Gesundheit : Dünne Ursuppe

Thomas de Padova

Die Milchstraße ist des Nachts gut ausgeleuchtet. Sie ist die hellste Sternenroute, die Astronomen mit ihren Teleskopen durchstreifen. Abseits davon finden sich etliche Querstraßen, angestrahlt von Abermilliarden Galaxien. Der Glanz dieser Galaxien verblasst jedoch mit der Zeit mehr und mehr. In 100 Milliarden Jahren werden jenseits der Milchstraße nur noch ein paar Irrlichter zu sehen sein, wie Abraham Loeb vom Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics in den USA kürzlich berechnet hat.

Was Astronomen heute noch in den Weiten des Universums entdecken, das wird morgen wegen der raschen Expansion des Alls für immer hinter dem Horizont des Sichtbaren verschwinden. Nichts kann diese Expansion aufhalten. Auch die Schwerkraft der unzähligen Galaxien kann die Ausdehnung des Alls nicht ausreichend bremsen. Ihre Anziehungskraft ist zu klein. Denn es gab im Kosmos von Beginn an nicht genügend Materie. Sämtliche Atomkerne im Universum zusammengenommen liefern nur etwa vier Prozent der Masse, die nötig wäre, die Expansion des Weltalls dauerhaft zu stoppen.

Wie viel Materie das Universum schon in seiner Frühzeit barg, lässt sich inzwischen recht zuverlässig ermitteln. Dem Urknallmodell zufolge war der Kosmos in den ersten Minuten ein Höllenfeuer, ein heißer Fusionsreaktor. Darin bildeten sich kurz nach der Entstehung des Universums zunächst fünf verschiedene Sorten von Atomkernen. Aus den Kernreaktionen zwischen den hitzigen Protonen und Neutronen gingen vor allem Wasserstoff und Helium-4, aber auch geringe Mengen an Deuterium, Helium-3 und Lithium hervor.

Das Urknallmodell macht einige Vorhersagen darüber, zu welchen Anteilen diese leichten, einfach aufgebauten Elemente damals entstanden. Je dichter das Universum einst war, desto weniger Deuterium und Helium-3 sollten zum Beispiel darin überdauert haben können. Denn weder Deuteriumkerne, bestehend aus einem Proton und einem Neutron, noch jene des Helium-3 (zwei Protonen plus ein Neutron) sind stabil. Sie werden bei häufigen Kollisionen in einem dichten Kosmos letztlich zu dem erheblich robusteren Helium-4 (zwei Protonen plus zwei Neutronen) umgewandelt.

Das Universum war jedoch anfangs nicht sonderlich dicht. Das ließ schon das unerwartet häufige Vorkommen von Deuterium auf der Erde vermuten. Dieses Deuterium ist im Wesentlichen ein Relikt des Urknalls. Seither hat es sich kaum noch in nenneswerten Mengen gebildet. Diese Annahme haben Wissenschaftler nun anhand von Messungen der Häufigkeit von Helium-3 bestätigen können. Sie gestalteten sich ungleich schwieriger. Denn der Anteil an Helium-3 im Kosmos schien sich im Verlaufe der Entwicklung des Alls stark verändert zu haben.

So entdeckten Astronomen in den 70er Jahren zum Beispiel größere Mengen an Helium-3 in einigen planetarischen Nebeln, in jenem Gas also, das von gealterten, massearmen Sternen zurückgeblieben war. Diese Beobachtung deckte sich mit der Überlegung, dass massearme Sterne wie unsere Sonne bei Kernreaktionen etliches Helium-3 ausbrüten sollten. Das nur schwer erkennbare Helium-3 würde erst im hohen Alter des Sterns an dessen Oberfläche wandern und in dessen letzter Lebensphase in den interstellaren Raum gelangen. Doch eine solche Anreicherung des Alls mit Helium-3 hat es neuen Beobachtungen zufolge nirgends gegeben.

Wie eine Gruppe amerikanischer Forscher nun im Wissenschaftsmagazin "Nature" (Band 415, Seite 54) berichtet, variiert der Beitrag des Helium-3 zur chemischen Zusammensetzung unserer Milchstraße. Er ist überall in unserer Galaxis ähnlich hoch und dürfte sich seit dem Urknall kaum geändert haben. Helium-3 kann daher ebenso wie Deuterium als guter Anhaltspunkt für die Materiedichte des frühen Kosmos gelten.

Offenbar wird das in massearmen Sternen erzeugte Helium-3 in den meisten Fällen wieder zerstört. Die rasche Umdrehung der Sterne sorgt nämlich in der Regel für eine schnelle Durchmischung aller Substanzen.

Dabei gelangt auch das Helium-3 wieder in heißere, dichtere Innenbereiche, wo es sich in Helium-4 verwandelt. Lediglich sehr langsam rotierende massearme Sterne tragen demnach Helium-3 ins All hinaus.

Sie sind allerdings nicht sonderlich verbreitet. Helium-3 ist ein seltener Stoff im Kosmos. Nur etwa auf jedes 50 000ste Wasserstoffatom kommt ein Helium-3-Kern. Gleichwohl wundern sich die Astrophysiker über diese Rate. Wenn das Universum nach dem Urknall nur ein wenig dichter gewesen wäre, dann hätte noch viel weniger Helium-3 überleben können. Es wäre bei Zusammenstößen mit anderen Atomkernen vernichtet worden. Das Rätsel um die Urmaterie im Universum ist damit allerdings keinesfalls gelöst. Denn um etwa die großräumige Bewegung der Galaxien erklären zu können, bedarf es einer unbehaglichen Erweiterung des Weltbildes: Neben den Atomkernen muss es noch eine weitaus häufigere Form der Materie geben, eine exotische "dunkle Materie".

Auch sie dürfte indessen nicht verhindern, dass das Weltall in Zukunft noch weiter ausdünnt. Der Kosmos sieht öden Zeiten entgegen. Galaxien, die wir heute mit Teleskopen am Horizont sehen können, werden mit den Jahrmilliarden dahinter abtauchen. Auf Nimmerwiedersehen.

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