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Kosmologie: Zu gleichförmig

"Ich weiß, dass ich nichts weiß!" Dieses Paradoxon soll Sokrates in die Welt gesetzt haben. Heute trifft diese Einsicht zunehmend auf die Astrophysik zu. Neue Ergebnisse der Raumsonde WMAP rütteln am bestehenden Weltbild.
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Die Meinungen sind gespalten: Soll man die Astrophysiker nun beneiden oder bedauern? Zum einen haben sie im Laufe der vergangenen Jahre einen Wust an Daten gesammelt und immer detailliertere Erkenntnisse über den Aufbau und die Entstehung des Universums und der Gestirne hinzugewonnen. Zum anderen passt aber auch rein gar nichts so recht zusammen.

Kein Wunder, dass viele meinen, die Astronomen sind allesamt gewaltig auf dem Holzweg und haben keinen blassen Schimmer, wie das Weltall entstand und was es bewegt: Sprechen die Wissenschaftler beispielsweise doch verunsichert von einer ominösen Dunklen Materie, die aber noch nie jemand zu Gesicht bekommen hat, oder reden gar von einer Dunklen Energie, einer noch rätselhafteren Kraft, die den Kosmos künstlich aufblähen soll, von der keiner aber weiß, welchen Ursprung sie eigentlich hat.

Oft philosophieren die Forscher sogar von einer inflationären Ausdehnung des Alls kurz nach dem – ebenfalls nicht ganz unumstrittenen – Urknall, bei der unsere Welt überlichtschnell(!) aus einem Punkt(!) heraus mit unendlich(!) hoher Dichte und Temperatur expandierte. Da lachen manche Gelehrte und ticken mit ihren Zeigefingern an die Stirn. Bei derart kühnen Theorien würde sich Einstein wohl im Grabe umdrehen.

Andererseits sind die Himmelsgucker zu beneiden. Hier gibt es wahrlich noch etwas zu erforschen. Keine Theorie vermag auch nur ansatzweise die Phänomene einigermaßen konsistent zu erklären. Hier ist Forschergeist gefragt und penible Empirie.

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Wilkinson Microwave Anisotropie Probe | Künstlerische Darstellung des Satelliten Wilkinson Microwave Anisotropie Probe mit der Erde im Hintergrund
Wichtigste Instrumente, um an die kosmischen Fakten zu gelangen, sind Teleskope und Satelliten. Einer davon ist Wilkinson Microwave Anisotropy Probe, kurz WMAP. Die US-amerikanische Raumsonde durchforstet seit 2001 das gesamte Himmelszelt und kartiert mit einer enormen Präzision die Temperaturschwankungen in der so genannten kosmischen Hintergrundstrahlung. Diese Restwärme oder – angesichts eines durchschnittlichen Wertes von 2,725 Grad Celsius über dem absoluten Temperaturnullpunkt – wohl eher Kälte erfüllt das ganze Universum und scheint aus jeder beliebigen Richtung zu kommen. Sie gilt als stichhaltigster Beweis für den Urknall, aus dem vor gut 13,7 Milliarden Jahren alles, wirklich alles entstanden sein soll.

Etwa 380 000 Jahre nach dieser "Initialzündung" – so glauben die Astrophysiker zumindest – war die Materie so weit abgekühlt, dass die mittlerweile entstandenen Nuklide aus Protonen und Neutronen die ebenfalls herumschwirrenden Elektronen einfangen konnten. So bildeten sich elektrisch neutrale Atome. Das ist bei Temperaturen um die 3000 Kelvin der Fall.

Durch diesen Vorgang wurde das Universum gewissermaßen durchsichtig: Die Photonen, die vorher – ähnlich wie heute in der Sonne – in einem wabernden Plasma aus geladenen Atomkernen und Elektronen gefangen waren, konnten sich von nun an mehr oder weniger ungehindert ausbreiten. Die Strahlung entkoppelte sich von der Materie.

Mit der Ausdehnung des Weltalls ist die Hitze nunmehr auf gut drei Kelvin abgekühlt und nur noch ein Schimmer von sich selbst. Doch sorgt sie beispielsweise dafür, dass selbst mit den besten Radioantennen kein absolut rauschfreies Programm zu empfangen ist.

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Rotierende Karte | Rotierende Karte der kosmischen Hintergrundstrahlung, aufgenommen mit dem Satelliten Wilkinson Microwave Anisotropie Probe
WMAP hat nun winzige Temperaturunterschiede in der kosmischen Hintergrundstrahlung gemessen. Die Astronomen glauben, die wenige Millikelvin kühleren Stellen sind die Geburtsnarben von Galaxien und deren Superhaufen. Hier verloren die Photonen in der Frühphase des Universums etwas mehr Energie als anderswo, weil sie der jeweiligen Gravitation der Spiralnebel entkommen mussten.

Zusammen mit anderen Forschern haben sich Richard Lieu und Jonathan Mittaz von der Universität von Alabama in Huntsville diese Flecken nun sehr genau angesehen. "Das Problem ist nur", meint Lieu, "dass die Ausdehnungen der kalten und warmen Gebiete viel zu gleichförmig sind." Nach der Allgemeinen Relativitätstheorie von Albert Einstein, die besagt, dass Licht und andere elektromagnetische Strahlungen von Materie angezogen wird, müsste es bei der zu beobachtenden Verteilung der Materie im All deutlich größere und kleinere Flecken geben. Doch sind sie sich alle sehr ähnlich und haben mehr oder weniger dieselbe Größe.

"Das steht im Widerspruch zu den Beobachtungen"
(Richard Lieu)
Das widerspricht heutigen Vorstellungen. "Eigentlich müssten große Materieansammlungen wie die sichtbaren Galaxienhaufen das Licht wie eine Sammellinse bündeln", erläutert Lieu. "Die großen Lücken wirken wegen der Ausdehnung der Weltalls dagegen wie Streulinsen. Daher müssten sehr unterschiedlich große Flecken im Temperaturmuster auftauchen", meint der Astrophysiker.

Zum gleichen Ergebnis kommt Albert Einstein in seinen "Kosmologischen Betrachtungen zur allgemeinen Relativitätstheorie" aus dem Jahre 1917. Die hat er zwar unter der Annahme hergeleitet, dass sich die Materie im Universum gleichmäßig verteilt. Lieu und Mittaz konnten jetzt aber nachweisen, dass diese Schlussfolgerung ebenso für ein klumpiges Weltall gilt. "Das steht jedoch im Widerspruch zu den Beobachtungen", erläutert Lieu.

Nun beginnt die Suche nach Erklärungen. Dabei sind die Wissenschaftler nicht zimperlich. Sie schlagen verschiedene Alternativen vor. Der nach Ansicht von Lieu und seinen Kollegen konservativste Ansatz ist noch, anzunehmen, dass beispielsweise die verwendeten physikalischen Parameter des Standardmodels der Kosmologie, wie die Hubble-Konstante oder der Anteil an Dunkler Materie, falsch seien. Vielleicht prägen aber auch nahegelegene physikalische Effekte dem Hintergrundleuchten aus der Ferne ihren Stempel auf, vermuten die Sternengucker.

Ferner schließen die Wissenschaftler nicht vollkommen aus, dass das allgegenwärtige Rauschen möglicherweise nicht von einem wie auch immer gearteten Urknall stammt, zumal die Kritik an dieser Theorie zunehmend lauter wird.

Immerhin mussten zur Rettung des Big Bangs bereits viele phantastisch anmutende Annahmen formuliert werden. Beispielsweise muss sich das frühe Universum zu Beginn mit Überlichtgeschwindigkeit ausgedehnt haben. Hinzu kommen Konzepte der Dunklen Energie und der Dunklen Materie, die bislang der Erklärung harren.

Gegen die Urknall-Theorie sprechen ebenso jüngste Beobachtungen, nach denen Teleskope kürzlich erst sehr "alte" Sterne – so genannten rote Riesen – in Galaxien erblickten, die sich bereits so früh im Universum gebildet haben müssen, dass die roten Sonnengiganten eigentlich noch gar keine Gelegenheit gehabt haben konnten, ihren Kernbrennstoff aufzubrauchen. Auch dieses Paradoxon beschäftigt die Wissenschaft.

Die Kosmologie bleibt also spannend. Und niemand kann heute sagen, auch nur annähernd verstanden zu haben, wie alles miteinander zusammenhängt – auch die fleißigen Experten nicht.
05.08.2005

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 05.08.2005

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