Gesundheit: Urknall-Theorie: Das Universum ist mindestens 12,5 Milliarden Jahre alt

Wie alt ist das Universum? Bis heute gibt es auf diese Antwort nur Schätzungen, die buchstäblich Milliarden von Jahren von einander abweichen. Das liegt nicht zuletzt an den Methoden, mit denen gemessen wird. Eine davon ist die Expansionsrate des Universums. Kennt man sie, kann man, aufgrund von Schätzungen der Größe des Universums, zu dem Zeitpunkt zurückrechnen, als die Expansion ihren Anfang nahm, also zu dem Moment unmittelbar vor dem Urknall. Aber die Expansionsrate ist selbst eine Schätzung, die in den letzten Jahrzehnten immer wieder revidiert werden musste. Altersbestimmungen des Universums kommen so auf etwa zehn bis 15 Milliarden Jahre.

Ein Forscherteam um Roger Cayrel vom Observatorium Paris-Meudon in Frankreich hat nun eine andere Methode angewandt: die radioaktive Kosmochronometrie. Die Astrophysiker haben sich einen sehr alten Stern gesucht und dessen Alter aufgrund des Verhältnisses zweier radioaktiver Substanzen bestimmt. Das Resultat: Der Stern namens CS 31082-001 ist rund 12,5 Milliarden Jahre alt. Da es schwierig ist für einen Stern, älter zu sein als das Universum, in dem er sich befindet, muss auch das Universum mindestens 12,5 Milliarden Jahre alt sein. Die Methode bietet also eine Untergrenze für das Alter unseres Universums.

Die Kosmochronometrie ist ein mühseliges Unterfangen. Schon allein einen Stern zu finden, der sich für so eine Untersuchung eignet, ist schwer. Mit Teleskopen kann man das Spektrum der visuellen Energie ferner Sterne studieren, die Photonen des Sterns. Diese Photonen haben verschiedene Energiestufen, auch Frequenzen genannt. Unterschiedliche Atome des Sterns verschlucken verschiedene Photonen, solche nämlich, deren Frequenzen zum Atom passen. Deshalb strahlt jeder Stern sein eigenes Photonenspektrum aus, und dieses Lichtspektrum sagt etwas darüber aus, welche Atome des Sterns in welcher Menge vorhanden sind.

Was der Lichtschlucker übrig lässt

Auch die Schwermetalle Thorium 232 und Uran 238 können bestimmte Photonen verschlucken - und so kann man aufgrund des Lichtspektrums die Menge der beiden Atome im Stern bestimmen. Gibt es etwa gar kein Thorium im Stern, dann nimmt es seine Photone gar nicht auf, und es landen entsprechend viele dieser Photone im Teleskop. Das Verhältnis der Mengen beider radioaktiver Schwermetalle sagt etwas aus über das Alter des Sterns. Genau diese Metalle haben die Physiker bei ihrem Stern gemessen.

Am Anfang des Lebens eines Sterns gibt es nur Wasserstoff. Aber die Wasserstoff-Atome sind nicht gleichmäßig verteilt, manche sammeln sich und ziehen mit ihrer Gravitation weitere Atome an. Irgendwann kommen so viele zusammen, dass die Atome verschmelzen: Aus Wasserstoff entsteht Helium, dann Kohlenstoff - bis hin zu Eisen.

Wieder Einstein, wer sonst?

Bei der Bildung dieser immer schwereren Atome ensteht auch Energie. Denn relativ zur Anzahl ihrer Teilchen sind die schwereren Atome geradezu leicht. Ein Heliumatom etwa setzt sich aus den Teilchen zweier Wasserstoffatome zusammen, ist aber leichter als zwei einzelne Wasserstoff-Atome. Wo also ist die Masse geblieben? Sie hat sich in Energie verwandelt. Diese Äquivalenz von Energie (E) und Masse (m) ist es, die Einstein in seiner Formel E=mc2

ausgedrückt hat. Beim Stern zeigt sich die Energie in Form von Temperatur und Licht. Die Temperatur lässt einen (inneren "Gegen"-)Druck entstehen, die den Stern davor bewahrt, auf Grund der Gravitation in sich zusammen zu fallen.

Aber irgendwann geht dem Stern der Wasserstoff aus: Die Materie verdichtet sich, bis sie explodiert - eine Supernova entsteht. Dabei werden Neutronen frei, die etwas Besonderes hervorrufen können. So ist Eisen normalerweise die Endstation in der Kette der Verschmelzungen von Atomen. Beim Entstehen noch schwererer Teilchen wird fortan keine Energie mehr freigesetzt, im Gegenteil: hierfür wird Energie benötigt. Und genau diese Energie wird von den freien Neutronen geliefert, die bei der Supernova enstanden sind. Sie schießen in die herumschwirrenden Eisenatome und machen sie noch schwerer. So bilden sich auch Thorium und Uran.

Erst diese zweite Generation von Sternen, die sich vor allem eben durch die anderen Atome bildet, die im All herumschwirren, kann Thorium und Uranium enthalten. Beide Elemente aber sind instabil, sie zerfallen radioaktiv. Die neue Datierungsmethode der Forscher beruht auf der Kenntnis dieses Zusammenhangs: Bei der Geburt eines Sternes gibt es ungefähr gleich viele Thorium- wie Uran-Atome. Aber Uran zerfällt viel schneller als Thorium, es ist nicht so stabil - nach 4,5 Milliarden Jahren ist nur noch die Hälfte davon da. Die Halbwertszeit von Thorium hingegen beträgt 14,1 Milliarden Jahre. Es bleibt also viel weniger Uran als Thorium übrig.

So kann man aufgrund der relativen Mengen beider radioaktiven Elemente darauf schließen, wie lange der Stern schon existiert - und damit immerhin eine Untergrenze für das Alter des Universums festlegen.