Die neue Biografie des MATTHIAS MATTING. Universums. AO Edition

Transkript

1 MATTHIAS MATTING Die neue Biografie des Universums AO Edition

2 Kapitel 1 Gestatten: Das Universum Foto: ESA/PACS & SPIRE Consortium/HOBYS Key Programme Consortia Darf ich vorstellen: Das Universum (von lateinisch "universus", "gesamt"). Auch bekannt als Kosmos, Weltall, Weltraum. Geboren vor 13,75 Milliarden Jahren. Heute etwa 92 Milliarden Lichtjahre groß (wohl trotzdem unendlich und topologisch flach) und Kilogramm schwer (eine 1 mit 53 Nullen), aber trotzdem noch nicht ausgewachsen. Das Herschel-Weltraumteleskop der ESA blickt in den 5000 Lichtjahre von der Erde entfernten Rosetta-Nebel die Kinderstube zahlreicher Sterne

3 Kapitel 1 Gestatten: Das Universum Auf der Flucht. Weil das Universum dauernd wächst, scheinen sich all seine Bestandteile von uns weg zu bewegen. Dabei gilt: Je weiter ein Objekt von der Erde entfernt ist, desto schneller flieht es. Bei einer Distanz von einem Megaparsec (gut drei Millionen Lichtjahren) beträgt diese Hubble-Geschwindigkeit 72 Kilometer pro Sekunde. Knapp minus 270 Grad Celsius warm was zum absoluten Nullpunkt fehlt, trägt die kosmische Hintergrundstrahlung bei. Leer zwar ist unser Nachthimmel reich bevölkert. Doch das täuscht darüber hinweg, dass das Universum im Grunde aus leerem Raum besteht. Baute man ein riesiges Haus, 30 mal 30 mal 30 Kilometer groß, bräuchte man nur ein einziges Sandkorn darin zu platzieren, um eine ähnliche mittlere Dichte zu erreichen. Jeder Kubikmeter des Kosmos enthält im Mittel 0,3 Protonen. Elektrisch neutral es scheint genauso viele positive wie negative Ladungsträger zu geben. Arm an Antimaterie ein Beweis dafür, dass die Naturgesetze für Teilchen und ihre Antiteilchen nicht symmetrisch gelten. Ohne Mitte zwar besitzt unsere Milchstraße einen Kern, aber das Weltall als Ganzes hat kein Zentrum. 2 Der Eskimo-Nebel ist ein planetarer Nebel. Der Stern in seinem Inneren ist erst Jahre alt Foto: NASA/Andrew Fruchter (STScI)

4 Kapitel 1 Gestatten: Das Universum Bevölkert von 100 Milliarden Galaxien, zu denen sich 130 Trilliarden Sterne mit ungefähr ebenso vielen Planeten zusammengefunden haben. Im Weltall existieren mehr Sterne als es Sandkörner an allen Stränden der Erde gibt. Bestehend aus vier Prozent bekannter Materieformen wie etwa je 1,57 x Protonen und Elektronen sowie noch eine Milliarde Mal mehr Photonen. Dazu kommen 23 Prozent Dunkle Materie und 73 Prozent Dunkle Energie. Zwischen 90 und 99 Prozent der neutralen Atome des Universums sind Wasserstoffatome. Heimat von Schwarzen Löchern, Riesensternen, Pulsaren, Quasaren, Galaxienhaufen, Nebeln aber auch von Planeten und deren Monden sowie von Lebewesen wie dem Menschen. Woher kommt das Universum? Unter welchen Umständen vollzog sich seine Geburt, welche faszinierenden Prozesse spielen sich seitdem in ihm ab? Wann und wie wird es sterben? Was die Wissenschaft darüber weiß, hat sich in den vergangenen Jahren dramatisch verändert. Lassen Sie sich in eine Welt entführen, die alle Vorstellungen sprengt den Kosmos, in dem Sie leben. 3 Ein riesiges, schnell wachsendes Schwarzes Loch beherrscht die Galaxis NGC 1068 Foto: X-ray (NASA/CXC/ MIT/C.Canizares, D.Evans et al), Optical (NASA/STScI), Radio

5 Kapitel 2 Die Zeit vor der Zeit Foto: NASA/JPL-Caltech/Harvard-Smithsonian CfA Warum die Existenz von allem womöglich nicht zur Stunde 0 begonnen hat: Eine Biografie beginnt normalerweise bei der Geburt beim Universum also nach allgemein akzeptierter Theorie dem Urknall. Doch manchmal lohnt es sich, auch die Eltern zu betrachten, oder ganz allgemein die Abstammung des Gegenstands der Biografie. Die junge Sterne gebärende Dunkelwolke Rho Ophiuchi ist mit 407 Lichtjahren Entfernung dem Sonnensystem recht nah.

6 Kapitel 2 Die Zeit vor der Zeit KAPITEL-INHALT 1. Eine Welt aus Saiten 2. Schleifen über Schleifen 3. Wiedergeburt aus dem Nichts 4. Nichts als Theorien? Beim Weltall ist damit nicht der Schöpfer gemeint: In "Der große Entwurf" zeigt Stephen Hawking sehr anschaulich, dass das Universums keines Schöpfers bedarf. Zwar muss das niemanden hindern, an einen Gott zu glauben. Doch aus wissenschaftlicher Sicht ist das Vorhandensein einer Struktur, die zum Funktionieren der physikalischen Gesetze, ja der Welt insgesamt, nicht nötig ist, im besten Fall irrelevant. Sie ist jedenfalls kein Forschungsgegenstand, sondern eben einer des menschlichen Glaubens. Trotzdem lohnt es sich, nach Vorgängern, Ahnen, Eltern des Universums, wie wir es kennen, zu fahnden. Denn der Urknall hat ein im Wortsinn kleines Problem: Er muss sich auf winzigstem Raum abgespielt haben. Je näher man ihm kommt, desto stärker muss sich die komplette Energie des Kosmos in einer Raumeinheit zusammengedrängt haben, bis alles in einem Punkt unendlicher Dichte konzentriert war. Dieser Zustand ist mit der Allgemeinen Relativitätstheorie nicht fassbar, Einsteins Werk versagt hier. Physiker betrachten den Urknall deshalb mit einer Theorie, die Großes (das Weltall) und Kleines (die Quantenwelt) vereint. Eine Welt aus Saiten Dafür haben wir zwei Kandidaten: Zum einen die Stringtheorie, nach der der Raum aus winzigen, Klaviersaiten ähnlichen Objekten aufgebaut ist. Diese strings sind eindimensional, sie vibrieren mit einer bestimmten Frequenz, der sich eine Energie 5

7 Kapitel 2 Die Zeit vor der Zeit zuordnen lässt. Inzwischen haben Physiker diese Idee zur M-Theorie um andere Strukturen ausgebaut: Punktteilchen und vor allem Membranen, die bis zu 9 Dimensionen besitzen können. Um zu den Elementarteilchen und den Naturgesetzen zu kommen, wie wir sie kennen, muss man die überzähligen Dimensionen auf ganz bestimmte Art aufwickeln, wie die Forscher diesen Vorgang nennen. Es gibt ganz unterschiedliche Möglichkeiten, die Membranen und Strings aufzuwickeln, und je nachdem, welche man wählt, entsteht ein andersartiges Universum. Insgesamt sind so verschiedene Universen möglich, eine unvorstellbare Zahl. Allerdings kann ein Teil dieser Universen aus den Grundstrukturen bestanden haben oder bestehen, den Membranen, ohne dass es je zur Entstehung von Elementarteilchen kam. Die Superstring-Theorie sieht die Gravitation als einzige Kraft in einer Extra-Dimension Grafik: DESY 6

8 Kapitel 2 Die Zeit vor der Zeit Natürlich können auch viele dieser Universen gleichzeitig existieren, ohne dass die Bewohner des einen irgend etwas von den im anderen Universum existierenden Lebewesen mitbekommen würden. Wenn sich allerdings, so die Idee der Forscher, bei der Bewegung über eine zusätzliche elfte Dimension hinweg zwei dreidimensionale Welten zu nahe kamen, könnten diese kollidiert sein wodurch im Urknall unser Universum geboren wurde. Was dann passiert, hängt mit dem weiteren Verhalten der kollidierten Membranen zusammen: Nähern diese sich irgendwann erneut, könnte ein Zyklus entstehen. Schleifen über Schleifen In Sachen Welt vor der Welt noch ergiebiger ist der Konkurrent der Stringtheorie, die Schleifenquantengravitation. Nach ihr ist das Universum nur scheinbar kontinuierlich. Tatsächlich aber ist alles, wirklich alles, quantisiert, das heißt in kleine Häppchen aufgeteilt, auch die Gravitation. Der Raum ist nicht mehr der Behälter für das Universum, sondern er ist ein Teil davon, der ebenfalls zerstückelt ist und die Form eines Netzes aus Linien und Knoten annimmt. Die Elementarteilchen entsprechen dann verschiedenen Knotentypen, zwischen den Linien und Knoten befindet sich: nichts. Kein leerer Raum, sondern ganz und gar nichts. Die Theorie der Schleifenquantengravitation führt zu einigen seltsam anmutenden Folgerungen, beschreibt aber einige interessante Phänomene besser als andere Theorien. Was sich aus ihr für den Urknall ergibt, hat erstmals 2004 der deutsche Physiker Martin Bojowald simuliert. Zunächst vermeidet man das Konzept der Singularität, denn das Schleifenquanten- Universum hat eine bestimmte Mindest-Strukturgröße, die es nicht unterschreiten kann. Rechnet man sich immer näher an den Urknall heran, erscheint dieser nicht mehr als unüberwindbare Schranke. Stattdessen erreicht man mit einem Plopp die Minuszeit ein neues, anderes oder auch Vorgänger-Universum, in dem alle Richtungen (auch die der Zeit) umgekehrt sind. Für die Physiker ist das kein großes Problem, weil die Naturgesetze praktischerweise symmetrisch sind. Dieses Universum vor dem Universum zieht sich in Richtung des Urknalls zusammen. Die Theorie hat damit den früher schon einmal populären Big Bounce wiederbelebt, der das Universum sich periodisch zusammenziehen und ausdehnen sieht. Hat sich das Weltall unter dem Einfluss der Gravitation sehr weit zusammengezogen, 7

9 Kapitel 2 Die Zeit vor der Zeit zerreißt irgendwann das aus den Quantenschleifen bestehende Gewebe der Raumzeit und die Gravitation verwandelt sich unter dem Einfluss dieses Quanten-Rückstoßes in eine stark abstoßende Kraft, die das Universum wieder auseinander treibt. Wiedergeburt aus dem Nichts Einen dritten Mechanismus für ein sich zyklisch veränderndes Universum hat der britische Mathematiker Roger Penrose 2011 vorgeschlagen. In seinem Buch Zyklen der Zeit widmet er sch dem Phänomen Zeit. Eine gängige Vorstellung vom Ende des Universums besteht darin, dass sich irgendwann sämtliche Materie in Energie umgewandelt hat, in Photonen, die sich auf ewig mit Lichtgeschwindigkeit bewegen und für die deshalb die Zeit stillsteht (auch ein Astronaut, der lichtschnell fliegt, altert nicht). Der Raum verliert damit seine Bedeutung, denn seine Ausdehnung ist nicht messbar, wenn es keine Zeit mehr gibt. Wer könnte widerlegen, dass die Milliarden Lichtjahre nicht doch nur ein paar Zentimeter sind? Es mag seltsam erscheinen, aber ganz genau so sah das Universum ganz kurz nach dem Urknall aus: Es bestand aus purer Energie, für die kein Zeitbegriff existierte. Nur ein Mathematiker 8 Der theoretische Physiker Roger Penrose setzt Anfang und Ende des Universums gleich Foto: Jerry Bauer

10 Kapitel 2 Die Zeit vor der Zeit traut sich aber wohl, scheinbar so weit auseinander liegende Zustände zu einem einzigen zusammenzusetzen: Wenn die räumliche Ausdehnung nicht definiert ist, könnte das gerade in ewiger Energie verendete Universum auch den Keim für einen neuen Urknall darstellen. Nichts als Theorien? ebenso wenig wie ihre noch älteren Vettern aus dem Vorgänger- Universum ein solches Objekt ist umso schwerer nachzuweisen, je weniger Masse es besitzt. Auch im Penrose- Universum kann es Überbleibsel des Vorgängers geben. Dessen Masse muss nicht komplett zerstrahlt worden sein, es genügt, wenn die Energie bei weitem das Übergewicht hat. Lässt sich eine dieser Theorien irgendwie beweisen? Bisher handelt es sich im Grunde um plausible Fiktion. Die Forscher haben aber Ideen, wie man Hinterlassenschaften des Vorgänger- Universums ausfindig machen könnte. Denn nicht alles muss beim Big Crunch vergänglich sein. Im vergangenen Jahr haben Bernard Carr und Alan Coley gezeigt, dass eine bestimmte Art Schwarzer Löcher die ungemütlichen Bedingungen beim Urknall überstehen könnte. Leider wird die Suche nach solchen, dann uralten Objekten dadurch erschwert, dass auch während des Urknalls massearme Schwarze Löcher entstehen können. Ihre Existenz hat erstmals Stephen Hawking in den 70ern hergeleitet. Gefunden hat man diese primordialen Schwarzen Löcher bisher Dieses mittelgroße Schwarze Loch in NGC 1399 hat einen Stern auf dem Gewissen Foto: X-ray: NASA/CXC/UA/J. Irwin et al. Optical: NASA/STScI 9

11 Kapitel 3 Der Urknall Die entscheidenden Sekunden des Universums beginnen im Dunklen. Bisher haben die Forscher nicht einmal die theoretischen Mittel, um bis zum Anfang des Universums vorzudringen und doch haben sie schon sehr konkrete Ideen darüber. Foto: COBE / NASA Die kosmische Hintergrundstrahlung tritt erst hervor, wenn man alle anderen Quellen ausfiltert. Dass sie nicht gleichförmig ist, liegt am Ablauf des Urknalls

12 Kapitel 3 Der Urknall KAPITEL-INHALT 1. Die Stunde 0 2. Die Physik beginnt 3. Die Welt ein Fußball 4. Die ersten Teilchen 5. Alle Kräfte sind schon da 6. Die nächste Vernichtungswelle Die Stunde 0 Was am Anfang der Zeit passierte, vor ungefähr 13,7 Milliarden Jahren, wissen Forscher bis heute nicht mit Sicherheit. Sämtliche Materie des Universums, heute 1053 Kilogramm, befand sich in diesem Moment in einem Punkt, einer Singularität, in der die heutigen Naturgesetze noch keine Wirkung hatten. Man stellt sich deshalb eine Art unendlich dichten Urbreis vor, der aus heute nicht mehr bekannten Teilchen bestand. Eine Kraft, die Urkraft, beschreibt die Bewegungen dieser Teilchen. Die Temperatur des Urbreis, wenn der Begriff der Temperatur überhaupt anwendbar war, muss bei Grad gelegen haben. Es gibt weder 11