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Wie entstand das Universum? Warum gibt es unterschiedliche Galaxienformen und wie entwickeln sie sich?
Gibt es uns unbekannte Materieformen im Universum? An der LMU suchen Wissenschaftler für extragalaktische Astronomie
und Astrophysik an der Universitäts-Sternwarte um Professor Harald Lesch und Professor Ralf Bender nach Antworten
auf diese Fragen. Ihr Forschungsgebiet hat mit der rasanten technischen Entwicklung in den letzten Jahren einen
enormen Aufschwung erlebt und kann sich über große Resonanz in der Öffentlichkeit freuen.
CHRISTOPH LEISCHWITZ
d e r w e lt r a u m – u n e n d l i c h e w e i t e n
S
eit je fasziniert die Menschheit die Frage, wie sich das Universum erklären lässt. Religionen skizzieren
Schöpfungsszenarien, Mythen ranken sich um Planeten und Sterne und erbitterter Streit wurde ausgefochten,
ob das geozentrische oder das heliozentrische Weltbild zutreffende Erklärungen bieten. Galileo Galilei musste
seinen Forschungseifer mit lebenslangem Hausarrest büßen und entging nur knapp einer härteren Strafe durch
die Inquisition. Heutige Astronomen und Astrophysiker sind gegenüber dem Schicksal ihrer wissenschaftlichen
Vorläufer in einer weitaus komfortableren Situation. Die moderne Wissenschaft vom Aufbau und der Entwicklung des Weltalls, die Kosmologie, kann mittlerweile auf etliche Ergebnisse zurückgreifen, die als gesichert
gelten. Dennoch birgt das Weltall weiterhin viele Geheimnisse, die es zu lüften gilt. An der LMU unternehmen
es Wissenschaftler wie Professor Harald Lesch, Licht ins verbliebene Dunkel des Weltalls zu bringen. Gemeinsam mit seinen Mitarbeitern beschäftigt sich der Professor für Theoretische Astrophysik in der Münchener
Scheinerstraße damit, riesige Datenmengen zu erfassen, bereitzustellen und neue Theorien aufzustellen, um
das stetig anwachsende Wissen einordnen zu können. Die Forscher tun dies mit nachhaltigem Erfolg, der in den
letzten Jahren geradezu einen Boom in der Kosmologie ausgelöst hat.
Harald Lesch und seine Kollegen nennen die Scheinerstraße „die Sternwarte“, obwohl sie von hier nicht mehr
ernsthaft ins Weltall sehen. Die Hauptarbeit besteht aus Theoriebildung, Auswertung von Daten, die aus aller
Welt gewonnen werden – und natürlich aus akademischer Lehre. Für ihre Beobachtungen des immer weiter expandierenden Weltalls haben die Wissenschaftler nur wenige theoretische Werkzeuge, die sich Naturkonstanten
nennen. Mit diesem Rüstzeug versehen erforschen sie Schritt für Schritt den Ursprung des Universums, der in
Wissenschaftskreisen nach wie vor mit der Urknall-Theorie als standardisiertem Modell erklärt wird. Dabei spielt
Licht eine große Rolle: Von fernen Galaxien braucht es Milliarden Jahre, um auf der Erde beobachtet werden zu
können. Je länger das Licht unterwegs ist, desto weiter blicken die Wissenschaftler in die Vergangenheit des
Alls und kommen somit dem Urknall näher. Astrophysiker sind deshalb die Historiker unter den Naturwissenschaftlern; Kosmologie ist die Lehre von der Geschichte des Universums.
Am Münchener Institut für Astronomie und Astrophysik gibt es Wissenschaftler, die sich sozusagen mit dem
Archaikum des Weltalls befassen, mit seinen Ursprüngen. „Die Astronomie ist in den letzten Jahren immer
kosmologielastiger geworden“, sagt Harald Lesch, der einem breiten Publikum auch bekannt ist als spätnächtlicher Weltall-Erklärer im Bayerischen Fernsehen. Diese Entwicklung hat einen technischen Hintergrund: Die
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3 Der Andromeda-Nebel ist die nächste größere Spiralgalaxie
in der Umgebung der Milchstraße. Ihre Struktur ist der Milchstraße sehr ähnlich.
Möglichkeiten, in die Tiefen des Weltalls vorzudringen, sind innerhalb der letzten zehn Jahre geradezu logarithmisch angestiegen durch neue Superteleskope wie Hubble. „Es ist jetzt besonders wichtig, dass Praktiker und
Theoretiker verstärkt miteinander kooperieren“, sagt der 44-jährige Forscher.
Dass die Entstehung des Universums seit den letzten Jahren zunehmend erforscht werden kann, ist eine Folge
der technologischen Entwicklung und der wachsenden Datenmengen, die den Forschern weltweit zur Verfügung
stehen. Dabei können die Wissenschaftler dem Urknall zwar näher kommen, ganz erfassen werden sie ihn jedoch
nie: „Was während und kurz nach dem Urknall passiert ist, ist nicht mehr in Kausalitäten zu beschreiben“, erklärt Harald Lesch. „Und wo es keine Kausalität gibt, da können wir auch nichts messen.“ Deshalb ist es zunächst wichtig, die methodischen und analytischen Werkzeuge miteinander in Einklang zu bringen – dies ist
eher der theoretische Teil des großen Unterfangens. Die Vereinigung der vier Grundkräfte Gravitation, elektromagnetische, starke sowie schwache Wechselwirkung könnte einen Aufschluss darüber geben, was zumindest
ganz kurz nach dem Urknall passierte. Mit diesen vier Grundkräften sind jene Kräfte gemeint, welche die Welt
im Innersten zusammenhalten. Mit ihnen kann alles erklärt werden: Warum Atome nicht einfach auseinander
fallen, warum Photonen Lichtgeschwindigkeit haben, und warum wir uns um die Sonne drehen. Weil davon ausgegangen wird, dass alle vier Kräfte zu Beginn des Universums gleich stark waren, würde die – theoretische –
Zusammenführung in einem Gesamtkonzept neue Möglichkeiten eröffnen, den Ursprung des Universums zu
verstehen. „Die elektromagnetische und die schwache Wechselwirkung wurden bereits miteinander vereint“,
sagt Harald Lesch. Das bedeutet stark vereinfacht, dass festgestellt werden konnte, ab wie viel zugeführter
Energie diese beiden Kräfte die gleiche Stärke haben. Als nächstes versuchen die Forscher die starke Wechselwirkung in das Konzept zu integrieren. Wann es schließlich gelingen wird, die Gravitation in das theoretische
Modell einzufügen, steht derzeit noch in den Sternen.
NEUE SCHUBKRAFT FÜR DIE KOSMOLOGIE
Was jedoch schon bald in der Praxis möglich sein wird, ist die Beobachtung von einzelnen Sternen aus der ersten
Generation. Nach dem neuesten Stand der Forschung ist das Universum 14,7 Milliarden Jahre alt; die ersten
Sterne entstanden etwa 200 Millionen Jahre nach dem Urknall. So weit können die Wissenschaftler mit Teleskopen bereits in die Vergangenheit blicken. Seit den 1990er Jahren gab es in diesem Bereich viele Innovationen. Was seitdem in der relativ kurzen Zeit von nur einem Jahrzehnt an Informationen dazu gekommen
ist, stellt Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen in aller Welt vor neue Fragen – und gibt gerade deswegen
der Kosmologie neue Schubkraft. Die Entstehung ganz früher Sterne ist, kosmologisch gesehen, nicht aufgrund
ihrer chemischen Zusammensetzung wichtig. Sterne entstehen – verkürzt gesagt – immer nach dem gleichen
Verfahren, weil sich die physikalischen Gesetze niemals verändern. Einzig wichtig für ihre Lebensdauer und für
die Art ihres ‚Todes’ ist ihre Masse. Für weiterführende Fragen sind vor allem ihre Anzahl und ihre Verteilung
im Raum maßgeblich. Man kann die Suche nach dem Ursprung der Sterne mit der Frage vergleichen, wie auf
der Erde Kontinente entstanden. Bekannt ist, dass es einen Urkontinent gab (= Urknall). Wann sich einzelne
Landmassen (= Galaxien, also Sternhaufen) abspalteten ist für das Verständnis der Erdgeschichte gewinnbringender, als Bodenproben (= Zusammensetzung der Sterne) aus Südamerika mit solchen aus Europa zu vergleichen. Analog dazu ist nicht die Frage von besonderem Gewicht, aus welchem Material einzelne Sterne bestehen, sondern ihre Masse.
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Die Entstehung fernster Galaxien beobachten Professor Ralf Bender, Dr. Ulrich Hopp und Dr. Roberto Saglia
schon seit über einem Jahrzehnt, wobei gerade hier die spektakulären Fotos des Weltraumteleskops Hubble
einen gewaltigen Wissenssprung ausgelöst haben. Die Forscher stellten fest, dass alte Galaxien meistens viel
aktiver waren, also mehr Sterne produzierten. Aufgrund der Anziehungskraft entstanden Galaxienhaufen, welche
sich in ihrer Entwicklung gegenseitig beeinflussten. Oft wird von galaktischem Kannibalismus gesprochen: Eine
große Galaxie ‚frisst’ eine kleine. Durch die dazugewonnene Masse können neue Sterne entstehen. Häufig sind
ganze Galaxienhaufen anzutreffen, in denen die einzelnen Sternenhaufen auch untereinander interagieren. Durch
diese Erkenntnisse konnte eine Sternenkarte angelegt werden, die natürlich noch lange nicht komplett ist. Einige Fakten gelten allerdings schon als unumstößlich, wie zum Beispiel, dass es nur sehr wenige vereinzelte,
einsame Sterne gibt. Sterne existieren fast ausschließlich in Galaxien, und zwischen den Galaxien befindet sich
– nahezu nichts. Ein Teilchen pro Kubikmeter beträgt die Dichte in den schier endlosen Zwischenräumen, was
die Bezeichnung ‚Dichte’ irreführend werden lässt. Eine wichtige Frage für die LMU-Forscher lautet in diesem
Zusammenhang: Wieso gibt es überhaupt Galaxien? Denn diese Struktur von Inseln in riesigen Ozeanen der
Leere macht in Verbindung mit der Urknalltheorie zunächst keinen Sinn. Die im All überall anzutreffende Hintergrundstrahlung, sozusagen der Nachhall des Urknalls, der in Kelvin gemessen wird, kann aus jeder Richtung
des Universums empfangen werden. Bis auf minimale Ausschläge von 0,0003 Grad-Kelvin ist sie überall gleich.
Anders ausgedrückt: Die Dichteschwankungen sind, so beschreiben es die Münchener Forscher, vergleichbar
mit einem Wellengang von 25 Zentimetern auf einem Meer mit fünf Kilometern Tiefe.
UNERFORSCHTE MATERIE
Das Universum war zu Beginn sehr homogen. Logisch wäre demnach auch eine homogene Verteilung der Materie
ohne Riesengalaxien und ohne große Leerräume. Auch die Gravitation hilft hier nicht weiter: Ihre Kraft reicht
nicht aus, um die ‚Verklumpung’ ausreichend zu erklären. Die einzig mögliche Antwort: Das Universum besitzt
mehr Materie, als gesehen und gemessen werden kann. Woraus sie besteht, weiß bislang niemand. Dass es sie
gibt, gilt aber unter den Forschern als erwiesen.
Maßgeblichen Anteil an dieser Erkenntnis hat wiederum die Forschungsgruppe für extragalaktische Astronomie
in München. Hier werden zum Beispiel Daten ausgewertet, die sich aus dem so genannten Gravitationslinseneffekt ergeben. Diese Art der Beobachtung ist möglich, weil Einstein mit seiner Allgemeinen Relativitätstheorie
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Recht hatte: Führt die ‚Reiseroute’ eines Lichtstrahls an einem sehr massereichen Objekt vorbei, wird sein Weg
gekrümmt. Die Krümmung berechnet sich aus der Masse des Himmelskörpers und daraus, wie nah das Licht an
ihm vorbeizieht. Im idealen Szenario befinden sich zwei sehr weit entfernte Galaxien von der Erde aus hintereinander, beide bestehen aus Milliarden von Sternen. Das Licht der ferneren Galaxie biegt und krümmt sich nun
durch die vordere hindurch, und aufgrund der vielen verschiedenen Brechungen erreichen gleich mehrere Bilder
der gleichen Galaxie die Erde. Daraus kann errechnet werden, wie viel Masse sich in der vorderen Galaxie
befindet. Mit solch komplizierten Messungen befasst sich in München vor allem Dr. Stella Seitz. Auf das reisende
Licht wirkt viel mehr Masse ein, als in den Sternen steckt. Diese Masse wird dunkle Materie genannt. Es ist
schlichtweg nicht bekannt, woraus sie besteht. Deshalb werden Galaxien mittlerweile nicht mehr ausschließlich
fotografiert, um zu erfahren, wie sie verteilt sind. Vielmehr können Forscher so Unsichtbares sichtbar machen,
also errechnen, wie viel dunkle Materie sich in einer Galaxie befindet. Stella Seitz errechnete, dass über 80 Prozent der gesamten Masse des Universums ‚dunkel’ ist.
D E R ,D U N K L E N ’ M A T E R I E A U F D E R S P U R
Das Geheimnis der dunklen Materie zu lüften, ist eines der Ziele, das in der Astrophysik zurzeit weltweit am intensivsten verfolgt wird. „Wir würden dadurch nicht nur das Weltall besser verstehen, sondern auch die ganze
Physik“, sagt Ralf Bender. Denn immerhin würde es sich um die Entdeckung bisher unbekannter Teilchen
handeln. Kein Wunder also, dass sich München mit einem Millionenprojekt dieser Aufgabe widmet. Das Herzstück der Forschung steht derzeit noch im Keller der Scheinerstraße und wartet auf die letzten Einzelteile: Eine
Kamera mit einem Durchmesser von einem guten Meter (siehe Abbildung Seite 71). Bald wird sie mit einem
Spezialtransport zur europäischen Südsternwarte nach Chile gebracht, und die Münchener, die sich das internationale Projekt mit sechs anderen europäischen Universitäten teilen, erhalten 25 Beobachtungsnächte pro
Kalenderjahr zugewiesen. Dann wird die Kamera – ausgestattet mit 16.400 mal 16.400 Pixel, verschiedenen
Filtern und langen Belichtungszeiten – bis zu 50 Millionen Galaxien festhalten. Manche davon sind nur zwei bis
drei Milliarden Jahre vom Urknall entfernt. Die Datenmengen, die dabei anfallen, sind so groß, dass sie nicht
einfach über Computer nach München gemailt werden können. „Die Übertragungskapazitäten hinken unseren
technischen Möglichkeiten immer ein wenig hinterher“, sagt Ralf Bender. Deshalb wird auf eine bewährte Methode zurückgegriffen: den Transport via Aktenkoffer.
Während sich beispielsweise Stella Seitz in den letzten Jahren vorwiegend mit dem Gravitationslinseneffekt
befasst hat, haben Ralf Bender und andere die Zentren von Galaxien auf der Suche nach schwarzen Löchern erforscht. Und sie sind fündig geworden. Etwa 30 schwarze Löcher konnten nachgewiesen werden; an anderen
Orten bestehen „dynamische Hinweise“, wie es die Astrophysiker nennen. Ein schwarzes Loch ist ein ehemaliger
großer Stern. Am Ende seines Lebens fällt er aufgrund seiner großen Masse und seiner Schwerkraft in sich zusammen und komprimiert sich so stark, dass er jegliche Materie in seinem näheren Umfeld aufsaugt. Der Ausdruck ‚näheres Umfeld’ ist dabei relativ, es handelt sich immerhin um einige Milliarden Kilometer. Die meisten
schwarzen Löcher sind bereits inaktiv geworden, ihre Anziehungskraft reicht nicht aus für ein weiteres Aufsaugen von Materie. Für die Kosmologie ist die Erforschung schwarzer Löcher ebenfalls von Bedeutung. Da es
vor allem im frühen Universum viele große Sterne gab, entstanden auch schon früh viele schwarze Löcher. Sie
haben durch den so genannten Staubsauger-Effekt dafür gesorgt, dass die weitere Entstehung von Sternen ver-
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3 In der Münchener Universitäts-Sternwarte der LMU sind Teile der so genannten Omega-Cam zu bewundern, die gemeinsam mit der internationalen Organisation European Southern Observatory (ESO) entsteht.
langsamt wurde. „Wie genau die Wechselwirkung zwischen schwarzen Löchern und den Galaxien vor sich geht, muss noch erforscht
werden“, so Ralf Bender. Eine Antwort darauf wird hoffentlich auch
Klarheit darüber verschaffen, warum Galaxien so alt sind. Obwohl
Astrophysiker es also eher gewohnt sind in die Vergangenheit des Weltalls zu blicken, versucht Ralf Bender
einen Ausblick. In den nächsten ein, zwei Jahrzehnten werden die Bestandteile der dunklen Materie bekannt
sein, glaubt er. Durch die immer besser werdenden Beobachtungsmöglichkeiten könnte es außerdem bald denkbar sein, ‚biologische Aktivitäten’ außerhalb der Erde zu finden. Den Begriff ‚außerirdische Lebensformen’ vermeidet Bender bewusst: „Wenn wir etwas finden, dann nur dadurch, dass wir in den Atmosphären ferner Planeten
Sauerstoff entdecken“. Daraus könne aber noch lange nicht ermittelt werden, auf welcher Entwicklungsstufe
sich die biologischen Aktivitäten befänden. Trotzdem: Die philosophische Frage nach dem ‚Woher kommen wir
und wohin gehen wir?’ würde durch solch eine Entdeckung eine neue Wendung bekommen und unser Bild vom
Universum stark verändern. Wen all diese Fragen nachts nicht mehr schlafen lassen, der sollte sich entweder
ein Teleskop kaufen oder das Bayerische Fernsehen einschalten. Eine Viertelstunde Alpha Centauri mit Harald
Lesch ist eine unterhaltsame und verständliche Form dessen, woran in der Münchener Scheinerstraße und an
anderen Orten der Welt gearbeitet wird.
Prof. Dr. Harald Lesch ist seit 1995 Professor für Theoretische Astrophysik an der
LMU. Darüber hinaus unterrichtet er Naturphilosophie an der Hochschule für
Philosophie S.J. in München. Einem größeren Publikum ist er durch die Sendung
Alpha Centauri im Bayerischen Fernsehen bekannt geworden.
[email protected]
www.usm.uni-muenchen.de
Prof. Dr. Ralf Bender ist seit 1994 an der LMU als Professor für Astronomie tätig.
1998 übernahm er die Leitung der Universitäts-Sternwarte der LMU und seit 2002 ist
er zudem Direktor am Max-Planck-Institut für Extraterrestrische Physik. In seiner
Arbeitsgruppe forschen Dr. Ulrich Hopp, Dr. Roberto Saglia und Dr. Stella Seitz.
[email protected]
www.usm.uni-muenchen.de
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