Kapitel 1

Grundlagen

Die Größe des Universums

Wie groß ist das Universum? Es ist sehr, sehr groß! Aber jetzt mal im Ernst: Das ist eine ausgesprochen tiefgründige Frage. Die Suche nach der Antwort wird uns bis ins Herz der Kosmologie führen. Doch bevor wir überlegen, was diese Frage überhaupt bedeutet, wollen wir uns zunächst einige typische Entfernungen ansehen. In der Kosmologie sind die Entfernungen wirklich extrem groß. Um den Maßstab festzulegen, fangen wir in unserer unmittelbaren Umgebung an und arbeiten uns dann in immer größere Entfernungen nach außen vor. Der Mond ist etwa 384.400 Kilometer von der Erde entfernt, was als »nah« betrachtet wird. Das entspricht etwa der Kilometerleistung eines Autos, bevor es kaputtgeht. Mit einem sehr guten Auto könnte man also bis zum Mond fahren und es vielleicht sogar wieder zurück schaffen. Doch jenseits des Mondes wird es mühsam, Entfernungen immer noch in Kilometern zu messen. Da das Universum so riesig ist, messen wir solche Entfernungen typischerweise anders - nämlich mit Licht. Wir können uns fragen, wie lange Licht braucht, um von einem Objekt im Weltraum zu uns zu kommen. Da die Lichtgeschwindigkeit eine Naturkonstante ist, eignet sie sich gut als Maßeinheit. Anders ausgedrückt: Eine Lichtsekunde ist die Entfernung, die Licht in einer Sekunde zurücklegt (also etwa 300.000 Kilometer). Entsprechend legt Licht in 1,3 Sekunden eine Entfernung von 390.000 Kilometern zurück. Also können wir, anstatt die Entfernung in Kilometern anzugeben, einfach sagen, dass der Mond 1,3 Lichtsekunden entfernt ist. Bitte beachten Sie, dass wir hier einen auf Zeit beruhenden Begriff - nämlich die Lichtsekunde - verwenden, um eine Entfernung anzugeben.

Die Sonne ist im Durchschnitt etwa 150 Millionen Kilometer von uns entfernt, also etwas über acht Lichtminuten.3 Da die schnellste Geschwindigkeit, mit der Informationen sich fortbewegen können, die Lichtgeschwindigkeit ist, müssen wir, wenn auf der Oberfläche der Sonne etwas passiert, etwa acht Minuten warten, bis das Licht dieses Ereignisses unsere Augen erreicht. Wir werden später noch auf dieses Konzept zurückkommen, um es auf den kosmischen Maßstab anzuwenden. Vorerst werden wir uns aber auf Entfernungen konzentrieren und nicht auf die Zeit, die es braucht, um diese Entfernung zurückzulegen.

Wenn Sie das nächste Mal in einer Neumondnacht abseits der Lichter einer Stadt sind und den Nachthimmel betrachten, werden Sie einen Streifen sehen, der heller ist als alles andere. Dieses sanfte Leuchten kommt von vielen Milliarden Sternen, welche die Milchstraße bilden - unsere Galaxie, in der unsere Sonne ein ziemlich typischer Stern ist. Eine typische Galaxie besteht aus etwa hundert Milliarden Sternen. Eine Möglichkeit, sich die Bedeutung dieser Zahl zu erschließen, besteht darin, dass unser Gehirn etwa hundert Milliarden Neuronen enthält - für jeden Stern in unserer Galaxie gibt es also in Ihrem Gehirn ein Neuron.

Die Sterne der Milchstraße bilden eine Art Scheibe mit einem Durchmesser von etwa 100.000 Lichtjahren und einer Ausbuchtung in der Mitte. Abbildung 1.1 zeigt eine Skizze, wie die Milchstraße aussehen würde, wenn wir sie aus einiger Entfernung betrachten könnten. Die galaktische Ebene (»galactic plane«) ist eine gedachte Fläche, die diese Scheibe in zwei Hälften teilt, als würde man ein flaches Brötchen aufschneiden. Unser Sonnensystem ist etwa auf halber Strecke vom Mittelpunkt der Scheibe entfernt. Wenn wir in Richtung Mitte der Scheibe blicken, sehen wir viel mehr Sterne, als wenn wir abseits der Mitte auf eine Seite der Scheibe schauen. Es ist ungefähr so, als würde man am Stadtrand leben: Obwohl man sich innerhalb des Stadtgebiets befindet, sieht man alle hohen Gebäude des Stadtzentrums nur in einer Richtung.

Abbildung 1.1 Die Milchstraße, wie ein imaginärer Betrachter sie aus einiger Entfernung sehen würde. Das galaktische Zentrum befindet sich in der Mitte der Ausbuchtung. Die Ausrichtung der Erde in Bezug auf die Galaxie ist nur näherungsweise dargestellt.

Bildnachweis: Stewart Brand und Jim Peebles in The CoEvolution Quarterly.

Tafel 2 (siehe Bildteil) ist ein Bild der Milchstraße, das mit einer CCD-Kamera im Bereich des sichtbaren Lichts aufgenommen wurde.4 Wenn unsere Augen empfindlicher und größer wären, würden wir die Galaxie so sehen. Die dunklen Schwaden in diesem Bild stammen von dem Staub in unserer Galaxie, der das Licht der Sterne verdunkelt, ganz ähnlich wie Rauch die Flammen eines Feuers verdunkelt. In der Kosmologie bezieht sich der Begriff »Staub« auf mikroskopisch kleine Partikel, die aus einer Vielzahl von Materialien wie Kohlenstoff, Sauerstoff und Silizium bestehen. Tafel 3 (siehe Bildteil) zeigt eine andere Ansicht der Milchstraße, die mit dem Diffuse InfraRed Background Explorer (DIRBE) aufgenommen wurde, einem Infrarotteleskop, das eines der drei Instrumente des Satelliten COsmic Background Explorer (COBE) ist.5 Im Gegensatz zu der Darstellung in Tafel 2 (siehe Bildteil) wurde dieses Bild im Wellenlängenbereich »Ferninfrarot« aufgenommen, in erster Linie bei einer Wellenlänge von 100 Mikrometern. Die Intensität der Infrarotstrahlung eines Objekts zeigt uns, wie viel Wärme dieses Objekt ausstrahlt. In Tafel 3 (siehe Bildteil) sehen wir hauptsächlich das thermische Glühen der Milchstraße, oder anders ausgedrückt: die Emission von Wärme. Diese Wärme stammt von dem Staub, den unsere Galaxie enthält, demselben Staub, der das Licht der Sterne verdunkelt.

Eine typische Galaxie wie die Milchstraße hat eine Durchschnittstemperatur von etwa 30 Kelvin, ist also nicht gerade heiß, strahlt aber doch Wärmeenergie ab. Wir können einen losen Vergleich zu einer Glühbirne ziehen. Die Glühbirne nehmen wir hauptsächlich wahr aufgrund des sichtbaren Lichts, das sie ausstrahlt, entsprechend dem Licht in Tafel 2 (siehe Bildteil). Doch tatsächlich erzeugt die Glühbirne viel mehr Energie in Form von Wärme, die wir zwar fühlen, aber nicht sehen können.6 Wenn Sie eine Glühbirne berühren, fühlt sie sich heiß an. Vielleicht haben Sie schon einmal ein Wärmebild von einem Haus gesehen, das mit Infrarotlicht aufgenommen wurde. Solche Bilder zeigen uns, wo die Wärme austritt (oft an den Fenstern). Wenn Sie die Wärme eines heißen Körpers spüren, ist es hauptsächlich Infrarotstrahlung, die Sie wahrnehmen.

Abbildung 1.2 Die Lokale Gruppe von Galaxien. Die Andromedagalaxie ist etwa 2,5 Millionen Lichtjahre entfernt, ist aber bei Dunkelheit und abseits von städtischem Streulicht leicht mit bloßem Auge zu erkennen. Ihre Länge erscheint einige Male so groß wie der Vollmond. Auf der Südhalbkugel sind die Magellanschen Wolken gut mit bloßem Auge zu erkennen. In diesem Bild ist die größere der beiden Wolken in der Nähe der Milchstraße zu sehen; auf Tafel 3 (siehe Bildteil) ist zu erkennen, dass sie Wärme ausstrahlt. Sie hat einen Durchmesser von etwa zwanzig Vollmonden. Die oberen und unteren »Speichenräder« haben einen Durchmesser von 6 Millionen Lichtjahren.

Bildnachweis: Andrew Z. Colvin, https://en.wikipedia.org/wiki/Local_Group.

Gehen wir noch einen Schritt weiter hinaus in den Kosmos. Unsere Galaxie gehört zu der sogenannten »Lokalen Gruppe« von etwa 50 Galaxien, wie in Abbildung 1.2 dargestellt. Die Lokale Gruppe hat einen Durchmesser von etwa 6 Millionen Lichtjahren. In dieser Galaxiengruppe ist die Milchstraße nach der Andromedagalaxie die zweitgrößte Galaxie, doch die Größenunterschiede sind erheblich. Während die Andromedagalaxie etwa 1000 Milliarden Sterne enthält, haben die kleineren »Zwerggalaxien« einige zehn Millionen Sterne. Die Große Magellansche Wolke (Tafel 3 und Seite 22, Abbildung 1.2) ist eine nicht sonderlich weit entfernte kleine Galaxie, die um die Milchstraße kreist.7 Wenn Galaxien umeinander kreisen, sind die Entfernungen zwar schon recht groß, aber wie der Name schon sagt, werden diese Galaxien immer noch als »lokal« angesehen. Obwohl es keine eindeutige Grenze dafür gibt, ab wann Distanzen als »kosmologisch« bezeichnet werden, assoziieren wir mit diesem Begriff typischerweise eine Kugel oder einen Würfel mit einem Durchmesser von mindestens 25 Millionen Lichtjahren. Die Größe der Lokalen Gruppe ist nur ein Bruchteil davon.

Tafel 4 (siehe Bildteil) ist ein atemberaubendes Bild, das mit dem Hubble-Weltraumteleskop aufgenommen wurde, indem es fast 300 Stunden lang dieselbe Himmelsregion beobachtete, um die Empfindlichkeit für das von schwach leuchtenden Objekten ausgestrahlte Licht zu erhöhen. Dieses Bild, das als »Hubble Ultra Deep Field« bekannt ist, könnte man als eine extrem lang belichtete Fotografie bezeichnen. Die am weitesten entfernten Objekte in diesem Bild sind mehrere...