Kapitel 1 Ein Paradox

Es könnte sich eine seltsame Analogie daraus ergeben, daß das Okular auch des riesigsten Fernrohrs nicht größer sein darf, als unser Auge.

- Ludwig Wittgenstein, Vermischte Bemerkungen

Die späten 1990er Jahre waren der Höhepunkt eines goldenen Jahrzehnts kosmologischer Entdeckungen. Lange als überwiegend spekulatives wissenschaftliches Stiefkind betrachtet, hatte sich die Kosmologie - jene Wissenschaft, die es wagt, Ursprung, Evolution und Schicksal des gesamten Universums zu erforschen - nun endlich angeschickt, den Kinderschuhen zu entwachsen. Unter Wissenschaftlern auf der ganzen Welt herrschte helle Aufregung über die jüngsten Beobachtungen und Messungen von Satelliten und auf der Erde stationierten hochentwickelten Instrumenten, die der Disziplin in atemberaubendem Tempo ein völlig neues Gesicht verliehen. Es war, als ob das Universum zu uns sprechen würde. Diese spektakulären Beobachtungen forderten Theoretiker heraus, die Vorhersagen ihrer Modelle des Universums zu verfeinern und deren Grundlagen kritisch in Augenschein zu nehmen.

In der Kosmologie entdecken wir die Vergangenheit. Kosmologen sind Zeitreisende und Teleskope ihre Zeitmaschinen. Wenn wir tief in den Weltraum hineinspähen, blicken wir weit in die Zeit zurück, denn bis das Licht von weit entfernten Sternen und Galaxien uns erreicht, ist es bereits Millionen oder gar Milliarden von Jahren unterwegs. Bereits 1927 behauptete der belgische Priester und Astronom Georges Lemaître, dass sich der Weltraum über solch lange Zeiträume hinweg ausdehnt. Doch erst in den 1990er Jahren ermöglichte es der Fortschritt in der Teleskoptechnik, die Expansionsgeschichte des Universums nachzuverfolgen.

Diese Geschichte hielt einige Überraschungen bereit. So entdeckten Astronomen im Jahr 1998, dass die Ausdehnung des Weltalls vor etwa 5 Milliarden Jahren an Fahrt aufgenommen hatte, obwohl alle bekannten Formen von Materie einander anziehen und demnach die Expansion verlangsamen sollten. Seitdem fragen sich Physiker, ob diese kosmische Beschleunigung von Einsteins kosmologischer Konstante angetrieben wird, jener unsichtbaren, dem Äther ähnlichen dunklen Energie, welche die Gravitation nicht anziehend, sondern abstoßend wirken lässt. Ein Astronom witzelte, dass das Universum aussehe wie Los Angeles: ein Drittel Substanz und zwei Drittel dunkle Energie.

Wenn das Universum jetzt expandiert, muss es in der Vergangenheit offenbar stärker komprimiert gewesen sein. Gehen wir in der Geschichte des Kosmos in die Vergangenheit zurück - natürlich nur als mathematische Übung -, so entdecken wir, dass sämtliche Materie einst stark komprimiert und auch sehr heiß gewesen sein muss, da sich Materie erhitzt und strahlt, wenn man sie zusammenpresst. Diesen primordialen Zustand bezeichnet man als den heißen Urknall. Mit Hilfe astronomischer Beobachtungen seit den goldenen 1990ern lässt sich das Alter des Universums, also die Zeit, die seit dem Urknall vergangen ist, auf 13,8 Milliarden Jahre, plus/minus 20 Millionen Jahre, bestimmen.

Weil die ESA (European Space Agency) unbedingt mehr über die Geburt des Universums herausfinden wollte, schoss sie im Mai 2009 zur bislang detailliertesten und ehrgeizigsten Durchmusterung des Nachthimmels einen Satelliten ins All. Das Ziel war ein faszinierendes Flackermuster in der Wärmestrahlung, die der Urknall hinterlassen hatte. Nach einer Reise von 13,8 Milliarden Jahren durch den expandierenden Kosmos hat sich die Hitze des Urknalls, die uns heute erreicht, merklich abgekühlt: auf 2,725 K oder rund -270 °Celsius. Weil Strahlung dieser Temperatur überwiegend im Mikrowellenbereich des elektromagnetischen Spektrums liegt, bezeichnet man die Restwärme als kosmische Mikrowellenhintergrundstrahlung oder CMB-Strahlung (von cosmic microwave background).

Die Versuche der ESA, die bei der Geburt des Universums erzeugte primordiale Wärme einzufangen, gipfelten im März 2013 in einem merkwürdigen ovalen Bild, das einem pointillistischen Gemälde ähnelt und weltweit die Titelseiten der Presse schmückte (siehe Abbildung 2). Diese Abbildung ist eine Projektion des gesamten Himmels, höchst detailliert erstellt aus Millionen von Pixeln. Sie bildet die Temperatur der primordialen CMB-Strahlung ab, die uns aus verschiedenen Richtungen aus dem Weltall erreicht. Eine so detaillierte Beobachtung der CMB-Strahlung verschafft uns einen Eindruck vom Universum etwa 380000 Jahre nach dem Urknall, als es auf einige tausend Grad heruntergekühlt war. Diese Abkühlung genügte, um die primordiale Strahlung freizusetzen, die sich seitdem ungehindert durch den Kosmos bewegt.

Eine Himmelskarte vom Nachglühen des heißen Urknalls, aufgezeichnet von der ESA-Raumsonde Planck, benannt nach dem Quantenpionier Max Planck. Die unterschiedlichen Farbtöne bilden leichte Temperaturschwankungen der kosmischen Mikrowellenhintergrundstrahlung ab, die uns aus unterschiedlichen Richtungen des Himmels erreicht. Auf den ersten Blick erscheinen diese Temperaturschwankungen zufällig, doch bei genauerem Hinschauen offenbaren sich Muster, die verschiedene Bereiche der Karte verknüpfen. Anhand dieser Muster können Kosmologen die Expansionsgeschichte des Universums rekonstruieren, nachvollziehen, wie Galaxien entstanden sind, und sogar vorhersagen, wie sich das Universum entwickeln wird.

Die Himmelskarte des CMB bekräftigt, dass sich die noch vorhandene Hitze des Urknalls nahezu gleichmäßig über den Himmel verteilt. Die Sprenkel im Bild stellen kleinste Temperaturschwankungen dar, ein winziges Flimmern von maximal einem Hunderttausendstel Grad. Diese leichten Abweichungen, so gering sie auch sein mögen, sind von zentraler Bedeutung, weil sie uns zu den Keimzellen führen, um die sich schließlich Galaxien gebildet haben. Wäre der Urknall überall völlig gleichmäßig gewesen, gäbe es heute keine Galaxien.

Die CMB-Karte markiert unseren kosmischen Horizont - weiter können wir nicht blicken. Dennoch erlaubt uns die kosmologische Theorie einige Rückschlüsse auf Prozesse, die in noch früheren Zeitabschnitten stattgefunden haben. So wie Paläontologen in versteinerten Fossilien lesen können, wie das Leben auf der Erde einstmals beschaffen war, können sich Kosmologen aus den Mustern in diesem fossilen Flimmern zusammenreimen, was geschehen sein könnte, bevor die Restwärmekarte in den Himmel gezeichnet wurde. Auf diese Weise wandelt sich der CMB-Schnappschuss zu einem kosmologischen Stein von Rosette, der uns in die Lage versetzt, die Geschichte des Universums bis zu einem Sekundenbruchteil nach seiner Geburt zurückzuverfolgen.

Und was wir da erfahren, ist faszinierend. Wie wir in Kapitel 4 sehen werden, weisen die in den Temperaturschwankungen der CMB-Strahlung kodierten Muster darauf hin, dass sich das Universum zunächst schnell ausdehnte, dann das Tempo drosselte und kürzlich (vor etwa 5 Milliarden Jahren) wieder Fahrt aufnahm. Langsamer zu werden scheint im kosmischen Maßstab eher die Ausnahme als die Regel zu sein. Dies ist eine der scheinbar zufälligen lebensfreundlichen Eigenschaften des Universums, denn nur in einem sich gemächlicher ausdehnenden Kosmos häuft sich Materie an und bildet schließlich Galaxien. Hätte es in der Vergangenheit kein Innehalten in der Ausdehnung gegeben, würden heute keine Galaxien, keine Sterne und deshalb auch kein Leben existieren.

Tatsächlich war die Expansionsgeschichte des Universums zentral für einen der ersten Momente, in denen die Bedingungen unserer eigenen Existenz Eingang ins moderne kosmologische Denken fanden. Anfang der 1930er Jahre trug Lemaître eine bemerkenswerte Skizze in eines seiner violetten Notizbücher ein, worin er ein, wie er es nannte, »zögerndes« Universum graphisch darstellt (siehe Abbildung 3 im Bildinnenteil). Dieses Universum weist eine Expansionsgeschichte auf, die dem holprigen Ritt sehr ähnelt, den die Beobachtungen siebzig Jahre später offenbaren sollten.[1] Lemaître entwickelte die Idee einer langen Pause bei der Ausdehnung, indem er über die Habitabilität, also die Bewohnbarkeit, des Universums nachdachte. Wie er wusste, deuteten die ersten astronomischen Beobachtungen benachbarter Galaxien auf eine hohe Ausdehnungsgeschwindigkeit in der letzten Zeit hin. Betrachtete er die gesamte zurückliegende Entwicklung des Universums auf der Grundlage dieser Geschwindigkeit, hätten die Galaxien vor gerade einer Milliarde Jahren allesamt noch beieinander sein müssen. Das war natürlich unmöglich, denn die Erde und unsere Sonne sind schon viel älter. Um diesen offensichtlichen Widerspruch zwischen der Geschichte des Universums und der unseres Sonnensystems zu umgehen, nahm er an, dass es davor eine Zwischenphase mit sehr langsamer Expansion gegeben hatte, um den Sternen, den Planeten und dem Leben Zeit zur Entwicklung zu geben.

In den Jahrzehnten seit Lemaîtres Pionierarbeit sind Physiker weiterhin über zahlreiche solcher »glücklichen Zufälle« gestolpert, denen das Universum seine verblüffende Lebensfreundlichkeit verdankt. Bei fast allen seiner elementaren physikalischen Eigenschaften, vom Verhalten der Atome und Moleküle bis zur Struktur des Kosmos im größten Maßstab, bedarf es nur einer kleinen Veränderung und die Bewohnbarkeit des Universums stände auf dem Spiel.

Nehmen wir beispielsweise die Gravitation,...