Kosmos und Universum - Münchner Verlagsgruppe

MATTHIAS MATTING
Kosmos und
Universum
in
60
erklärt
© des Titels »Kosmos und Universum in 60 Sekunden erklärt« (978-3-86883-829-9)
2016 by riva Verlag, Münchner Verlagsgruppe GmbH, München
Nähere Informationen unter: http://www.rivaverlag.de
Endlich und doch unbegrenzt:
Das Universum
Schon in der Frühzeit haben unsere Vorfahren in der
Anordnung der Sterne am Nachthimmel Muster erkannt.
Gruppen von hellen Sternen lassen sich wie beim Malen-­
nach-Zahlen miteinander verbinden und ergeben dann
Bilder von Alltagsgegenständen oder mythischen Wesen.
Mit den Sternbildern verbinden sich oft Mythen und Sagen. Sie hatten und haben aber auch einen praktischen
Nutzen: Der Mensch kann sich bestimmte Konstellationen nämlich besser einprägen, wenn sie mit einem Bild
verknüpft sind. Dadurch eignen sich Sternbilder gut zur
Orientierung – insbesondere auf hoher See, wo andere
Navigationsmarken fehlen.
Von den Sternbildern, die ihre Wurzeln in den zwölf babylonischen Tierkreiszeichen haben, leiten sich auch die
Namen der Sterne ab. Dem hellsten Stern gebührt dabei
immer das Alpha, der erste Buchstabe des griechischen
Alphabets. Alpha Centauri ist also der hellste Stern im
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ENDLICH UND DOCH UNBEGRENZT: DAS UNIVERSUM
Zentauren. Wenn diese Bezeichnung nicht möglich ist
(etwa weil das griechische Alphabet ausgeschöpft wurde) und zum Teil auch parallel dazu verwendet man die
sogenannte Flamsteed-Bezeichnung, die aus einer Zahl
und dem Genitiv des Sternbilds besteht. Schließlich
kann man zur Benennung eines Sternes auch noch auf
die Sternkataloge zurückgreifen, die alle bekannten Objekte mit genauer Positionsangabe enthalten.
Die scheinbare Nähe der Sterne eines Sternbildes sagt
nichts über ihre tatsächliche Entfernung voneinander
aus. Tatsächlich ist ein Sternbild ja nur eine flache Projektion des riesigen Weltraums auf einer gedachten Himmelskugel.
Das Universum nämlich umfasst alles, was uns umgibt –
wie sein lateinischer Ursprung »universus« (»gesamt«)
es beschreibt. Es wurde vor 13,8 Milliarden Jahren in einem gewaltigen Kraftakt geboren, dem Urknall.
Das All ist nicht unendlich, aber unvorstellbar groß.
Wissenschaftler schätzen seine Ausdehnung auf über 92
Milliarden Lichtjahre, aber auch der 1000-fache Wert ist
möglich. Ein Lichtjahr ist dabei die Entfernung, die das
Licht in einem Jahr zurücklegt. Allein in einer Sekunde
überwindet Licht etwa 300 000 Kilometer.
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Endlich und doch unbegrenzt: Das Universum
Das Universum nachzumessen ist unmöglich, weil wir
nur einen Teil des Ganzen beobachten können. Denn wir
können nur Objekte sehen, die ab dem Zeitpunkt des Urknalls Licht ausgesandt haben. In der Frühphase dehnte
sich das Weltall sehr schnell aus, sodass sich diese Objekte heute maximal 46 Milliarden Lichtjahre entfernt
voneinander befinden. Ob es noch weiter entfernte Sterne gibt, werden wir nie erfahren.
Auch wenn das Weltall endlich ist, ist es doch unbegrenzt. Das ist kein Widerspruch: Die Oberfläche einer
Kugel ist ebenfalls endlich (vielleicht erinnern Sie sich
noch an die Formel aus dem Matheunterricht). Eine darauf herumkrabbelnde Ameise stößt aber trotzdem nie auf
eine Grenze. Es gibt kein »Dahinter«.
Die gesamte Materie im All wiegt etwa 1053 Kilogramm,
eine 1 mit 53 Nullen. Nur knapp fünf Prozent davon lassen sich bekannten Formen zuordnen, also Atomen und
Elementarteilchen. Etwa ein Viertel geht auf das Konto
der mysteriösen Dunklen Materie – die noch seltsamere
Dunkle Energie macht mehr als zwei Drittel dieses Gewichts aus.
Trotz seiner riesigen Masse ist das Weltall im Grunde
leer. Stellen Sie sich einen Palast vor, 30 mal 30 mal 30
Kilometer groß. Platzieren Sie darin ein Sandkorn – und
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ENDLICH UND DOCH UNBEGRENZT: DAS UNIVERSUM
die Sandkorndichte im Palast entspricht der mittleren
Dichte des Universums. Apropos Sand: Im Weltall existieren mehr Sterne und ebenso viele Sonnensysteme (130
Trilliarden), als es Sandkörner an allen Stränden der Erde
gibt.
Das Universum dehnt sich aus. Während Sie diesen Text
lesen, ist es um mehr als 100 000 Kilometer gewachsen.
Dadurch scheinen sich alle Bestandteile des Weltalls von
uns wegzubewegen.
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Geboren aus einem Punkt:
Die ­G eschichte des Alls
Unvorstellbar heftig: Der Urknall
Der Urknall markiert den Beginn des Universums, seine
Entstehung. Vor 13,8 Milliarden Jahren war die komplette Masse des Universums in einem winzigen Gebiet konzentriert, einem Punkt. Die heutigen Naturgesetze galten
noch nicht; auch sie bildeten sich erst während des Urknalls heraus.
Ebenso wenig existierten die heute bekannten Kräfte
und Teilchen. Es gab also auch kein Licht (das aus Photonen besteht) und erst recht keinen Beobachter, weil
schon damals kein »Außen« existierte. Es gab nur diesen winzigen Punkt, der mit einem 1032 Grad (eine 1 mit
32 Nullen) heißen Urbrei gefüllt war, dessen Verhalten
wiederum eine Urkraft bestimmte. Was dann passierte,
darüber haben die Wissenschaftler bisher nur ungefähre Ideen. Sowohl die Allgemeine Relativitätstheorie als
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Unvorstellbar heftig: Der Urknall
auch die Quantentheorie versagen unter diesen extremen
Bedingungen. Erst eine künftige, von den Physikern noch
aufzustellende und Relativitäts- und Quantentheorie vereinende »Theorie von Allem« könnte den Urknall berechenbar machen.
Das ultraheiße Etwas jedenfalls stand offenbar unter einem riesigen Druck, der sich irgendwann im wörtlichen
Sinne Raum verschaffte.
Dieser Urknall im eigentlichen Sinn vollzog sich so
schnell, dass die kleinstmögliche Zeiteinheit (10-43 oder
auch 0,0000000000000000000000000000000000000000
001 Sekunden) dafür noch zu lang gewesen wäre.
Das Ergebnis dieser allerersten Phase war ein Urtropfen,
der immer noch winzig war. Aber er war größer als der
Punkt zuvor und kühlte sich dadurch ein bisschen ab.
Die Folge: Aus der Urkraft entstand zunächst die anziehende Schwerkraft (Gravitation). Sie begann, wie es ihre
Natur ist, sich der weiteren Ausdehnung des Kosmos
entgegenzustellen. Eine echte Chance hatte sie aber noch
nicht. Der Urtropfen wuchs, sodass 10-38 Sekunden nach
dem Urknall weitere heute bekannte Naturkräfte wie
die Kernkraft und die elektroschwache Kraft entstehen
konnten.
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Geboren aus einem Punkt: Die ­Geschichte des Alls
Sprunghaftes Wachstum: Die Inflation
Die Inflation ist eine Phase in der Entstehung des Universums, die direkt an den Urknall anschloss. In dieser Zeit
passierte vermutlich etwas ganz Außergewöhnliches:
Zwischen 10-38 und 10-35 Sekunden nach dem großen
Knall könnten Teilchen ins Spiel gekommen sein, die
sich durch die Schwerkraft nicht angezogen, sondern
abgestoßen fühlten. Science-Fiction-Autoren benutzen
den Begriff »Anti-Gravitation« zwar gern zur Konstruktion utopischer Fahrzeuge, doch die Schwerkraft wirkt
eigentlich nie abstoßend. Kurz nach der Geburt des Universums war das offenbar noch anders.
Zwar gibt es für diese Idee heute keine direkten Beweise mehr. Doch sie erklärt den gegenwärtigen Aufbau des
Universums sehr gut. Die Inflation bewirkte zum Beispiel, dass das Weltall insgesamt überraschend gleichmäßig aufgebaut ist, aber auch, dass wir heute keine
magnetischen Monopole mehr finden, Magnete mit nur
einem Pol. Alle Magnete besitzen heute jeweils zwei
Pole, Nord- und Südpol. Selbst wenn Sie einen Magneten in der Mitte zwischen Nord- und Südpol teilen, haben Sie danach zwei halb so große Magnete jeweils mit
Nord- und Südpol.
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Das Elementare entsteht: Die Nukleosynthese
Während der Inflationsphase wuchs das Universum um
30 bis 50 Größenordnungen. War es zuvor noch kleiner
als ein Proton (einer der Bestandteile von Atomkernen),
hatte es nun die Abmessungen eines Fußballs. Das war
nur unter der Bedingung möglich, dass sich die Ausdehnung schneller als das Licht vollzog. Aber kann etwas
überhaupt schneller als das Licht sein? Ja! Zwar können
sich Teilchen nie schneller als Licht bewegen. Aber für
die Expansion des Raums an sich gilt diese Grenze nicht.
Alle Dinge bleiben dabei ja an ihrem Platz. Nur die Entfernung dazwischen wächst.
Unser Universum wäre gleich wieder wie ein zu stark
aufgeblasener Ballon zerrissen, hätte die Inflation nicht
rechtzeitig gestoppt. Vermutlich passierte das, weil mit
wachsender Größe des Alls der Druck der Inflation nicht
mehr genügte.
Das Elementare entsteht: Die Nukleosynthese
Während der Nukleosynthese entstanden im frühen Universum die heute bekannten Elementarteilchen. Sie setzte etwa 10-30 Sekunden nach dem Urknall ein.
Durch das All wehte nun ein vergleichsweise kühler
Wind. Bei nur noch 1025 Grad konnten sich die Grund-
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Geboren aus einem Punkt: Die ­Geschichte des Alls
bausteine der Materie bilden, Quarks und Antiquarks.
Diese vereinten sich später zu den Teilchen, aus denen
wir alle bestehen: Neutronen, Protonen und so weiter.
Doch noch war es dafür zu heiß, also schwammen sie in
einer Ur-Nudelsuppe, Quark-Gluonen-Plasma genannt.
Die Quarks kann man sich dabei als die Nudeln vorstellen, die Gluonen als die Brühe.
Eine Millionstel Sekunde nach dem Urknall war es durch
die fortwährende Ausdehnung und Abkühlung kalt genug, dass aus der Zusammenballung der Quarks und
Antiquarks Kernteilchen wie Protonen und Neutronen
geboren werden konnten.
Noch immer standen Materie und Antimaterie im
Gleichgewicht. Es wurden also gleich viele Protonen
und Anti-Protonen geboren und so viele Neutronen wie
Anti-Neutronen.
Dieser Zustand hielt aber nicht lange an: Traf ein Teilchen auf sein jeweiliges Antiteilchen, zerstrahlten beide zu reiner Energie. Das nun zehn Billionen Kilometer
große und eine Billion Grad heiße Universum leerte sich
dadurch zusehends. Ein zuckerwürfelgroßer Teil davon
wog allerdings immer noch zehn Millionen Tonnen.
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Die Baby-Phase: Die Kindheit des Alls
Das Universum mochte seine Kinder (Teilchen) ein klein
wenig lieber als seine Anti-Kinder (Anti-Teilchen): Auf
eine Milliarde Antiteilchen kamen damals eine Milliarde plus ein Teilchen. Dieser winzige Überschuss genügte, das heutige Universum zu füllen – bei gerechtem
Ausgang wäre das All heute völlig leer (beziehungsweise
mit reiner Energie gefüllt).
Zehn Sekunden nach dem Urknall, das Antimaterie-Problem war schon gelöst, herrschten im gesamten Universum Zustände wie heute im Zentrum der Sonne. Neutronen und Protonen vereinten sich zu leichten Atomkernen
– die Kerne der Elemente Helium (25 Prozent), Lithium
und Beryllium entstanden. Dieser Prozess war etwa 17
Minuten nach dem Urknall abgeschlossen.
Die Baby-Phase: Die Kindheit des Alls
Nach seiner von heftigen Wehen begleiteten Geburt
nahm sich das All für die folgenden Schritte mehr Zeit –
man könnte sie als die Kindheit des Universums betrachten. Aus dieser Zeit stammen auch die ersten noch heute
sichtbaren Erinnerungen.
Dem ersten Babyfoto entspricht die kosmische Hintergrundstrahlung. Dabei handelt es sich um eine Strahlung
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Geboren aus einem Punkt: Die ­Geschichte des Alls
im selben Bereich, in der auch Ihre Mikrowelle funktioniert. Sie erfüllt sehr gleichmäßig das gesamte Weltall
mit einer Temperatur von knapp drei Grad über dem
absoluten Nullpunkt. Könnte der Mensch Mikrowellenstrahlung sehen, bräuchten Mikrowellenherde keine Beleuchtung – und der Nachthimmel wäre hell, nicht dunkel. Ein Kubikzentimeter des ansonsten absolut leeren
Raumes enthält rund 400 Photonen (Lichtteilchen) dieser Strahlung, die etwa 380 000 Jahre nach dem Urknall
in der so genannten Rekombinationsphase entstand. Das
All war damals nur noch 2700 Grad heiß. Ein Beobachter
hätte einen wabernden, glühenden Nebel gesehen.
Erst geraume Zeit später (aber aus Sicht des Universums
immer noch in seiner Kindheit) wurde das All endgültig
klar und durchsichtig. Forscher sprechen hier von der
Reionisationsphase, etwa 500 Millionen bis eine Milliarde Jahre nach dem Urknall. Schon sehr früh verstärkte
die Dunkle Materie Ungleichmäßigkeiten in der Struktur
des Weltalls derart, dass sich riesige Blasen bildeten, so
genannte Halos. In diesen Halos ballte sich Wasserstoff
zusammen. Je mehr Masse sich auf kleinem Raum sammelte, desto stärker zog sie die Atome in der Umgebung
an, desto schwerer wurde die Wolke und desto mehr Anziehungskraft besaß sie. Irgendwann waren Temperatur
und Druck so hoch, dass ein atomarer Fusionsprozess
zündete – die ersten Sterne leuchteten auf.
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Die Baby-Phase: Die Kindheit des Alls
Diese frühen Sterne brannten schnell und heiß. Ihr Licht
und auch ihr baldiges Ende in einer Supernova-Explosion hatten aber einen wichtigen Effekt: Die Strahlung
durchpustete das All derart kräftig, dass der bisherige
Nebelschleier zur Seite gezogen wurde. Freie Sicht für
freie Sterne! Daran hat sich bis heute nichts geändert.
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Warum und wieso:
Die ­P hysik des Alls
Unsichtbar, aber anziehend:
Die ­Dunkle Materie
Unter dem Begriff der Dunklen Materie fassen Astrophysiker bisher unbekannte Materie-Formen zusammen.
Dass es sie geben muss, weiß man, weil Dunkle Materie
über ihre Schwerkraft die gewöhnliche Materie beeinflusst. Ein Beispiel dafür ist die Bewegung der Sterne
um das Zentrum der Milchstraße. Die beobachtbare Materie befindet sich zum großen Teil in der Mitte. Nach
den Gesetzen der Physik müssten deshalb Sterne, die
sich weiter außen bewegen, langsamer sein. Tatsächlich
aber wächst die Bahngeschwindigkeit der Sterne mit der
Entfernung vom Zentrum. Daraus schließt man, dass es
weiter außen Bereiche geben muss, in denen sehr viel
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Unsichtbar, aber anziehend: Die ­Dunkle Materie
»dunkle« Masse konzentriert ist, die wir nicht beobachten können.
Aus der tatsächlichen Bewegung der Sterne lässt sich
abschätzen, dass es fast sechsmal so viel Dunkle wie
normale Materie geben muss. Allerdings haben die Forscher noch keine gesicherten Erkenntnisse darüber, was
genau Dunkle Materie eigentlich ist. Klar ist aber, dass es
sich nicht um bereits bekannte, nur eben mangels Licht­
abstrahlung unsichtbare Phänomene handeln kann, etwa
Staubwolken oder ausgebrannte Sterne. Im Wesentlichen
gibt es zwei Möglichkeiten:
Kandidat 1 ist das Neutrino, ein Teilchen, das mit gewöhnlicher Materie fast gar nicht interagiert. Unzählige
Neutrinos durchqueren rund um die Uhr die Erde und
jeden ihrer Bewohner. Allerdings sind Neutrinos wohl
zu leicht, um allein die Funktion der Dunklen Materie
zu übernehmen.
Kandidat 2 nennt sich WIMP (»weakly interacting massive particle«, schwach interagierendes schweres Teilchen). Diese WIMPs lassen sich nur von der Schwerkraft
und von der schwachen Wechselwirkung (einer anderen
Naturkraft) aus der Ruhe bringen. Bisher konnte man sie
aber noch nicht nachweisen.
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Warum und wieso: Die ­Physik des Alls
Möglich ist schließlich auch, dass es gar keine Dunkle
Materie gibt und vielmehr die Formeln der Physiker
falsch sind. Dafür gibt es allerdings noch weniger Beweise als für die Existenz der WIMPs.
Abstoßend und mysteriös: Die Dunkle Energie
Die Dunkle Energie ist eine rein hypothetische Energieform, deren Vorhandensein sich aus der beschleunigten
Expansion des Weltalls ergibt.
Wenn Sie einen Ball an einem Gummifaden in eine
Richtung werfen, fliegt der Ball immer langsamer, bis er
irgendwann stoppt und wieder zu Ihnen zurückgezogen
wird. Mit dem Wachstum des Weltalls müsste es sich eigentlich ähnlich verhalten. Der große Stoß am Anfang,
der Urknall, trieb zwar erst einmal alles auseinander,
doch sämtliche Materie hängt an einem Gummifaden namens Schwerkraft (Gravitation). Und der müsste eigentlich dafür sorgen, dass sich die Expansion irgendwann
umkehrt und das Universum wieder schrumpft.
Tatsächlich zeigen Messungen, dass das Gegenteil der
Fall ist. Das Weltall dehnt sich immer schneller aus. Dahinter muss eine Kraft stecken – die die Forscher Dunkle
Energie genannt haben, in Anlehnung an die schon länger bekannt-unbekannte Dunkle Materie.
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Unbegrenzt, aber endlich: Die Form des ­Weltalls
Die Dunkle Energie wirkt über ihren negativen Druck der
Anziehungskraft der normalen und der Dunklen Materie entgegen. Damit sie dabei Erfolg haben kann, müssen
über 68 Prozent des kompletten Materie- und Energie­
gehalts des Universums der Dunklen Energie zuzurechnen sein.
Ein weiteres Mysterium besteht darin, dass die Dunkle
Energie nicht von Anfang an im selben Umfang vorhanden gewesen sein kann. Nach der Rekombination
(380 000 Jahre nach dem Urknall) war von ihrer Wirkung
nämlich noch gar nichts zu spüren.
Womöglich gibt es aber gar keine Kraft, die irgendwann
einmal als Dunkle Energie identifiziert werden könnte.
Auch das Vakuum, der leere Raum, besitzt nämlich nach
der Quantentheorie Energie, denn hier entstehen und
vergehen dauernd Teilchen aus dem Nichts. Was dabei
im Mittel übrig bleibt (falls etwas übrig bleibt), könnte
der Dunklen Energie entsprechen.
Unbegrenzt, aber endlich:
Die Form des ­Weltalls
Welche Form hat das Universum? Zunächst handelt es
sich um einen vierdimensionalen Raum mit den drei
Ortsdimensionen (Länge, Breite, Tiefe) und der Zeitdi© des Titels »Kosmos und Universum in 60 Sekunden erklärt« (978-3-86883-829-9)
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