Gesundheit : Weltraumforschung: Unterwegs in die Einsamkeit

Thomas de Padova

Das Universum passte beinahe schon in unseren Kopf. Es ließ sich in ein Netz aus mathematischen Gleichungen einweben. Und je enger die Maschen dieses Netzes wurden, desto stärker wuchs das Vertrauen von Physikern wie Stephen Hawking, die Welt und ihre Geschichte Kraft unseres Verstandes bald vollständig erfassen zu können.

Inzwischen schwindet das Vertrauen wieder. Denn was Astronomen durch ihre Teleskope sehen, lässt sich immer schwerer in das Bild des Urknalls mit anschließender Expansion des Kosmos einfügen. Das Weltall hat offenbar vier Phasen der Ausdehnung durchlaufen. Und diese neue Einteilung bringt bisher ungeahnte Kräfte ins Spiel.

Der Kosmos blähte sich nach einem Urknall auf, über den wir, außer der plausiblen Annahme, dass er sich einst ereignete, wenig wissen. Plötzlich wurde die Expansion, angefacht von einer unbekannten, hypothetischen Energie, einer Art Anti-Schwerkraft, ungeheuer rasch. In der folgenden Periode, in der die chemischen Elemente, Sterne und Galaxien entstanden, verlangsamte sich dieser Prozess wieder. Die wechselseitige Anziehung der Himmelskörper wirkte der anhaltenden Expansion entgegen. Wir aber leben in einem vierten Zeitalter: Vermutlich seit einigen Milliarden Jahren dehnt sich das Universum schneller und schneller aus. Das bestätigen Beobachtungen entfernter Sternexplosionen, die kürzlich im Wissenschaftsmagazin "Science" vorgestellt wurden.

Welche Kraft die beschleunigte Ausdehnung des Kosmos antreibt, wissen wir nicht. Manche Forscher vermuten, ursächlich dafür sei jene Energie, die im scheinbaren Nichts, im Vakuum, enthalten ist oder in einem anderen exotischen Quantenfeld, einer geheimnisvollen "Quintessenz". Astrophysiker um Paul Steinhardt aus Princeton in den USA stellten Ende vergangener Woche eine völlig neue Theorie vor: Die gegenwärtige Expansion könnte demnach der Vorbote einer Kollision mit einem Paralleluniversum sein. Doch zunächst ein Blick zurück:

Phase I: Urknall

Der Big-Bang ist eine Heilige Kuh. Seit fast 100 Jahren wissen wir, dass sich die Galaxien großräumig voneinander entfernen, auch wenn es hier und da zu galaktischen Zusammenstößen kommt. Verfolgt man diese Fluchtbewegung zurück, dann müssen irgendwann einmal alle Galaxien zusammenballt gewesen sein. Ein dichter, heißer Anfang also, vielleicht sogar mit grellem Blitz?

Letzteres lässt sich ausschließen: Am Anfang war kein Licht. Denn wenn alle Materie einst auf engem Raum vereint war, muss die Hitze enorm gewesen sein. So groß, dass sich die Elektronen von den Atomkernen lösten. Ein solches Plasma ist undurchsichtig. Licht dringt nicht hindurch, weil es von den frei umherfliegenden Elektronen eingefangen wird. Am Anfang des Universums hat wohl kein Lichtlein geleuchtet.

Wenn wir irgendein Signal aus der Zeit des Urknalls auffangen wollen, so müssen wir Ausschau nach anderen Boten halten: Nach den bisher noch nie gemessenen Schwerkraftwellen zum Beispiel, für deren Nachweis derzeit riesige Detektoren gebaut werden. Bis dahin bleibt der Urknall allein theoretischen Erwägungen zugänglich. Grafik: Kosmische Zeitalter Die Relativitätstheorie stieß die Forscher auf einen seltsamen Befund: Genügend große Massen müssten aufgrund ihres eigenen Gewichts unaufhaltsam in sich zusammenstürzen. Die Existenz solcher Orte unendlicher Dichte, der Schwarzen Löcher, hat man inzwischen indirekt nachgewiesen. Schwarze Löcher sitzen im Herzen von Galaxien, auch im Zentrum unserer Milchstraße.

Wenn es aber einen Kollaps zu Schwarzen Löchern gibt, warum nicht auch die umgekehrte Erscheinung: einen Urknall? Die Relativitätstheorie vermag letztlich keine Antwort darauf zu geben. Denn weder das Ende eines Schwarzen Loches noch der Anfang des Universums lassen sich mit ihr erfassen. Die Beschreibung eines so dichten, heißen Zustandes weist über die Grenzen ihrer Gültigkeit hinaus und erfordert die Einbeziehung der Quantentheorie.

Diese Vereinigung von Relativitätstheorie und Quantenphysik ist bisher nicht geglückt. Es ist daher längst nicht ausgemacht, dass die Zeit in einem Schwarzen Loch endet oder dass sie im Urknall zwangsläufig ihren Anfang genommen hat. Vielleicht gibt es gar keinen Moment der Entstehung. Dann hätte auch der Big-Bang eine lange Vorgeschichte, das Universum wäre das Ergebnis einer fortschreitenden kosmischen Evolution.

Phase III: Gebremste Ausdehnung

Die früheste Zeit, von der wir Kenntnis haben, beginnt 300 000 Jahre nach dem Big-Bang. Das Universum hatte sich aber bereits enorm ausdehnt und kühlte langsam ab. Als die Temperatur unter die Schwelle von rund 3000 Grad fiel, begann sich der Himmel aufzuhellen. Das Licht, das bis dato im Plasma eingeschlossen war, wurde frei. Der Elektronennebel löste sich auf, weil sich die Elektronen mit den Atomkernen zu Atomen verbanden. Seither breitet sich das Licht aus und gelangt noch heute aus allen Himmelsrichtungen zu uns.

Diese "kosmische Hintergrundstrahlung" ist das älteste Licht überhaupt. Mit Hilfe des Cobe-Satelliten und anderer Instrumente haben Forscher herausgefunden, dass diese Lichtstrahlen ein und dieselbe Geschichte erzählen, egal woher sie kommen. Dem Licht entspricht eine Temperatur, die damals herrschte. Diese Temperatur schwankt lediglich um ein tausendstel Prozent.

Eine erstaunliche Übereinstimmung, obwohl die Lichtstrahlen nur bedingt denselben Ursprung haben. Sie stammen aus Bereichen des Universums, die vor 300 000 Jahren zum Teil bereits sehr weit auseinander lagen. So weit, dass diese Regionen gar nicht miteinander in Kontakt gestanden haben können. Ein Temperaturgleichgewicht stellt sich in einem Wasserbad und sonstwo aber erst nach physikalischen Austauschprozessen ein.

Phase II: Die Inflation

Die Forscher sahen sich in einem Dilemma, für das Alan H. Guth Anfang der 80er Jahre einen heute populären Lösungsvorschlag unterbreitete. Das 300 000 Jahre alte Universum mit seinen Abermilliarden Kilometern Ausdehnung ging Guth zufolge aus einem kleinen, äußerst homogenen Ei hervor. Das Ei stand am Ende einer rasenden Entwicklung: Nur einen winzigen Bruchteil einer Sekunde nach dem Urknall war das Universum bereits einige Zentimeter groß.

Der Kosmos hatte sich demnach zu Beginn extrem schnell ausgedehnt: mit Überlichtgeschwindigkeit. Später weit voneinander getrennte Bereiche des Alls waren vor dieser "inflationären Entwicklung" sehr nah beieinander. So nah, dass sie selbst in der kurzen Zeitspanne, die seit dem Urknall verstrichen war, bereits miteinander in Kontakt getreten sein konnten.

Die Inflationstheorie vermochte die Gleichförmigkeit des Weltalls zu erklären. Außerdem ließ sie den Schluss zu, dass das, was wir heute mit Teleskopen überblicken, nur ein kleiner Teil des Universums ist. Dessen gesamte Struktur können wir nicht erkennen. Der kleine sichtbare Ausschnitt aber muss uns notgedrungen flach erscheinen - so wie der Erdboden, auf dem wir stehen, uns flach erscheint, obwohl unser Globus als Ganzes die Form einer Kartoffel hat.

Die Inflationstheorie lieferte also auch eine einfache Erklärung für das, was Astronomen beobachtet hatten: einen flachen Kosmos, ohne starke Raumkrümmung. Ihr fehlt aber eine experimentelle und theoretische Absicherung. Wir wissen nicht, welche expansive Kraft Ursache für eine so rasche, inflationäre Ausdehnung des Kosmos kurz nach dem Urknall gewesen sein könnte. Es gibt für diese Antigravitation nur wenig Anhaltspunkte. "Bevor die laufenden Messungen keine eindeutigen Anzeichen der Inflation liefern, möchte ich keine Wette darauf abschließen", schrieb der Kosmologe James E. Peebles kürzlich in der Zeitschrift "Spektrum der Wissenschaft".

Neue Beobachtungen sprechen jedoch dafür, dass das Weltall heute immer rascher expandiert und sich immer weiter ausdünnt. Den stärksten Hinweis darauf geben explodierende Sterne. Sie gehören zu den hellsten Phänomenen am Himmel. Eine systematische Analyse solcher Supernovae hat 1998 ergeben, dass sie mit zunehmendem Abstand noch schwächer werden, als man aufgrund herkömmlicher Expansionsmodelle erwarten würde.

Phase IV: Beschleunigtes Wachstum

Physiker um Adam Riess aus Baltimore haben dies soeben bestätigt. Sie haben die bisher am weitesten entfernte Supernova studiert. Ihr Licht war zehn bis elf Milliarden Jahre bis zur Erde unterwegs. Wir sehen damit in eine Zeit zurück, als der Kosmos noch viel kleiner war als heute und auch die beschleunigende Kraft noch sehr gering war.

Falls weitere Messungen die neuen Befunde untermauern, geraten die Kosmologen erneut in einen Erklärungsnotstand: Welche "dunkle", unbekannte Energie facht die schneller werdende Expansion an? Einige Forscher greifen bereits zu völlig neuen kosmologischen Modellen. Andere suchen Hilfe bei der Quantenphysik: Im Vakuum können Partikel urplötzlich zusammen mit ihren Antiteilchen auftauchen und wieder verschwinden. Es ist keinesfalls leer, sondern birgt eine Energie. Sie könnte sich von einer gewissen Größe des Alls an bemerkbar machen. Eine vage Vermutung. Denn was den möglichen Beitrag der Vakuumenergie zur Gesamtenergie des Alls betrifft, klaffen die Meinungen noch sehr weit auseinander.

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