlungstemperatur wenige 10-5 Kelvin unterhalb beziehungsweise oberhalb von 2,7 Kelvin liegen. Die Interpretation hat es in sich: Dieses »Babyfoto« des Universums zeigt überdichte Regionen in Blau. Hier bildeten sich in der weiteren kosmischen Entwicklung auf einer Zeitskala von Milliarden Jahren Galaxien und Galaxienhaufen, wie wir sie heute beobachten können. Die Entdeckung der kosmischen Hintergrundstrahlung war im Jahr 1978 nobelpreiswürdig.

Messungen dieser Strahlung haben es den Wissenschaftlern seither ermöglicht, die Entstehung von Galaxien zu verstehen. Genaue Beobachtungen der urzeitlichen Mikrowellen zeigen, dass sie über den Himmel nicht völlig gleichförmig sind. Einige Flecken sind etwas heißer, andere etwas kühler. Die Amplitude dieser Fluktuationen beträgt nur einen Teil von 100 000, aber sie sind die Keime der heutigen kosmischen Struktur (siehe Bild oben). Jede Region des expandierenden Universums, die anfangs etwas dichter als der Durchschnitt war, dehnte sich weniger aus, weil sie einer zusätzlichen Schwerkraft ausgesetzt war. Ihr Wachstum verzögerte sich immer weiter, und der Unterschied zwischen ihrer Dichte und derjenigen ihrer Umgebung wurde immer größer. Schließlich waren diese Klumpen so dicht, dass Gas hineingezogen und zu Sternen komprimiert wurde, wodurch Galaxien entstanden.

Dies ist der entscheidende Punkt: Computermodelle, die diesen Vorgang simulieren, werden mit den anfänglichen Fluktuationen gespeist, die im kosmischen Mikrowellenhintergrund gemessen wurden und die das Universum repräsentieren, als es 300 000 Jahre alt war. Das Ergebnis nach Ablauf von 13,8 Milliarden Jahren virtueller Zeit ist ein Kosmos, in dem die Galaxien denen ähneln, die wir sehen und so im Raum verteilt, wie sie im realen Universum sind. Dies ist ein wahrer Triumph: Wir verstehen, zumindest in groben Zügen, 99,998 Prozent der kosmischen Geschichte.

Leben und Sterben der Sterne

Es ist nicht nur das große Ganze des Kosmos, das wir verstanden haben; eine Reihe von Entdeckungen hat auch die Geschichte der elementaren Bausteine offenbart, aus denen Sterne, Planeten und sogar unsere eigenen Körper bestehen. Seit den 1950er Jahren führten Fortschritte in der Atomphysik zu einer genauen Modellierung der Oberflächenschichten von Sternen. Gleichzeitig erlaubte die detaillierte Kenntnis der Atomkerne – nicht nur der Wasserstoff- und Heliumatome, sondern auch der übrigen Elemente – den Wissenschaftlern zu berechnen, welche Kernreaktionen in den verschiedenen Stadien des Lebens eines Sterns dominieren. Die Astronomen verstanden, wie die Kernfusion in massereichen Sternen eine Zwiebelschalenstruktur erzeugt, wenn Atome nacheinander zu immer schwereren Elementen verschmelzen und im innersten heißesten Zentralbereich mit dem chemischen Element Eisen enden.

Die Astronomen erfuhren auch, wie Sterne sterben, wenn sie ihren Wasserstofftreibstoff verbrauchen und ihre äußeren Schichten absprengen. Leichteren Sternen ist dann ein stiller Untergang beschieden: Sie enden als dichte, schwach leuchtende Objekte, die Weiße Zwerge genannt werden. Schwerere Sterne hingegen verlieren mehr von ihrer Masse, entweder durch Winde während ihres Lebens oder durch einen explosiven Tod in einer Supernova. Diese ausgestoßene Masse erweist sich als entscheidend für unsere eigene Existenz: Sie vermischt sich mit dem interstellaren Medium und verdichtet sich zu neuen Sternen, die von Planeten wie der Erde umkreist werden.

Das Konzept stammt von Fred Hoyle, der es in den 1950er Jahren zusammen mit zwei anderen britischen Astronomen, Margaret Burbidge und Geoffrey Burbidge, sowie dem amerikanischen Kernphysiker William Fowler entwickelte. In ihrem klassischen Aufsatz, der im Jahr 1957 in den »Reviews of Modern Physics« (bekannt unter den Initialen der Autoren als BBFH) erschien, analysierten sie die Netzwerke der beteiligten Kernreaktionen und entdeckten, wie die meisten chemischen Elemente im Periodensystem entstanden sind. Sie berechneten, warum zum Beispiel Sauerstoff und Kohlenstoff weit verbreitet sind, während Gold und Uran selten vorkommen. Wie sich herausstellte, ist unsere Galaxis ein riesiges ökologisches System, in dem Gas durch aufeinanderfolgende Generationen von Sternen recycelt wird. Jeder von uns enthält Atome, geschmiedet in Dutzenden von verschiedenen Sternen, die über das ganze Milchstraßensystem verteilt sind; sie lebten und starben vor mehr als 4,5 Milliarden Jahren.

Exoplaneten und Leben

Wissenschaftler gingen lange Zeit davon aus, dass dieser Prozess Planeten – und möglicherweise sogar Leben – auch um andere Sterne als die Sonne säen würde. Aber wir wussten nicht sicher, ob es Planeten außerhalb unseres Sonnensystems überhaupt gibt. Das wurde erst in den 1990er Jahren klar, als Astronomen clevere Methoden entwickelten, um Welten zu identifizieren, die zu dunkel sind, als dass wir sie direkt sehen konnten. Eine Methode beruht auf winzigen periodischen Veränderungen in der Bewegung eines Sterns, die durch die Anziehungskraft eines ihn umkreisenden Planeten verursacht werden. Im Jahr 1995 verwendeten Michel Mayor und Didier Queloz dieses Vorgehen, um 51 Pegasi b zu entdecken, den ersten bekannten Exoplaneten, der einen sonnenähnlichen Stern umkreist (siehe Bild unten). Mit dieser Technik kann man die Masse eines Planeten, die Länge seines »Jahres« und die Form seiner Umlaufbahn ermitteln. Bislang wurden auf diese Weise mehr als 800 Exoplaneten gefunden.

Eine zweite Methode funktioniert besser für kleinere Planeten: Ein Stern verdunkelt sich leicht, wenn ein Planet an ihm vorüberzieht. Ein erdähnlicher Planet, der vor einen sonnenähnlichen Stern wandert, kann so eine Verdunkelung von etwa einem Teil von 10 000 einmal pro Umlauf verursachen. Die im Jahr 2009 gestartete Raumsonde Kepler fand auf diese Weise mehr als 2000 Planeten, viele davon nicht größer als die Erde.

51 Pegasi b, der erste jemals entdeckte Exoplanet  (künstlerische Darstellung)Laden...
Der erste Exoplanet | Im Jahr 1995 fanden europäische Astronomen zum ersten Mal einen Planeten, der außerhalb des Sonnensystems um einen sonnenähnlichen Stern kreist. Dieser Exoplanet, 51 Pegasi b, ist ein Heißer Jupiter (in der künstlerischen Darstellung links), also ein massereicher Planet, der sein Heimatgestirn sehr eng umkreist und sich dabei stark aufheizt. Dafür gab es den Physik-Nobel-preis im Jahr 2019. Seither entdeckten die Astronomen mehr als 4000 Exoplaneten.

Eine große Überraschung, die sich aus dem Erfolg der Astronomen bei der Planetensuche ergab, war die Vielfalt der verschiedenen Planeten dort draußen – viele waren größer und näher an ihren Sternen als die Körper in unserem Sonnensystem. Das deutet darauf hin, dass unsere kosmische Nachbarschaft etwas Besonderes sein könnte. Zu diesem Zeitpunkt verstanden die Wissenschaftler, woher fast alle Elemente stammen, aus denen Planeten, Sterne und Galaxien bestehen.

Das letzte Puzzleteil kam jedoch erst vor Kurzem und aus einer scheinbar nicht damit zusammenhängenden Untersuchung dazu. Auf Basis der allgemeinen Relativitätstheorie wurden Gravitationswellen vorhergesagt – Kräuselungen in der Raumzeit, die durch die Bewegung kompakter Objekte entstehen. Trotz jahrzehntelanger Suche nach ihnen wurden erst September 2015 Gravitationswellen direkt gemessen. Damals entdeckten Forscher mit dem Laserinterferometer LIGO die ersten Anzeichen von Gravitationswellen in Form eines »Zwitscherns« – eines winzigen Rüttelns der Raumzeit, das sich beschleunigt und dann wieder verebbt. Im ersten dokumentierten Fall wurde es von zwei Schwarzen Löchern in einem Doppelsystem verursacht, die sich anfangs gegenseitig umkreist hatten, sich aber allmählich spiralförmig zusammenschoben und schließlich zu einem einzigen größeren Loch verschmolzen (siehe Bild oben). Diese Kollision ereignete sich mehr als eine Milliarde Lichtjahre entfernt. Die Detektoren von LIGO bestehen aus vier Kilometer voneinander stehenden Spiegeln, deren Abstand durch Laserstrahlen gemessen wird, die das Licht zwischen ihnen hin- und herreflektieren. Eine vorbeiziehende Gravitationswelle lässt den Raum zwischen den beiden Spiegeln um einen Betrag hin- und herzittern, der millionenfach kleiner ist als der Durchmesser eines einzelnen Atoms – LIGO ist in der Tat eine erstaunliche Leistung von Präzisionstechnik und Beharrlichkeit. Seit diesem ersten Fund wurden mehr als ein Dutzend ähnlicher Ereignisse entdeckt, wodurch sich ein neues Feld eröffnet, das die Dynamik des Raums selbst untersucht.

Ein Ereignis war von besonderem astrophysikalischen Interesse, weil es die Verschmelzung zweier Neutronensterne anzeigte. Anders als bei der Verschmelzung Schwarzer Löcher entsteht bei derartigen Kollisionen zweier ultradichter Sterne ein Feuerwerk aus optischem Licht, Röntgen- und Gammastrahlen. Die Entdeckung füllte eine Lücke im klassischen Werk der Arbeit von BBFH: Die Autoren hatten die Entstehung vieler Elemente im Weltraum erklärt, waren jedoch im Fall des Goldes verwirrt. In den 1970er Jahren hatten David N. Schramm und seine Kollegen darüber spekuliert, dass die exotischen nuklearen Prozesse, die an Verschmelzungen von Neutronensternen beteiligt sind, die Aufgabe erfüllen könnten – eine Theorie, die sich inzwischen bestätigt hat.

Gravitationswellen von kollidierenden Schwarzen LöchernLaden...
Gravitationswellen von kollidierenden Schwarzen Löchern | Im September 2015 war es endlich so weit: Forscher registrierten mit den LIGO-Detektoren Gravitationswellen, die kurzzeitig ihre Messgeräte dehnten und stauchten. In rund einer Milliarde Lichtjahre Distanz stießen zwei Schwarze Löcher mit jeweils ungefähr 30 Sonnenmassen zusammen, die sich zuvor umkreisten (künstlerische Darstellung). Dabei entstand ein kurzes heftiges Beben in der Raumzeit, das – nachdem sich die Gravitationswelle mit Lichtgeschwindigkeit bis zu uns ausgebreitet hatte – die irdischen Detektoren für eine Zehntelsekunde erschütterte. Drei LIGO-Forscher gewannen dafür im Jahr 2017 den Nobelpreis für Physik.

Die großen offenen Fragen

Trotz der unglaublichen Fortschritte in der Astronomie in den letzten 175 Jahren, haben wir heute vielleicht mehr Fragen als in früheren Jahrhunderten. Nehmen Sie Dunkle Materie. Ich habe vor mehr als 20 Jahren gesagt, dass wir die Natur der Dunklen Materie schon lange vor dem heutigen Tag verstehen würden. Obwohl sich diese Vorhersage als falsch erwiesen hat, habe ich die Hoffnung nicht aufgegeben.

Dunkle Energie ist da eine andere Geschichte: Sie kam im Jahr 1998 ins Spiel, als Forscher bei der Messung der Entfernungen und Geschwindigkeiten von Supernovae feststellten, dass sich die Expansion des Universums tatsächlich beschleunigte. Die Gravitation, die Galaxien zueinander hinzog, schien von einer mysteriösen neuen, im leeren Raum latent vorhandenen Kraft dominiert zu werden, welche die Galaxien auseinanderdriften lässt – eine Kraft, die als Dunkle Energie bekannt wurde. Das Rätsel der Dunklen Energie hat sich hartnäckig gehalten – wir wissen immer noch nicht, was sie verursacht und warum sie die besondere Stärke hat, die sie besitzt. Und wir werden sie wahrscheinlich nicht verstehen, bis wir ein Modell für die Körnigkeit des Raums in einem Maßstab haben, der eine Milliarde Milliarden Mal kleiner ist als ein Atomkern. Theoretiker, die an der Stringtheorie oder der Schleifen-Quantengravitation arbeiten, stellen sich dieser Herausforderung. Allerdings scheint das Phänomen so weit von experimentellen Tests entfernt zu sein, dass ich in nächster Zeit keine Antworten erwarte. Das Positive daran ist jedoch, dass eine Theorie, welche die Energie im Vakuum des Weltraums erklären kann, auch Einblicke in die Anfänge unseres Universums geben könnte, als alles so komprimiert und dicht war, dass Quantenfluktuationen den gesamten Kosmos erschüttern konnten.

Was uns zu einer weiteren großen Frage bringt, vor der wir jetzt stehen: Wie hat das alles begonnen? Was genau löste den Urknall aus, mit dem unser Universum begann? Unterzog sich der Weltraum einer Periode extrem schneller früher Expansion, die man Inflation nennt, wie viele Theoretiker glauben? Und da ist noch etwas anderes: Einige Modelle, wie zum Beispiel die ewige Inflation, legen nahe, dass »unser« Urknall nur eine Insel der Raumzeit in einem riesigen Archipel sein könnte – ein Urknall unter vielen. Wenn diese Hypothese wahr ist, könnten verschiedene Urknalle unterschiedlich abkühlen, was in jedem Fall zu einzigartigen physikalischen Gesetzen führt – einem »Multiversum« statt eines Universums. Einige Physiker hassen das Konzept des Multiversums, weil es bedeutet, dass wir nie vernünftige Erklärungen für die fundamentalen Zahlen haben werden, die unsere physikalischen Gesetze bestimmen. Aus dieser umfassenderen Perspektive wären sie vielleicht nur »Unfälle«. Aber unsere Präferenzen sind für die Natur irrelevant.

Vor etwa zehn Jahren war ich auf einer Podiumsdiskussion an der Stanford University, auf der wir von einem Zuhörer gefragt wurden, wie viel wir auf das Konzept des Multiversums setzen würden. Ich antwortete, dass ich auf einer Skala, auf der ich um meinen Goldfisch, meinen Hund oder mein Leben wettete, fast auf Hundeniveau war. Andrei Linde, der sich 25 Jahre lang für die ewige Inflation stark gemacht hatte, sagte, er würde fast sein Leben verwetten. Später, als man ihm dies mitteilte, sagte der Physiker Steven Weinberg, er würde mit Freuden um das Leben meines Hundes und Lindes wetten. Linde, mein Hund und ich werden alle tot sein, bevor die Frage geklärt ist. Aber nichts davon sollte als Metaphysik abgetan werden. Es ist spekulative Wissenschaft – aufregende Wissenschaft. Und sie mag wahr sein.

Aussicht auf das Ende

Und was wird mit diesem Universum – oder unserem Multiversum – geschehen? Langfristige Vorhersagen sind selten zuverlässig, aber die beste und konservativste Wette ist, dass wir fast eine Ewigkeit mit einem immer kälteren und immer leereren Kosmos vor uns haben. Galaxien werden sich immer schneller entfernen und verschwinden. Alles, was von unserem Aussichtspunkt übrig bleiben wird, werden die Überreste des Milchstraßensystems, der Andromedagalaxie und kleinerer Nachbarsysteme sein. Protonen können zerfallen, Dunkle-Materie-Teilchen können vernichtet werden; es kann gelegentliche Lichtblitze geben, wenn Schwarze Löcher verdampfen – und dann folgt Stille. Diese mögliche Zukunft basiert auf der Annahme, dass die Dunkle Energie konstant bleibt. Wenn sie jedoch zerfällt, könnte es zu einem »großen Knirschen« (englisch: big crunch) kommen, bei dem sich das Universum in sich selbst zusammenzieht. Oder wenn sich die Dunkle Energie verstärkt, gäbe es einen »großen Zerriss« (englisch: big rip), weil Galaxien, Sterne und sogar Atome auseinandergerissen werden.

Andere Fragen, die näher an unserer kosmischen Heimat liegen, quälen uns: Könnte es auf einem dieser neuen Planeten, die wir entdecken, Leben geben? Hier befinden wir uns noch im Reich der Spekulationen. Aber sofern der Ursprung des Lebens auf der Erde nicht ein seltener Zufall war, rechne ich innerhalb von 20 Jahren mit Belegen für eine Biosphäre auf einem Exoplaneten. Ich erwarte nicht, dass so bald Aliens entdeckt werden, aber ich denke, dass die Suche nach außerirdischer Intelligenz ein lohnendes Wagnis ist. Ein Erfolg bei der Suche würde die tief greifende Bedeutung haben, dass die Konzepte der Logik und Physik nicht auf die »Hardware« in menschlichen Schädeln beschränkt sind. Bisher verdankt der Fortschritt in der Kosmologie und Astrophysik zu 95 Prozent der Weiterentwicklung von Instrumenten und Technologie und zu weniger als 5 Prozent der »Sesseltheorie«. Ich gehe davon aus, dass dieses Gleichgewicht fortbestehen wird.

»Erst wenn die empirischen Ressourcen erschöpft sind, müssen wir uns in die träumerischen Gefilde der Spekulation begeben«

Was Hubble in den 1930er Jahren schrieb, ist auch heute noch eine gute Maxime: »Erst wenn die empirischen Ressourcen erschöpft sind, müssen wir uns in die träumerischen Gefilde der Spekulation begeben.« Es gab viele besonders aufregende Epochen in den vergangenen 175 Jahren: die 1920er und 1930er Jahre, als wir erkannten, dass das Universum nicht auf das Milchstraßensystem beschränkt ist; und die 1960er und 1970er Jahre, als wir Objekte entdeckten, die der klassischen Physik trotzen, wie Neutronensterne und Quasare, und als wir Hinweise auf den Beginn der Zeit in Form der kosmischen Mikrowellenhintergrundstrahlung fanden.

Seitdem hat sich das Fortschrittstempo eher gefestigt als verlangsamt. Wenn die Geschichte der Wissenschaft niedergeschrieben wird, werden wir diesen erstaunlichen Fortschritt als einen ihrer größten Triumphe feiern – mit der Plattentektonik, dem Genom und dem Standardmodell der Teilchenphysik. Und einige wichtige Bereiche der Astronomie sind gerade in Fahrt gekommen: Die Exoplanetenforschung ist erst 25 Jahre alt, und die ernsthafte Arbeit in der Astrobiologie steht eigentlich noch am Anfang. Einige Exoplaneten könnten Leben aufweisen – sie könnten sogar Aliens beherbergen, die bereits alle Antworten kennen. Ich finde das ermutigend.

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