Schattenblick →INFOPOOL →NATURWISSENSCHAFTEN → ASTRONOMIE

FORSCHUNG/360: Perspektiven astronomischer Entdeckungen (Sterne und Weltraum)


Sterne und Weltraum 8/08 - August 2008
Zeitschrift für Astronomie

Perspektiven astronomischer Entdeckungen

Von Hans-Walter Rix


Wohin geht die astronomische Forschung? Welche grundlegenden Fragen zur Struktur der Welt im Großen werden wir in Zukunft beantworten können? Möglicherweise stehen unserem Weltbild radikale Umbrüche bevor - andere Erden, anderes Leben, andere Physik, andere Universen. Wo liegen die Grenzen unserer empirischen Wissenschaft?


Astronomisches Denken fundiert einerseits auf der bekannten Physik: Es nutzt ihre allgemeine Gültigkeit, um neue Phänomene zu entdecken - etwa Planeten um andere Sonnen oder die erste Generation von Sternen, die in unserem Universum bald nach dem Urknall aufleuchtete.

Andererseits verwenden die Astronomen das Universum als Labor, um die in unserer nahen Umgebung erprobten physikalischen Gesetze auf unbekanntem Gelände zu testen. Dabei stoßen sie immer wieder auf gänzlich neue Physik: Die kürzlich erfolgte Entdeckung der Dunklen Energie liefert dafür vielleicht das spannendste Beispiel.

Und welche neuen Entdeckungen stehen uns bevor? Möglicherweise wird sich Leben auf anderen Planeten nachweisen lassen, und eines Tages werden wir untersuchen müssen, ob die Frage »Gibt es andere Universen?« jemals empirisch zu beantworten ist.


Drei astronomische Fragen

Im Titel dieses Beitrags habe ich das Wort »Perspektiven« verwendet, denn ich möchte die Gedankengänge herausarbeiten, die hinter den schönen Bildern und den scheinbar absurden Erklärungen der Astronomen stecken. Immer wieder, wenn wir die Frage stellen: »Warum ist etwas so, wie es ist?«, stellt sich als Antwort die Gegenfrage: »Wie könnte es anders sein?« Aber im astrophysikalischen und insbesondere im kosmologischen Kontext kann diese Frage nach möglichen Alternativen in ein ernsthaftes Dilemma führen.

Welche Gedankengänge stecken hinter den scheinbar absurden Erklärungen der Astronomen?

Die erste Frage, bei der wir uns lange nicht vorstellen konnten, wie es hätte anders sein können, war die nach dem Vorhandensein anderer Planeten, anderer Erden und möglicherweise auch nach anderem Leben - dieser Gordische Knoten wurde in den letzten zehn Jahren mit der Entdeckung und ersten Erforschung der Exoplaneten zerschnitten.

Der zweite Aspekt betrifft das Universum als eine Art Labor, das uns immer wieder genötigt hat, neue physikalische Gesetze zu formulieren. Ich denke, dass wir sehr gute Gründe benötigen, um eine neue Physik in Betracht zu ziehen, aber ich werde Ihnen einige Beispiele geben, die uns in diese Richtung gedrängt haben.

Die letzte und am schwersten mit Problemen beladene Frage lautet: Wie weit kommen wir überhaupt mit unserem wissenschaftlichen Denken: Können und sollen wir fragen, warum unser gesamtes Universum so ist, wie es ist?


Das Sonnensystem

Unser Sonnensystem enthält vier große Gasplaneten, die auf äußeren Bahnen umlaufen, und vier kleine felsige Planeten weiter innen. Die meisten von ihnen waren seit Jahrtausenden bekannt, allesamt seit Jahrhunderten. Ihre Umlaufbahnen liegen alle in einer Ebene und sind nahezu kreisförmig - die einzige Ausnahme bildet Pluto, das hässliche Stiefkind, welches kürzlich ganz offiziell aus der Planetenfamilie herausgeworfen wurde.

Die Erde ist einer der inneren, felsigen Planeten. Ihre Bahn verläuft innerhalb der »habitablen Zone«, welche die Sonne umgibt. Diese Zone ist dadurch definiert, dass in ihr das Wasser flüssig ist.

Wenn wir nun die Frage stellen, warum das Sonnensystem so ist, wie es ist, können wir die Antwort auf dreierlei Wegen suchen. Erstens können wir sagen: »So ist es halt!« - und dabei sind viele der traditionellen Sonnensystem-Forscher im Wesentlichen geblieben. Das liegt daran, dass die meisten von ihnen Geologen oder Atmosphärenforscher sind: Sie sind an der Frage interessiert, wie die Geologie der verschiedenen Planeten funktioniert; oder sie sind Atmosphärenforscher und möchten die verschiedenen Planetenatmosphären verstehen. Unter dieser Voraussetzung werden wir vielleicht etwas Neues über geologische Strukturen oder über Planetenatmosphären lernen, wir werden damit aber niemals die Frage beantworten können, warum es einen Jupiter gibt.

Der zweite Weg, die Frage nach dem Sonnensystem zu beantworten, liegt darin, zu zeigen, dass die geltenden physikalischen Gesetze typischer- und logischerweise zu Planetensystemen der Art des Sonnensystems führen.

Der dritte, und zweifellos der schwierigste Weg geht davon aus, dass die Struktur des Sonnensystems in hohem Maße und vielleicht sogar unweigerlich mit unserer Existenz als irdische Beobachter verflochten ist. Unter diesem Gesichtspunkt erscheinen die im Folgenden geschilderten neuen Entdeckungen in einer breiteren Perspektive, die sich als überaus fruchtbar erwiesen hat.


Extrasolare Planetensysteme

Diese Geschichte begann Mitte der 1990er Jahre. Planeten bei anderen Sternen sind nicht deshalb so schwierig nachzuweisen, weil sie so lichtschwach sind, sondern weil sie ein paar Millionen oder Milliarden mal schwächer leuchten als ihre eng benachbarten Zentralsterne: Das Problem liegt in der Schwierigkeit, diesen Helligkeitskontrast auf engstem Raume zu überwinden. Deshalb wurden im Laufe des letzten Jahrzehnts einige neue Tricks entwickelt. Zum Beispiel: Wenn ein Planet wie Jupiter die Sonne umrundet, laufen in Wahrheit beide, der Planet und die Sonne, um den gemeinsamen Massenschwerpunkt. Das heißt, nicht nur der Planet, sondern auch sein Zentralstem »wackelt« - er vollführt eine Hin-und-her-Bewegung, deren Amplitude durch das Verhältnis beider Massen bestimmt wird. Heute können wir Massenverhältnisse bis herunter zu 1/100.000 nachweisen, und so hat sich diese Technik, Planeten über das »Wackeln« ihrer Zentralsterne zu suchen, als äußerst erfolgreich erwiesen.

Das zweite Verfahren zur Entdeckung extrasolarer Planeten ist die »Transitmethode«. Ausgehend von einer großen Anzahl möglicher Planetensysteme sucht man nach jenen, die wir zufällig »von der Kante« sehen, so dass ihre Planeten aus unserer Sicht bei jedem Umlauf vor der Scheibe ihres Zentralsterns vorüberziehen, ihn dabei bedecken und seine Helligkeit um einen geringen Bruchteil reduzieren. In unserem Sonnensystem passiert es ab und zu, dass Venus über die Sonnenscheibe läuft; dabei wird die Helligkeit der Sonne um 0,25 Prozent herabgesetzt, entsprechend dem Anteil der Sonnenoberfläche, den der Planet abdeckt. In der Praxis liegt die Gefahr dieser Methode in einem eventuell nur vorgetäuschten Nachweis: Der nachzuweisende Helligkeitsabfall ist klein, und es gibt zahlreiche andere Effekte, die einen solchen Abfall verursachen können. Aber oft lässt sich ein echtes Transitereignis anhand seiner charakteristischen Lichtkurve erkennen: Der Stern wird plötzlich lichtschwächer, wenn der Planet seinen Durchgang vor ihm beginnt; anschließend bleibt seine Helligkeit für einige Zeit konstant, und schließlich steigt sie ebenso plötzlich wieder auf den ursprünglichen Wert (siehe auch Bild auf Seite 114). Dieser Ansatz ist besonders interessant: Wenn der Planet eine Atmosphäre besitzt, wird sie während des Durchgangs von hinten beleuchtet, so dass man ein Absorptionsspektrum aufnehmen und die chemische Zusammensetzung der Atmosphäre untersuchen kann.

Mit diesen beiden Verfahren wurden etwa 300 Planetensysteme entdeckt. Die Grafik links zeigt das Sonnensystem im Vergleich mit einigen bisher entdeckten Mehrfachsystemen. Die meisten der Planeten sind massereich und umlaufen ihren Zentralstem auf engen Bahnen. Das liegt zum Teil daran, dass solche Planeten mit den verwendeten Verfahren am Leichtesten zu finden sind, und dass dieses Forschungsgebiet so jung ist: Planeten, deren Umlaufperiode mit der Jupiters (11,9 Jahre) vergleichbar ist, hat man noch kaum über einen Umlauf hinweg beobachten können! Die gesuchten Effekte werden hier erst viel später zutage treten.

Unten ist noch einmal das Planetensystem von Ypsilon Andromedae dargestellt. In diesem und in anderen Fällen zeigt sich ein sehr interessantes Phänomen: Planeten von der Größe Jupiters können nicht so nahe an ihrem Zentralstem entstanden sein, wie man sie beobachtet - im Fall von Ypsilon Andromedae nur fünf Sternradien von ihm entfernt. Sie müssen weiter außen entstanden und anschließend nach innen gewandert sein, wo wir sie heute finden.


Leben außerhalb des Sonnensystems?

Wir sehen: Dieses Forschungsfeld ist noch sehr jung, aber es entwickelt sich schnell, und bereits jetzt zeichnen sich bedeutende Schlussfolgerungen ab: Erstens natürlich, dass neben dem Sonnensystem auch andere Planetensysteme existieren - heute scheint uns das schon fast selbstverständlich zu sein -, und dass sie von unserem System sehr verschieden sein können. Zweitens, und das hat sich weitgehend aus numerischen Simulationen ergeben, dass Planeten während ihrer Entstehung und danach wandern (migrieren). Man geht allgemein davon aus, dass sie in der dichten Scheibe aus Gas und Staub entstehen, die den jungen Stern nach seiner Geburt noch für kurze Zeit umgibt. Die vielen bekannten jupitergroßen Planeten, die heute ihre Zentralsterne auf engster Bahn in wenigen Tagen umlaufen, sind vermutlich viel weiter außen entstanden, wo das für ihren Aufbau benötigte Material in Fülle zur Verfügung stand. Die bremsende Wirkung der noch vorhandenen Scheibe hat sie dann nach innen laufen lassen. Anscheinend missglückt der Prozess der Planetenbildung recht häufig, indem die neu entstandenen Planeten in ihren Zentralstern stürzen.

Diese Schlussfolgerung war der Anlass für weitere Modellrechnungen, in denen die Entwicklung hypothetischer Planetensysteme über einige Milliarden Jahre hinweg verfolgt wurde. Wie sich herausstellte, bleiben nach dieser Zeit nicht mehr als vier große Planeten zurück, auch wenn es am Anfang fünfzig gewesen wären! Systeme mit mehr großen Planeten sind instabil, die überschüssigen Exemplare werfen sich gegenseitig in den Weltraum hinaus. Und auch nur vier große Planeten bilden nur dann ein stabiles System, wenn ihre Bahnen in einer Ebene liegen und nahezu kreisförmig sind.

Was bedeutet das für unser Verständnis des Sonnensystems? Das ist bisher noch nicht klar, denn in jeder Hinsicht erdähnliche Planeten konnten noch nicht gefunden werden - das wird vielleicht noch rund zehn Jahre so bleiben, bis die Riesenteleskope der nächsten Generation zum Einsatz kommen. Im Sonnensystem steuern die äußeren Planeten die Rate der Kometen, die in den inneren Bereich vordringen, indem sie sie mit ihren starken Gravitationskräften ablenken. Wie stark dadurch die Entwicklung von Leben beeinflusst wurde, wissen wir jedoch noch nicht.

Gibt es Leben außerhalb des Sonnensystems? Auf die Antwort werden wir noch einige Jahre warten müssen!

Dies führt uns zur Frage nach der Existenz von Leben außerhalb des Sonnensystems. Es gibt bereits mehrere Pläne zur Suche nach extraterrestrischem Leben, für einen davon liegt eine wohldefinierte Strategie für die nächsten dreißig Jahre vor. Dabei geht es darum, Planeten bei sonnenähnlichen Sternen mit interferometrischen Methoden zu suchen, das Licht der Zentralsterne abzublocken und die Planeten spektroskopisch zu untersuchen. Das Bild auf Seite 36 oben zeigt die Spektren der inneren Planeten unseres Sonnensystems, Venus, Erde und Mars. Die für Kohlendioxid (CO2) charakteristischen Absorptionslinien belegen die Existenz von Atmosphären, bei der Erde sind zusätzlich die Signaturen für Wasser (H2O) und Ozon (O3) deutlich zu sehen. O3 ist ein Folgeprodukt des freien Sauerstoffs, der wiederum für die Anwesenheit des Lebens charakteristisch ist.

Dieser Ansatz erlaubt die Suche nach Planeten, auf denen es möglicherweise Leben gibt. Allerdings liegt ihm eine sehr spezielle Hypothese zugrunde, und es ist mir nicht klar, ob diese Hypothese uns, wenn wir so weit sein werden, immer noch als die interessanteste erscheinen wird. Der Ansatz zeigt allerdings, wie aufregend dieses Forschungsgebiet heute ist: nachdem wir zweitausend Jahre lang über ein einziges Sonnensystem nachgedacht hatten, eröffnet sich nun eine ganz neue Sicht auf bis vor Kurzem noch ungeahnte Alternativen: Auf die Frage »Kann ein Planetensystem anders als unseres aussehen?« hat uns die Natur direkte Antworten gegeben.


Die großräumige Struktur des Universums

Wir wollen nun das schwierigere Problem untersuchen, wie weit man gehen kann und soll in der Frage, warum das Universum so ist, wie es ist. Zunächst möchte ich kurz daran erinnern, was wir über die Gesamtstruktur des Alls wissen. Blicken wir auf einen fernen Punkt in beliebiger Richtung, so wächst die Entfernung bis zu diesem Punkt mit der Zeit, und je größer seine Entfernung ist, desto schneller scheint er sich von uns zu entfernen.

Wir können uns die Situation veranschaulichen, indem wir an ein zweidimensionales Analogon denken - an die Oberfläche einer Sphäre. Wenn die Sphäre expandiert, sieht der auf ihr stehende Betrachter, wie alle Punkte der Oberfläche sich von ihm entfernen, egal, in welche Richtung er blickt. Ganz ähnlich ist es, wenn wir das Universum betrachten. Tatsächlich benötigen wir nicht die gedankliche Krücke, dass das Universum in irgend etwas anderes hinein expandiert (so wie die zweidimensionale Oberfläche der Sphäre in den dreidimensionalen Raum expandiert), es genügt, wenn wir das Universum so beschreiben, dass dabei das, was wir als Entfernung definieren, sich mit der Zeit vergrößert.

Diese kosmische Expansion lässt sich in Gedanken rückwärts verfolgen - es muss einmal einen sehr dichten und damit auch sehr heißen Zustand gegeben haben. Es gibt empirische Evidenz dafür, dass das Universum damals nicht nur sehr heiß, sondern auch hochgradig homogen gewesen ist; die relativen Temperatur- und Dichteschwankungen waren während der frühesten beobachtbaren Phasen nicht größer als 1/100.000 Dies ist deshalb von großer Bedeutung, weil das Universum auch heute im Durchschnitt ein sehr langweiliger Ort ist: Es gibt darin nur ein Atom pro Kubikmeter, und kaum jemals geschieht etwas.

Also ist die Erde für das Universum extrem untypisch: Hier liegt die Materiedichte etwa um den Faktor 1028 über dem Durchschnitt. Deshalb müssen wir nicht nur die Expansion erklären, sondern auch, wie im Universum die Strukturen und Himmelsobjekte entstanden, die es ja erst interessant machen.

Verfolgen wir in Gedanken ein begrenztes Volumen während seiner Expansion: Es gibt darin anfängliche, minimale Dichteschwankungen, es gibt die Expansion, die sie auseinander zieht, und es gibt die Gravitation, eine sehr kapitalistische Kraft: Wo die Dichte bereits geringfügig erhöht ist, wird die Gravitation weitere Masse hinzuziehen. Und wenn wir die Entwicklung in einem Computer verfolgen, dann führt sie unweigerlich zur Bildung von lauter Knoten und Filamenten (Bild S. 36 unten) - diese dichten Knoten sind die Orte, an denen wir meinen, dass Galaxien entstehen. Wir können diese Simulation mit einer Karte der tatsächlich beobachteten Verteilung der Galaxien im Universum vergleichen: Eine solche Karte ist kürzlich als Ergebnis des Sloan Digital Sky Survey (SDSS) entstanden (Bild rechts oben, S. 37), und der Vergleich zeigt, dass in der Natur tatsächlich ähnliche Knoten und Filamente entstanden sind wie in den numerischen Simulationen. Am SDSS beteiligen sich weltweit 25 Wissenschaftsorganisationen: Unter Einsatz eines speziellen 2,5-Meter-Teleskops ergab die Durchmusterung in ihrer ersten Phase (bis 2005) die dreidimensionale Verteilung von nahezu 200 Millionen kartierter Objekte. Seither laufen in einer zweiten Phase speziellere Durchmusterungen.

All dies funktioniert bestens, nur leider müssen wir die Gravitationskräfte anpassen, damit sie die Klumpen und Filamente mit sechsmal höherer Effizienz entstehen lassen, als es die im Universum tatsächlich beobachteten Massen nahelegen. Auf dieser Tatsache basiert ein wichtiges Argument für die Existenz der so genannten Dunklen Materie - und nicht nur die Strukturbildung, sondern viele andere Erscheinungen können nur mit der radikalen Annahme erklärt werden, dass es im Universum sechsmal so viel Materie gibt, als wir bisher direkt »sehen«. Dazu kommt, dass diese Dunkle Materie mit den vertrauten Atomen der »normalen« Materie nur über die Gravitationskraft in Wechselwirkung tritt, nicht aber über die starke, schwache oder elektromagnetische Kraft. Sie ist also gänzlich anderer Natur.

Zu Anfang brachte die Dunkle Materie die Forscher in Verlegenheit, jedoch erwies sie sich bald als sehr nützlich, denn sie lieferte eine Erklärung für viele Beobachtungen. Aber in den letzten Jahren scheint sich unser Verständnis über den »Inhalt« des Universums noch einmal zu wenden. Denn wenn das Universum so viel Masse enthält, dann sollte die gravitative Anziehung die kosmische Expansion abbremsen. Doch neuerdings wurden die Messungen der gegenwärtigen Expansionsrate dank vieler neuer Techniken erheblich genauer, und das schockierende Ergebnis war, dass die kosmische Expansion gegenwärtig beschleunigt ist! Die einzige Erklärung dafür liefert die Annahme, dass es auf sehr großen Skalen eine abstoßende Kraft gibt, deren Natur uns weitgehend unklar ist. Wir wissen nur, dass diese abstoßende Kraft streng proportional zur Entfernung wächst - im täglichen Leben spielt sie also keine Rolle.

Beschreiben wir diesen Effekt als durch eine »Dunkle Energie« verursacht und rechnen wir diese mit der Beziehung E = mc² in eine Masse um, dann stellt sich heraus, dass das Universum nur zu vier Prozent aus den uns vertrauten Atomen besteht, zu 23 Prozent aus Dunkler, nichtbaryonischer Materie, und zu 73 Prozent aus Dunkler Energie (Bild S. 37 unten).


Raumkrümmung und Hintergrundstrahlung

Die beschriebene Zusammensetzung des Universums - Atome, Dunkle Materie, Dunkle Energie - scheint ein umfassendes, wenn auch nicht besonders anziehendes Weltbild zu ergeben. Aber es hat sich gezeigt, dass doch eine Menge Schönheit darin steckt, die ihren Ursprung in der geometrischen Struktur des Raums, in seiner Krümmung, hat. Wir betrachten wieder das zweidimensionale Analogon: Auf einem flachen Blatt Papier beträgt die Summe der Winkel eines Dreiecks 180 Grad, nicht aber auf der Oberfläche einer Kugel. Offenbar sagt uns die Summe der Winkel, ob das Blatt Papier flach ist (das heißt, der Raum ist euklidisch), oder gekrümmt - und dies gilt auch in drei Dimensionen. Aber die Raumkrümmung ist mit zwei weiteren Aspekten verknüpft. Die Expansion treibt anfängliche Parallelen auseinander, sie führt also zu einer negativen Raumkrümmung, während Massen- und Energiedichte gemäß der Relativitätstheorie zu einer positiven Krümmung führen. Zusammengenommen bestimmen diese Faktoren die geometrischen Eigenschaften unseres aktuellen, tatsächlich beobachteten Universums: Dessen Raum ist flach - euklidisch -, die Abweichung beträgt höchstens ein Prozent.

Dies ist eine grundlegende Messung, ich will erklären, wie sie zustande kommt. Die kosmische Hintergrundstrahlung spielt dabei eine zentrale Rolle, aber sie ist intuitiv nicht leicht zu begreifen. Wir behelfen uns wiederum mit einer Analogie aus dem täglichen Leben: Warum sind Wolken weiß, und ihre Formen scharf definiert? Innerhalb einer Wolke ist die mittlere freie Weglänge eines Photons sehr kurz, denn es wird von den Wassertröpfchen in alle Richtungen gestreut, deshalb ist das Innere der Wolke gleichmäßig hell, in welche Richtung man auch schaut. Aber die Information über die Richtung, aus der ein Photon ursprünglich kam, ist verloren. An der Oberfläche der Wolke verlängert sich die mittlere freie Weglänge plötzlich erheblich, das Photon bewegt sich geradlinig fort, und man erkennt, woher es kommt. Kurz nach dem Urknall war das Universum heiß, es war voll mit Plasma - geladenen Teilchen, hauptsächlich Protonen und Elektronen, an denen die Photonen immer wieder in neue Richtungen gestreut wurden. Als das Universum abkühlte, fanden sich die einzelnen Elektronen und Protonen zusammen und bildeten neutrale Wasserstoffatome. Damit endeten die Streuprozesse und die mittlere freie Weglänge wurde plötzlich sehr lang. Mit diesem Phasenübergang wurde das Universum durchsichtig, und die Photonen konnten sich seither geradlinig fortbewegen: Die Photonen, die damals hier waren, sind jetzt 13 Milliarden Lichtjahre weit weg.

Wir können heute zum Himmel schauen und sehen die Photonen, die vor 13 Milliarden Jahren emittiert wurden - wir sehen also die Prozesse, die damals abliefen. Wenn ein Photon in einem etwas wärmeren Gebiet emittiert wurde, dann erscheint uns dieses Gebiet heute etwas wärmer. Also sagen uns die Temperaturfluktuationen der Hintergrundstrahlung, wie gleichmäßig die Bedingungen im frühen Universum waren. Diese Hintergrundstrahlung war bereits 1948 von Georgij Antonowitsch Gamow theoretisch vorhergesagt, und 1965 von Arno Penzias und Robert Wilson zufällig entdeckt worden; heute lässt sie sich mit hoher Genauigkeit kartieren (Bild S. 38 unten). Aufgrund der kosmischen Expansion nach dem Urknall hat sich die Wellenlänge ihres Intensitätsmaximums um etwa einen Faktor 1000 in den Mikrometerwellenbereich verschoben, die Strahlungstemperatur ist dementsprechend von etwa 3000 Kelvin (bei dieser Temperatur findet die Rekombination von Elektronen und Protonen zu Wasserstoff statt) auf 2,7 Kelvin gefallen.

Die meisten der heute publizierten Himmelskarten der kosmischen Hintergrundstrahlung zeigen nicht mehr, was eigentlich das Erstaunlichste an ihr ist: Die Strahlungstemperatur ist in allen Richtungen (fast) exakt dieselbe. Die Abweichungen vom Mittelwert liegen bei nicht mehr als Eins in Hunderttausend: Aus diesem Grund hat die oberste der links gezeigten Karte nur eine einzige Farbe. Das ist deshalb wirklich bemerkenswert, weil uns die Photonen aus der Zeit kurz nach dem Urknall aus allen, auch aus entgegengesetzten Richtungen erreichen: Wie konnten sie miteinander kommunizieren und mit so hoher Genauigkeit alle dieselbe Temperatur annehmen? Ziehen wir die mittlere Temperatur ab und verstärken wir den Kontrast, so erscheint die Temperatur in einer Richtung etwas höher, in der entgegengesetzten etwas tiefer (mittlere Karte) - das liegt daran, dass wir auf den Virgo-Galaxienhaufen zufallen. Der Virgo-Haufen ist der nächste Galaxienhaufen, er ist 52 Millionen Lichtjahre von uns entfernt und besteht aus 160 großen und rund 2000 kleineren Galaxien. Seine Schwerkraft wirkt auf die Lokale Gruppe (zu der unsere Galaxis gehört), so dass wir uns mit einer Geschwindigkeit von 390 Kilometern pro Sekunde auf ihn zu bewegen. Am irdischen Nachthimmel liegt der Virgo-Haufen im nördlichen Teil des Sternbilds Jungfrau, und einige seiner Mitglieder, etwa die Riesengalaxien M 84, M 86 oder M 87, sind beliebte Motive der Astrofotografen. In der untersten Karte ist diese Dipolkomponente abgezogen und der Kontrast noch einmal erhöht: Nun erscheinen an jenen Stellen im Universum Flecken, wo die Materie geringfügig wärmer (rot kodiert) oder kälter (blau kodiert) als der Mittelwert war.

Wie lässt sich daraus ableiten, dass der Raum flach ist? Das ergibt sich aus einem simplen geometrischen Argument: Stellen wir uns vor, dass wir kleine Steine in einen See werfen - es entsteht ein Wellenmuster (Bild S. 39 rechts oben). Weil wir die Eigenschaften des Wassers kennen und die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Wellen berechnen können, wissen wir, wie schnell das Wellenmuster mit der Zeit anwächst. Deshalb kennen wir die charakteristische, von der Zeit abhängige Größe des Musters. Wenn wir nun den See aus großer Entfernung betrachten, wird jede Welle aus unserer Sicht einen gewissen Winkel aufspannen, und aus diesem Winkel, zusammen mit der charakteristischen Größe des Musters, lässt sich die Entfernung bis zum See berechnen.

Ähnlich verhält es sich mit der kosmischen Hintergrundstrahlung. Ihre Fluktuationen sind die Wellen in den Temperatur- und Dichteschwankungen des Plasmas, deren tatsächliche Größe wir aus den Eigenschaften des Plasmas herleiten können; und wir kennen deren Entfernung - 13,4 Milliarden Lichtjahre. Wenn das Licht sich so ausbreitet, wie in einem flachen Universum zu erwarten, dann sollte die beobachtete Größe der Wellen etwa ein Grad betragen; ist der Raum dagegen gekrümmt, so breitet sich das Licht nicht geradlinig aus und wir erwarten eine andere scheinbare Größe der Wellen zu beobachten. Die beobachtete charakteristische Größe beträgt tatsächlich ein Grad, ihr Wert stimmt mit hoher Genauigkeit mit dem für ein flaches Universum zu erwartenden Wert überein.


Inflation machte das Universum reell, isotrop und flach

Obwohl also das Universum eine Mischung aus Atomen, Dunkler Materie und Dunkler Energie enthält, sind deren Anteile so aufeinander abgestimmt, dass sie in der Summe einen flachen, euklidischen Raum ergeben. Die grundlegenden Tatsachen sind: Das Universum ist flach, es hat anfänglich winzige Temperatur- und Dichtefluktuationen gegeben, und die kosmische Hintergrundstrahlung ist isotrop, das heißt, sie ist in jeder Richtung dieselbe, Wiederum stehen wir vor der Frage: Sollten wir einfach sagen: »So ist es halt«, und es dabei belassen, oder sollten wir auch dieses Ergebnis noch hinterfragen?

Nun ist meine Schilderung bis hierhin historisch nicht ganz korrekt, denn die folgende radikale Idee wurde bereits vor 25 Jahren vorgestellt, als die besagten Fluktuationen noch nicht beobachtet waren, sondern deren Existenz bloß vermutet wurde. Diese als »Inflation« bezeichnete Idee wurde ursprünglich von Alan Guth und Andrei Linde formuliert. Sie geht von der Vorstellung aus, dass das Vakuum oder der Raum selbst sich ursprünglich nicht in seinem Grundzustand befand, also in dem quantenphysikalischen Zustand mit der geringsten möglichen Energie. Wenn dies der Fall ist, wird er sich irgendwann einmal diesem Grundzustand annähern. Aber bis das geschieht, wird sich der Raum selbst exponentiell ausdehnen, sagen wir um einen Faktor 1030, so dass das gesamte Universum um diesen Faktor aufgeblasen wird (Bild S. 39 unten).

»Kosmische Inflation« ist ein unheimlicher Begriff, aber er erklärt wesentliche Eigenschaften der beobachteten Welt!

Dieses Modell kann mehrere Dinge erklären. Es verknüpft die anfänglichen Fluktuationen mit einer potenziell vertrauten Physik. Auf der Ebene der Quantenphysik ist alles erlaubt, was nicht zu lange währt - das Phänomen der Inflation ist demnach so etwas wie die heisenbergschen Quantenfluktuationen. Wenn diese virtuellen Fluktuationen in die Inflation einmünden, werden benachbarte Raumelemente effektiv viel schneller auseinander gezogen als mit Lichtgeschwindigkeit - deshalb können die virtuellen Fluktuationen sich nicht wieder rekombinieren und werden reell. Zweitens, wenn ein winziges Volumenelement, dessen Teile in kausaler Beziehung zueinander stehen, inflationär wächst, dann ist das eine gute Erklärung dafür, warum die Welt in allen Richtungen gleich aussieht. Und schließlich drittens, wie faltig und zerknittert das Universum zu Anfang auch gewesen sein mag - wenn es sich gleich nach dem Urknall um einen Faktor 1030 oder mehr aufgeblasen hat, dann sieht es heute gewiss sehr flach aus!

Inflation war, als sie aufkam, eine recht ungemütliche Vorstellung, aber aus ihr ergaben sich zwei Vorhersagen: Erstens sollte der Raum flach sein, und zweitens sollten sich die beobachteten statistischen Eigenschaften der Fluktuationen der kosmischen Hintergrundstrahlung aus den ursprünglichen Quantenfluktuationen ableiten lassen. Diese Vorhersagen sind bereits bis zu einem gewissen Grade verifiziert worden - aus diesem Grunde wird die Vorstellung der Inflation zunehmend akzeptiert. Sie hat den Reiz, dass sie eine Anzahl von Fakten erklärt, die sich anders nur schwerlich oder gar nicht erklären lassen.

Gewiss sind Relativitätstheorie und Quantenphysik nach wie vor nicht in konsistenter Weise vereinigt, und eine konkrete Lösung dieses Problems ist nicht in Sicht. Es handelt sich also bei der Inflation um eine rein geometrische Beschreibung, die demonstriert, dass es potenziell eine interessante Verknüpfung zwischen der Welt der Quanten im Kleinen und der Welt der Gravitation im Großen gibt.


Gibt es andere Universen?

Schließlich möchte ich aus dieser ungemütlichen Vorstellung der »Inflation« einige Schlüsse ziehen. Nehmen wir an, dass der Raum nicht absolut flach ist - lässt sich dann für seine Größe eine obere oder untere Grenze angeben? Denken wir wieder an das zweidimensionale Analogon der Kugeloberfläche und stellen uns vor, dass die Kugel so weit aufgeblasen ist, dass ihre Oberfläche uns lokal als flach erscheint; wir wissen, dass innerhalb der von uns überblickten 13 Milliarden Lichtjahre die Krümmung weniger als ein Prozent beträgt. Damit ist die Annahme einer flachen Oberfläche verträglich, es könnte sich aber auch um einen winzigen Teil eines viel größeren, gekrümmten Universums handeln. In diesem großen geometrischen Konstrukt gibt es also noch Raum für viele weitere Szenarien von der Art unseres beobachtbaren Universums.

Aus diesem Grunde wird heute vorsichtig - oder nicht immer ganz so vorsichtig - die Möglichkeit der Existenz »paralleler Universen« oder »Multiversen« diskutiert. Ich spreche lieber von »anderen Universen«, denn ich glaube, dass diese Bezeichnung unserem gegenwärtigen Verständnis besser entspricht. Wie ich oben gezeigt habe, können wir nur einen winzigen Teil des gesamten Raums überblicken, der das Universum ausmacht. Wir dürfen nicht aus dem Auge verlieren, dass in der Wissenschaft nicht behauptet wird, alles müsse beobachtbar sein. Es muss aber jede Hypothese überprüfbar sein. Man kann also annehmen, dass der wahre Raum viel größer als der beobachtbare, potenziell sogar unendlich sei (Bild S. 40 oben). Wenn er unendlich ist, dann können wir uns vorstellen, dass es von jedem von uns irgendwo in einem anderen Universum eine exakte Kopie gibt...

Der unangenehmste Aspekt der Inflation liegt darin, dass man sich den Mechanismus, der diesen Prozess auslöste, als »chaotische Inflation« zu denken hat, und dies bedeutet, dass er nicht nur einmal, sondern wiederholt stattfinden kann... Die Logik, die zu unserem Universum führt, sollte also auch andere Universen hervorgebracht haben.

Gegenwärtig lässt sich dieses gesamte Konzept als ein verzweifelter und amüsanter Versuch betrachten, die hartnäckige Frage zu beantworten, was denn vor dem Urknall gewesen sein mag. Aber irgendwo zwischen jenem Punkt und dem, an dem wir jetzt stehen, gibt es einen Weg, den wir noch mit gutem Gewissen, das heißt in Einklang mit den Regeln des wissenschaftlichen Denkens beschreiten können.


Sind unsere Fragen fundamental?

Das oben Gesagte lässt sich leicht in einen weiteren historischen Kontext stellen, denn die beschriebenen Vorstellungen von anderen Universen sind - in allgemeiner Form - nicht neu. Am Ende des 16. Jahrhunderts behauptete der italienische Philosoph Giordano Bruno aus Nola, dass der Raum unendlich sei und unzählige Welten enthalte. Dabei berief er sich sogar auf die antiken, vorsokratischen Denker. Zu Brunos Zeiten reichte das aus, um ihn auf dem Scheiterhaufen zu verbrennen. Heute ist es zum Glück weniger gefährlich, solche Gedanken zu äußern.

Wem die dargestellten Argumente zum Konzept der Inflation nicht ganz geheuer sind, der mag Vieles davon als allzu spekulativ verwerfen - allerdings verwirft er damit auch die einzig bisher schlüssige Erklärung grundlegender beobachteter Phänomene.

Wie man sieht, ist die Frage »Wie anders hätte unser Universum sein können?« fundamental interessant und fundamental schwierig zu beantworten.


Dieser Beitrag ist in ähnlicher Form im Max-Planck-Forum 7, München 2007, erschienen.


HANS-WALTER RIX ist Direktor am Heidelberger Max-Planck-Institut für Astronomie und leitet dort die Abteilung »Galaxien und Kosmologie«.


Bildunterschriften der im Schattenblick nicht veröffentlichten Abbildungen der Originalpublikation:

Abb. S. 33: Nur ein einziger Stern aus unserer Galaxis ist auf diesem Ausschnitt aus dem Hubble Ultra Deep Field, dem tiefsten je aufgenommenen Bild des Nachthimmels, sichtbar - zu erkennen am typischen Beugungskreuz (oben rechts). Alle anderen Objekte sind Galaxien - von den nächsten mit deutlicher kennbarer Morphologie bis zu den fernsten, die im jungen Universum stehen und uns aufgrund ihrer extremen Rotverschiebung als dunkelrote Punkte erscheinen.

Abb. S. 34: Sind wir allein im Universum? Wir kennen heute rund 250 Sterne in der Umgebung der Sonne, die mindestens einen Planeten besitzen. Hier sind das Sonnensystem (oben) und andere Planetensysteme dargestellt, von denen mindestens zwei Planeten bekannt sind. Die Massen der Planeten sind in Einheiten der Masse Jupiters angegeben, die Entfernungen zu ihrem Zentralstern in Astronomischen Einheiten (AE). Erdähnliche extrasolare Planeten konnten bisher nur ganz nahe bei ihrem Zentralstern gefunden werden (siehe Seite 18 in diesem Heft).

Abb. S. 35: Das System Ypsilon Andromedae im Vergleich zum inneren Sonnensystem

Abb. S. 36: Die Spektren der inneren Planeten des Sonnensystems belegen die Anwesenheit CO2-haltiger Atmosphären. Die Atmosphäre der Erde enthält zusätzlich Wasserdampf (H2O) und Ozon (O3), das auf die Anwesenheit von Leben hinweist.

Abb. S. 36: Entstehung und großräumige Entwicklung der Galaxien nach dem Urknall lassen sich unter der Annahme Dunkler Materie im Computer simulieren.

Abb. S. 37: Verteilung von Galaxien innerhalb einer »Scheibe« um den Beobachter (im Zentrum) nach den Ergebnissen des Sloan Digital Sky Survey. Jeder Punkt steht für eine Galaxie. Die beobachteten Strukturen lassen sich in Computersimulationen nachvollziehen.

Abb. S. 37: Die Masse des Universums besteht hauptsächlich aus »Dunkler Materie« und »Dunkler Energie«. Die »normale« Materie, aus der die uns vertraute Welt besteht, macht nur etwa vier Prozent des Ganzen aus.

Abb. S. 38: Karte der kosmischen Hintergrundstrahlung. Oben: Die Strahlungstemperatur ist in allen Richtungen nahezu konstant. Mitte: Die Abweichungen vom Mittelwert zeigen eine bipolare Struktur, sie entsteht durch den Dopplereffekt aufgrund der Bewegung unserer Galaxis in Richtung zum Virgo-Haufen. Unten: Erst nach Abzug dieser Dipolstruktur werden die ursprünglichen, minimalen Fluktuationen sichtbar.

Abb. S. 39: Ähnlich wie die Wellen auf einem See (obere Zeile) haben die Fluktuationen der kosmischen Hintergrundstrahlung eine zeitabhängige, charakteristische Größe; deren von der Erde aus gemessene Winkelausdehnung (mittlere Zeile, für die drei verschiedenen unten angegebenen Raumkrümmungen simuliert) wird durch die Krümmung des Raumes bestimmt. Die tatsächlich beobachtete charakteristische Größe entspricht mit hoher Genauigkeit dem für ein flaches Universum berechneten Wert.

Abb. S. 39: Unmittelbar nach dem Urknall verwandelt die Inflation virtuelle Ouantenfluktuationen in reelle großräumige Fluktuationen, die der späteren Verteilung der Galaxien im Universum zugrunde liegen.

Abb. S. 40: Wieviel Universum gibt es jenseits des für uns beobachtbaren Bereichs? Oder anders gefragt: Was war vor dem Urknall?

© 2008 Hans-Walter Rix, Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH, Heidelberg


*


Quelle:
Sterne und Weltraum 8/08 - August 2008, Seite 32-40
Zeitschrift für Astronomie
Herausgeber:
Prof. Dr. Matthias Bartelmann (ZAH, Univ. Heidelberg),
Prof. Dr. Thomas Henning (MPI für Astronomie),
Dr. Jakob Staude
Redaktion Sterne und Weltraum:
Max-Planck-Institut für Astronomie
Königstuhl 17, 69117 Heidelberg
Telefon: 06221/52 80, Fax: 06221/52 82 46
Verlag: Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH
Slevogtstraße 3-5, 69126 Heidelberg
Tel.: 06221/912 66 00, Fax: 06221/912 67 51
Internet: www.astronomie-heute.de

Sterne und Weltraum erscheint monatlich (12 Hefte pro Jahr).
Das Einzelheft kostet 7,90 Euro, das Abonnement 85,20 Euro pro Jahr.


veröffentlicht im Schattenblick zum 26. September 2008