SÜDWESTRUNDFUNK SWR2 AULA für Kinder - Manuskriptdienst (Abschrift eines frei gehaltenen Vortrags)

Transkript

1 SÜDWESTRUNDFUNK SWR2 AULA für Kinder - Manuskriptdienst (Abschrift eines frei gehaltenen Vortrags) Alt und runzlig oder noch relativ jung? Wie alt ist das Universum? Autor: Prof. Harald Lesch * Redaktion: Ralf Caspary Sendung: Sonntag, 6. September 2009, 8.30 Uhr, SWR 2 Bitte beachten Sie: Das Manuskript ist ausschließlich zum persönlichen, privaten Gebrauch bestimmt. Jede weitere Vervielfältigung und Verbreitung bedarf der ausdrücklichen Genehmigung des Urhebers bzw. des SWR. Mitschnitte auf CD von allen Sendungen der Redaktion SWR2 Wissen/Aula (Montag bis Sonntag 8.30 bis 9.00 Uhr) sind beim SWR Mitschnittdienst in Baden-Baden erhältlich. Bestellmöglichkeiten unter Telefon: 07221/ SWR 2 Wissen können Sie ab sofort auch als Live-Stream hören im SWR 2 Webradio unter

2 2 Ansage: Mit dem Thema: Alt und runzlig oder noch jung und knackig - Wie alt ist das Universum? Heute bringen wir mal wieder eine AULA für Kinder und natürlich auch für Erwachsene. Es geht um eine Frage, die schon Generationen von Astrophysikern beschäftigt hat, und natürlich auch fast alle Menschen auf der Erde. Ja, wie alt ist denn nun unser Universum? Wie kann man das herauskriegen, man sieht ihm ja das Alter nicht an, das Geburtsdatum ist eine völlig unbekannte Zahl. Harald Lesch kennt sich mit diesen Fragen besonders gut aus. Er ist Professor an einer Universität, er ist Astrophysiker, beschäftigt sich also mit allem, was im Weltall vor sich geht, also auch mit der Frage, wie alt ist unser Universum. Und jetzt gibt er in der Kinder-Aula Antworten: Harald Lesch: Das Universum ist das Größte, das wir kennen, das sagt schon der Name. Universum bedeutet ja: alles, was ist. Wie alt ist das Universum? Das ist gar nicht so einfach zu beantworten. Es liegt ja kein Reisepass herum, in den man reingucken kann und sagen: Ach, schau mal, das Universum ist am 28. August 1749 geboren. So ist es nicht. Man müsste dem Universum irgendwie ansehen, wie alt es ist. Beim Menschen kann man das Alter ungefähr schätzen: Das ist ein Kind, das ein Teenager, dann kommen die Zivildienstleistenden und Bundeswehrsoldaten im Alter von ungefähr 18 oder 19 Jahren, dann kommen die Erwachsenen, und hier wird es langsam schwieriger, denn den Unterschied zwischen einem 40- und 50-Jährigen kann man schon nicht mehr so leicht einschätzen, aber nach einer Weile merkt man, oh, der oder die ist viel älter, und manche sind schon ganz alt. Also bei uns Menschen kann man das Alter wenigstens ungefähr schätzen, wir erkennen unterschiedliche Altersperioden. Kann man das beim Universum auch? Dazu muss ich zunächst mal fragen, wie das Universum eigentlich aussieht. Guckt doch mal raus. Die Helligkeit an unserem Tageshimmel hat etwas mit dem Stern zu tun, der unseren Planeten erleuchtet: Das ist die Sonne. Nachts ist die Sonne untergegangen, weil die Erde sich um ihre eigene Achse gedreht hat, und unser Himmel ist dunkel. Die Sterne, die wir in der Nacht sehen, sind offenbar nicht in der Lage, unseren Nachthimmel so zu erleuchten, wie die Sonne das am Tag tut. Daraus können wir schon mal messerscharf schließen, dass die Sterne, die wir nachts sehen, weiter von uns entfernt sein müssen als die Sonne, und zwar viel weiter, sonst wäre es nachts ja wenigsten ein bisschen hell. Auch unsere Temperatur auf der Erde hat etwas damit zu tun, dass uns die Sonne so nahe ist. Sie ist 150 Million Kilometer weit von uns entfernt. Das Licht von der Sonne braucht immerhin acht Minuten, um zu uns zu gelangen. Das ist jetzt nicht allzu weit, aber wenn wir versuchen würden, mit unserem normalen Raumschiff, mit dem wir

3 3 in den 60er und 70er Jahren des 20. Jahrhunderts zum Mond geflogen sind, zur Sonne zu fliegen, dann wären wir viele Jahre unterwegs. Neben den Sternen gibt es auch Planeten. Die Planeten gehören zum Sonnensystem, und sie laufen am Himmel sehr schnell. Die Sterne dagegen stehen quasi still, daher haben sie auch ihren Namen: die Fixsterne. Das bedeutet, sie bleiben an einer Stelle. Schon die alten Griechen vor 2500 Jahren haben bemerkt, dass es Lichter am Himmel gibt, die sich recht schnell bewegen, und andere Lichter, die sich nicht bewegen. Die Planeten produzieren gar kein Licht wie die Sterne, sondern sie spiegeln das Licht der Sonne nur wider. Die anderen Planeten, das sind Merkur, Venus, Mars, die Erde, Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun, strahlen nur deshalb am Nachthimmel, weil sie von der Sonne angestrahlt werden. Aber die Sterne produzieren selbst Licht. Die Sterne, die Ihr nachts am Himmel seht, sind genauso wie unsere Sonne, manche ein bisschen größer, dann leuchten sie heller; manche sind kleiner und leuchten so schwach, dass wir sie mit dem bloßen Auge gar nicht wahrnehmen können. Aber wie gesagt, die Sterne am Nachthimmel müssen weit von uns entfernt sein. Und das Tolle ist nun, dass wir sie überhaupt sehen können. Das bedeutet nämlich, dass das Universum, in dem diese ganzen Sterne drin sind, total leer sein muss. Warum? Na ja, wenn da etwas wäre, dann würde das Licht der Sterne ja gar nicht zu uns durchkommen. Wenn Ihr zum Beispiel in einem Raum sitzt, in dem alle Fenster und Türen fest geschlossen sind, dann kann es draußen taghell sein, das Licht kommt trotzdem nicht zu Euch durch. Warum nicht? Weil das Licht von den Wänden gewissermaßen geschluckt wird. Licht kann nicht überall hindurch. Es ist zwar ziemlich schnell - Ihr habt ja schon gehört, dass es von der Sonne bis zur Erde nur acht Minuten braucht, es rast also mit Kilometer pro Sekunde durchs Weltall und dennoch kommt es nicht durch unsere Wand durch. Wenn Ihr jetzt also an unserem Nachthimmel die Sterne seht, die ja noch viel weiter weg sind als unsere Sonne, dann kann also zwischen der Erde und den Sternen praktisch nichts sein oder so gut wie nichts. Tatsächlich gibt es da ein ganz dünnes Gas, ein Gas, das noch viel dünner ist als die Luft, die Ihr jetzt einatmet. Der interstellare Raum (inter = zwischen, stellar = Stern), also der Raum zwischen den Sternen, ist also quasi leer und deshalb dringt das Licht der Sterne ungehindert bis zu uns durch. Was hat das jetzt alles mit dem Alter des Universums zu tun? Wir wissen jetzt, das Universum ist ziemlich leer. Es gibt zwar die Sterne, manchmal auch Doppelsterne da umkreist ein Stern den anderen -, es gibt Sterngruppen da sind ganz viele Sterne zusammen, Sternenhaufen gibt es, aber trotzdem ist der Raum zwischen den Sternen leer. Und jetzt stellt Euch mal vor, wenn es nachts ganz dunkel ist und Ihr steht auf einer Wiese möglichst weit weg von allen irdischen Leuchtkörpern und Lichtern und der Himmel ist ganz klar und wolkenlos, dann kann es passieren, dass Ihr einen Streifen am Himmel seht und bemerkt, die ganzen Sterne sind gar nicht gleichmäßig über den ganzen Himmel verteilt, sondern es scheint so, als würden sie sich in einem Streifen zusammenballen. Und dieser Streifen, Ihr werdet es nicht glauben, das ist unsere Heimat, das ist die Milchstraße. Die Milchstraße hat in etwa die Form eines Tellers, von der Seite aus betrachtet. Wir befinden uns also mitten in der Milchstraße und schauen auf die Seite dieses Tellers.

4 4 Schaut Euch mal einen Suppenteller an. Er ist in der Mitte tiefer und geht außen am Rand hoch. Wenn Ihr den Suppenteller umdreht und ihn von der Seite aus anschaut, dann seht Ihr ungefähr die Form der Milchstraße. Die ist auch in der Mitte etwas erhoben, und wir befinden uns praktisch am äußeren Rand des Suppentellers. Und weil wir von der Seite auf die Milchstraße schauen, können wir nicht den ganzen Suppenteller sehen, sondern nur diesen Streifen. Wir sind also ein Teil der Milchstraße wie auch die Sonne. Die Sonne ist einer von 100 Milliarden Sternen in der Milchstraße. Der Mond ist dagegen kein Stern und kein Planet, er ist ein Trabant eines Planeten, nämlich unserer Erde. Auch der Mond strahlt nicht selber, auch nicht bei Vollmond, sondern er spiegelt nur das Licht der Sonne wider. Die Entfernung von der Erde zum Mond beträgt ungefähr Kilometer, da braucht das Licht ein bisschen länger als 1 Sekunde. Von der Sonne zur Erde sind es schon acht Minuten. Und die ganze Milchstraße ist einhunderttausend Lichtjahre groß. Das Licht von einer Ecke zur anderen braucht einhunderttausend Jahre. Unsere Milchstraße ist also unglaublich groß! Das kann man sich gar nicht vorstellen. Ich auch nicht, obwohl ich Astrophysiker bin und mich schon eine ganze Weile mit dem Universum beschäftige, wüsste ich trotzdem nicht, wie ich jemandem erklären sollte, wie groß einhunderttausend Lichtjahre sind. Aber wir wissen das, es ist uns nämlich gelungen, die Größe der Milchstraße zu messen. Die Erde ist darin quasi nur ein Staubkörnchen. Unser Universum besteht also aus der Milchstraße, den Sternen, dem Raum zwischen den Sternen (interstellarer Raum), der so gut wie leer ist, unserer Sonne, und um die Sonne kreist die Erde mit allen anderen Planeten, und auf der Erde leben wir. So, das ist schon mal ein Teil des Universums. Wenn Ihr jetzt glaubt, das war schon alles, dann seid Ihr schief gewickelt. Das Universum ist noch viel größer als unsere Milchstraße. Vorhin habe ich das Wort Lichtjahr benutzt. Könnt Ihr Euch vorstellen, was ein Lichtjahr ist? Das ist die Länge, die das Licht in einem einzigen Jahr zurücklegt. Das könnt Ihr jetzt selbst mal ausrechnen: Das Jahr hat 365 Tage, ein Tag hat 24 Stunden, eine Stunde hat 60 Minuten, eine Minute hat 60 Sekunden. Wenn Ihr die Anzahl der Tage multipliziert mit der Anzahl der Sekunden pro Tag und das multipliziert mit Kilometern pro Sekunden, dann bekommt Ihr als Ergebnis die Länge, die das Licht in einem Jahr zurücklegt. Wenn Ihr diese Zahl noch mit multipliziert, das ist dann die Größe der Milchstraße. Eine unglaublich große Zahl. Das heißt aber, das Universum müsste wenigstens schon Jahre alt sein, dass das Licht von einer Kante bis zu uns gekommen sein kann. Schauen wir jetzt mal auf unsere Erde? Wissen wir denn, wie alt die Erde ist? Da gibt es ja Fossilien von Dinosauriern zum Beispiel. Wann sind die gestorben? Jawohl, Montag morgen vor 65 Millionen Jahren. Das war ein Tag, an dem es heftig gehagelt hat, da ist nämlich ein großer Meteorit irgendwo bei Mexiko ins Meer geknallt, und das war vor 65 Millionen Jahren. Den Zeitpunkt kann man an den Gesteinen ablesen. Aber an den Gesteinen kann man noch viel mehr ablesen, nämlich dass die Erde tatsächlich 4,5 Milliarden Jahre alt ist. In den Gesteinen gibt es chemische Elemente, die zerfallen, und aus den Zerfallsreihen lässt sich genau ausrechnen, wie alt das Gestein ist. Wenn also die Erde ein Teil des Universums ist, dann muss das

5 5 Universum mindestens 4,5 Milliarden Jahre alt sein. Die Jahre, die wir von der Milchstraße ableiten, sind noch viel zu wenig. 4,5 Milliarden Jahre muss es also mindestens alt sein. Es ist ja klar, dass die Erde nicht schlagartig da war, wie ein Schalter, der angeschaltet wurde und plötzlich war die Erde da. Nein, das hat ja gedauert. Also muss das Universum wahrscheinlich eher älter sein als 4,5 Milliarden Jahre. Dann müssen wir mal weitergucken: Eine weitere Milchstraße, eine andere Galaxie kann man manchmal als ganz verschwommenen Fleck am Nordpol des Himmels ausmachen, das ist die Andromeda-Galaxie. Das ist die nächstgrößere Nachbarin. Es gibt zwar auch noch ein paar kleinere, die sogenannten Magellanischen Wolken, aber die können wir hier im Norden nicht sehen, sie sind nur von der Erdsüdhalbkugel, also von Australien aus zu erkennen. Wir befinden uns aber oberhalb des Äquators auf der Nordhalbkugel und können mit bloßem Auge nur eine einzige andere Galaxie ausmachen, und das auch nur bei extrem guter Sicht, das ist die Andromeda-Galaxie. Ihr kennt Euch ja bestimmt im Internet aus, sucht doch mal nach dem Begriff Andromeda-Galaxie. Da werdet Ihr Bilder finden und sehen, das ist eine große schöne Scheibengalaxie, wie ich es Euch erklärt habe. Und das Licht von Andromeda ist schon 2,2 Millionen Jahre unterwegs, bis es zu uns kommt. Aber wir wissen ja, die Erde ist 4,5 Milliarden Jahre alt, also noch viel älter als Andromeda. Also bringt uns das auch nicht weiter. Der Raum zwischen den Galaxien, der intergalaktische Raum, ist leer. Galaxien sind so ähnlich wie Sterne manchmal in Gruppen zusammen. Das sind die Galaxienhaufen. Wir schauen mal ein bisschen weiter, gehen weg von der Andromeda zum nächsten Galaxienhaufen der ist schon 80 bis 90 Millionen Lichtjahre von uns entfernt. 90 Millionen Jahre im Vergleich zum Alter der Erde ist aber immer noch nichts. Wir müssen ganz ganz tief in das Universum hineinschauen, um etwas über das Alter des Universums zu erfahren. Astronomie ist so ähnlich wie Archäologie, nur haben wir nichts, was wir ausgraben können, sondern wir untersuchen das Licht. Und wenn Licht aus sehr sehr großer Entfernung zu uns kommt, dann bedeutet das, das Licht ist schon sehr sehr alt, weil es lange unterwegs gewesen ist. Wenn wir etwas entdecken wollen, das so alt ist wie die Erde, dann müssen wir 4,5 Milliarden Lichtjahre ins Universum hinausgucken. Das ist schon ganz schön weit. Und solches Licht gibt es. Es gibt sogar noch viel älteres Licht, wie sich herausstellt. Wenn man nämlich ganz tief ins Universum hinausschaut, entdecken wir, dass sich die ganzen Galaxien sich von unserer Milchstraße entfernen. Das Universum breitet sich aus. Man nennt das auch: expandieren. Und durch die Expansion wird das Licht dieser weit entfernten Galaxien röter. Röter ist die Steigerungsform von rot. Was meine ich damit, wenn ich sage, die Galaxie ist röter? Es ist ja so: Das Licht kommt in den Galaxien meistens von den Atomen. Atome können wir hier auf der Erde zum Beispiel in einem Labor untersuchen. Dann wissen wir genau, Wasserstoff, das häufigste Element im Universum, strahlt Licht normalerweise bei einer ganz bestimmten Frequenz ab. Frequenz ist eine Art Taktgeber. Wenn sich jetzt etwas entfernt, dann braucht das

6 6 Licht länger, um zu uns zu kommen, und dadurch wird es in seiner Frequenz gestreckt. Licht hat also eine Frequenz und eine Wellenlänge. Die Wellenlänge von rotem Licht ist größer als die Wellenlänge von blauem Licht. Was wir sehen, wenn sich die Galaxien entfernen, ist so ähnlich wie das, was mit Schallwellen passiert, wenn ein Feuerwehrwagen mit Blaulicht und Tatütata an uns vorbeirast. Wenn der nämlich auf uns zukommt, wird der Signalton, das Tatütata, höher, wenn er sich entfernt, wird der Ton tiefer. Oder beim Formel 1-Rennen ist es genauso. Im Universum verhält es sich offenbar auch so. Der Ton des Lichtes, wenn man das so sagen darf, wird tiefer, wenn sich etwas von uns entfernt. Ein normales Wasserstoffatom strahlt bei einer ganz bestimmten Frequenz, sagen wir mal, die Frequenz hat eine Wellenlänge von 21 cm. Wenn sich jetzt eine Galaxie insgesamt von uns entfernt, dann wird auf einmal diese Strahlung mit einer Wellenlänge von 42 cm oder 63 cm bei uns ankommen. Und das nennt man Rotverschiebung. Wenn wir also die Strahlung von Galaxien messen und feststellen, die ist ins Rote verschoben, dann müssen sich diese Galaxien von uns entfernen. Je tiefer wir ins Universum gucken, umso schneller scheint das vonstatten zu gehen. Umgekehrt gilt das übrigens auch: Auch unsere Milchstraße entfernt sich offensichtlich von den anderen Galaxien. Aber keine Angst, das trifft nur bei so riesigen Entfernungen zu. Ihr vor dem Radio oder ich vor dem Mikrofon, wir expandieren natürlich nicht, die Erde expandiert nicht, unser Sonnensystem expandiert nicht, wir müssen uns keine Gedanken machen, dass das Universum auseinander fliegt. Das passiert nicht. Nur bei den ganz großen Entfernungen kann man sehen, dass das Universum expandiert. Und aus der Expansionsgeschwindigkeit kann man gewissermaßen ausrechnen, wie alt das Universum sein muss. Jetzt müsst Ihr mit mir zusammen Physik machen. Habt Ihr das Fach Physik schon? Ich hoffe doch, das ist eins der tollsten Fächer, die es gibt. Stellen wir mal folgende Überlegung an: Ihr habt eine Luftpumpe. Wenn Ihr einen Finger vorne auf die Öffnung drauflegt und ein paar Mal Luft durch die Pumpe drückt, was passiert dann? Der Finger wird heißer. Das nennt man Kompression. Ihr habt durch Euren Finger vorne verhindert, dass die Luft, die Ihr reinpresst, ausströmen kann. Kommen wir zurück zu unserem Universum. Ein expandierendes Universums, also eines, das auseinandergeht, war ja früher kleiner, gestern war es kleiner als heute, vor einem Jahr noch kleiner, vor 4,5 Milliarden Jahren noch viel kleiner, immer kleiner und kleiner und kleiner. Und dabei muss es immer heißer und heißer geworden sein. So ist die Temperatur des Universums quasi ein Maß für sein Alter. Bei Bäumen kann man zum Beispiel das Alter an den Baumringen erkennen. Beim Universum erkennt man das Alter an seiner Temperatur. Heute ist das Universum schon ziemlich kalt. Ihr erinnert Euch noch, dass es leer ist. Warum? Weil es schon so lange expandiert. Die Temperatur misst man natürlich nicht mit einem Thermometer. Nein, man misst, wie viel Strahlung in dem leeren Raum drin ist. Aus der Temperatur des Universums kann man ausrechnen, wie alt das Universum heute sein muss, wenn es früher, vor vielen Milliarden Jahren sehr heiß gewesen ist. Wie heiß es gewesen sein muss, kann man ausrechnen. Das ist eine Zahl, die es eigentlich gar nicht gibt: Also eine Milliarde ist eine Eins mit neun

7 7 Nullen. Eine Billion ist eine Eins mit zwölf Nullen. Und die Zahl, von der ich jetzt rede, ist eine Eins mit 32 Nullen. Dafür gibt es keine Abkürzung. Das war die Anfangstemperatur des Universums. So heiß war es da. Damals war das Universum noch viel kleiner als ein Atom. Und dann ist es expandiert, und heute hat es eine Temperatur von 271 Grad Celsius. Es ist also schweinekalt da draußen. Und aus der Differenz zwischen der Anfangstemperatur und der Endtemperatur kann man ausrechnen, dass das Universum knapp 14 Milliarden Jahre alt sein muss. Also nochmal zurück nach Hause: Wir sitzen auf der Erde. Wir können messen, dass das Universum sich ausbreitet, dass die Galaxien sich alle von uns entfernen. Dann wissen wir schon mal durch das Alter der Erde, dass es mindestens 4,5 Milliarden Jahre alt sein muss. Und wir können aus der Expansion zurückrechnen, wie groß und alt das Universum gewesen sein muss, als sich alles entwickelt hat. Man könnte sagen, ein Blick in den Nachthimmel verrät quasi schon alles. Dass es nachts dunkel ist, verrät, dass das Universum leer ist. Da sich das Universum ausbreitet, verstehen wir auch, warum es so leer ist. Wir verstehen auch, warum es so alt ist, denn es ist schon so kalt. Alles zusammengenommen können wir sagen, wir leben in einem sehr alten und kalten, aber sehr feinen und angenehmen Universum, in einem Universum, dass es uns gestattet, nachts in den Himmel zu gucken und zu erschauern vor der Größe und Pracht des Sternenhimmels. ***** Der Vortrag ist auf der CD-Box Schon gewusst? Wissenschaftler erklären Kindern die Welt, Teil 3, erschienen, erhältlich ist die CD-Box beim Terzio-Verlag oder beim SWR-Shop (Telefon: (0,14 /Min. aus dem dt. Festnetz, Mobilfunk ggf. abweichend), Post: SWR-Shop, Kundenservice, Blaufelden, Fax: / , über * Zum Autor: Harald Lesch lehrt theoretische Physik an der Ludwig-Maximilians-Universität München; seine Forschungsschwerpunkte sind: Schwarze Löcher, Neutronensterne und kosmische Plasmaphysik. Lesch ist Fachgutachter für Astrophysik bei der DFG und Mitglied der astronomischen Gesellschaft. Im Juni 2005 wurde ihm von der DFG der Communicator-Preis verliehen. Dieser persönliche Preis wird an Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler vergeben, die sich in hervorragender Weise um die Vermittlung ihrer wissenschaftlichen Ergebnisse in die Öffentlichkeit bemüht haben. Seit 2008 moderiert er die Fernsehsendung Forschung aktuell. Bücher (Auswahl): - (zus. mit Jörn Müller) Weißt du, wie viele Sterne stehen? Wie das Licht in die Welt kommt. Bertelsmann-Verlag. - Kosmologie für Fußgänger. Goldmann-Verlag; - Big Bang. Zweiter Akt. Bertelsmann-Verlag; - Physik für die Westentasche. Piper-Verlag.