Unendlichkeit, 2.Teil: Universum ohne Ende?

Sie ist eine Urerfahrung des Menschen: jene Mischung aus Faszination und Schauder unter dem mit funkelnden Sternen besetzten Nachtgewölbe. Von Gestirn zu Gestirn tastet sich der Blick hinaus ins All, weiter, immer weiter, anscheinend ohne Ende.
In diesem Artikel
Die Erde ist von einer "Feuerwand" umgeben
»Wir leben in einem grotesken Universum«
Wie sieht »dunkle Energie« aus?

Ist dieser Raum wirklich unendlich? Oder hat das Universum irgendwo eine Grenze? Was ist jenseits der Schwelle? Das Nichts? Gott? Und welche Gestalt hat der Kosmos? Ist er eine endlose Ebene, eine Kugel, ein vier- oder noch-mehr-dimensionales, in sich gekrümmtes Gebilde?

Astronomen lassen sich zur Zeit von der Aufbruchstimmung in ihrer Zunft tragen, elektrisiert durch eine Serie von Entdeckungen in jüngster Zeit. Diese bestätigen prinzipiell das Modell vom Urknall, demzufolge alles, was wir sehen, einst in einer gewaltigen Explosion aus einem Punkt mit unvorstellbar hoher Dichte hervorgegangen ist. Aber zugleich zwingen die neuen Befunde zu durchgreifenden Korrekturen. Die Situation erinnert an die Entkernung eines Gebäudes, in dem hinter der alten Fassade und auf dem bewährten Fundament neue Decken und Wände eingezogen werden müssen.

Unendlichkeit, 2.Teil: Universum ohne Ende?

Als rosafarbenes Gespinst erscheinen im Sternbild Vela die gasförmigen

Überreste einer Sonne, die vor etwa 12 000 Jahren als Supernova zerborsten ist. Derart titanische Explosionen demonstrieren, dass auch die Existenz von

Sternen endlich ist: In rund 100 Billionen Jahren werden alle Sonnen

erloschen sein, und das Universum wird in Finsternis versinken

Am Anfang war der Knall

Unendlichkeit, 2.Teil: Universum ohne Ende?

Das 20. Jahrhundert brachte die Entdeckung, dass die Galaxien sich von uns weg bewegen, dass das Universum expandiert wie ein aufgehender Hefeteig, in dem die Himmelsobjekte stecken wie Rosinen. Demnach muss der sichtbare Kosmos einst in einem Punkt konzentriert gewesen sein, bevor er im Urknall als kolossale "Feuerkugel" auseinander flog und damit Raum und Zeit schuf.

Somit war eines klar: Unser Universum existiert nicht schon unendlich lange. Sein Anfang liegt nach neuesten Kenntnissen etwa 14 Milliarden Jahre zurück. Blieb die Frage nach dem Ende: Wird der Kosmos jemals aufhören zu sein? Wird die Welt in einer unvorstellbar fernen Ära wieder schrumpfen und schließlich in sich zusammenfallen? Oder wird das Universum sich in alle Ewigkeit ausdehnen, die Materie sich dabei verdünnen und abkühlen, bis alle Strukturen verschwunden sind und tödliche Monotonie herrscht?

Das Jahr 2001 brachte die Erkenntnis: Das Universum ist zur unendlichen Expansion verdammt. Den Ausschlag für dieses Fazit gab die Untersuchung der kosmischen Hintergrundstrahlung, die quasi als schwacher Nachhall des Urknalls heute noch wahrnehmbar ist. In dem damals aufgeflammten "Feuerball" waberte zunächst eine dicke Suppe aus Atombausteinen und Lichtteilchen, die ständig miteinander kollidierten - was den Photonen das Entkommen unmöglich machte. Nach einigen hunderttausend Jahren vereinigten sich Elektronen, Protonen und Neutronen zu Atomen, zwischen diesen entstand freier Raum, und die Lichtteilchen konnten erstmals weite Strecken zurücklegen - das Universum wurde durchsichtig.

Die Erde ist von einer "Feuerwand" umgeben

Nach den Rechnungen der Astrophysiker hatte die Glutkugel damals einen Durchmesser von 300 000 Lichtjahren und war 2700 Grad Celsius heiß. Von der Erde aus blicken wir heute in allen Himmelsrichtungen auf die Innenseite dieser "Feuerwand", deren Strahlung durch die Ausdehnung des Kosmos allerdings bis auf 2,7 Grad über dem absoluten Nullpunkt abgekühlt ist. So wie der Raum zwischen den Galaxien hat sich auf dem Weg zu uns auch der Abstand zwischen den Wellenbergen der elektromagnetischen Strahlen gedehnt. Sie sind langwelliger geworden, liegen heute im Mikrowellenbereich.

Dieses Nachgrollen des Urknalls ist erstaunlich gleichmäßig. Es zeigt nur geringe Schwankungen, die darauf zurückgehen, dass die kosmische Urkugel von Schwingungen durchgeschüttelt worden ist: Diese verschoben die Frequenz der ausgesandten elektromagnetischen Wellen um eine Nuance - je nachdem, ob diese "im Tal" oder "auf dem Berg" einer Schwingung entstanden. Diese Urvibration sollte sich am Himmel, wie Physiker kalkuliert haben, als Muster von wärmeren und kühleren Flecken mit maximal der doppelten Größe des Vollmonds widerspiegeln. Als im April 2001 gleich drei Forscherteams die Voraussage an Hand von Messungen bestätigten, gerieten die Himmelskundler aus dem Häuschen. "Damit steht außerhalb jeden Zweifels, dass das Universum flach ist", sagt Matthias Bartelmann vom Max-Planck-Institut für Astrophysik in Garching.

Unendlichkeit, 2.Teil: Universum ohne Ende?

Die Erkenntnis, das sich das Universum mit zunehmender Geschwindigkeit aufbläht, verheißt intelligentem Leben eine trostlose Zukunft. Der

Weltraum leert sich, noch existierende Wesen vereinsamen. Ihnen wird

dann auch versagt bleiben, ferne Sterneninseln wie jene zu untersuchen,

die Astronomen

mit dem Röntgenstrahlen-Observatorium Chandra

aufgenommen haben

Die Lehre vom Ball

Was heißt in diesem Zusammenhang flach? Und wie hängt die Flachheit des Alls mit dessen Schicksal zusammen? In seiner Allgemeinen Relativitätstheorie sprengte Albert Einstein die klassische Vorstellung vom Raum und postulierte, dass dieser im Prinzip unterschiedliche Geometrien annehmen kann, je nach Dichte der enthaltenen Materie und jeweils mit einer anderen Zukunft. In einer "dichten" Welt krümmt sich der Raum positiv oder konvex. Ein Universum dieser Struktur würde sich eines fernen Tages wieder zusammenziehen.

Sich einen dreidimensional gekrümmten Raum vorzustellen, übersteigt zwar unsere Imaginationskraft; das Prinzip wird jedoch fassbar, wenn wir auf eine Dimension verzichten und das zweidimensionale Analogon betrachten: die Oberfläche einer Kugel. Die in dieser Welt lebenden zweidimensionalen Wesen spüren von deren Krümmung so wenig wie dreidimensionale Geschöpfe von der ihres 3-D-Raums. Sichtbar wird die Raumgeometrie lediglich für den, der eine Dimension "höher steht" und von dort aus hinunterblickt.

In einem "dünnen" Kosmos verbiegt sich der Raum negativ oder konkav, in der 2-D-Vereinfachung zu einer Sattelfläche. Dieses All wäre verurteilt gewesen, in düstere Unendlichkeit zu zerstieben. Eine Art Kompromiss bildet der flache oder euklidische Raum, dessen Analogon eine Ebene ist. Die Materie in ihm reicht gerade aus, den Kollaps zu verhindern. Dass das Universum von den drei möglichen Geometrien die flache, mithin schlichteste angenommen hat, vereinfacht unsere Sicht der Welt in gewisser Weise. Denn die euklidische Geometrie ist jene, die wir im Mathematikunterricht lernen und mit der wir im Alltag arbeiten, wenn wir ein Dreieck zeichnen und erwarten, dass sich die Winkel auf 180 Grad summieren.

Unendlichkeit, 2.Teil: Universum ohne Ende?

Die einfachste Form für ein "randloses" Universum mit flacher Geometrie ist ein so genannter Drei-Torus - ein

unbegreifliches Gebilde. Das zwei-

dimensionale Analogon dagegen lässt sich leicht konstruieren: Man denke

sich ein rechteckiges Stück Gummi, verbinde die beiden Längsseiten, biege den entstandenen Zylinder und klebe die Enden zusammen. Ein zwei-

dimensionales Wesen, das auf der Oberfläche dieses Körpers lebt, stößt

in seiner Welt an keine Grenzen, so weit es auch reist. Es gelangt

höchstens wieder an den Ausgangspunkt zurück. Und trotzdem hat sein

Kosmos eine endliche Ausdehnung

»Wir leben in einem grotesken Universum«

"Andererseits ist die Welt von der Physik her jetzt komplizierter geworden", gibt Gerhard Börner, Theoretiker am Garchinger Max-Planck-Institut, zu bedenken. Sein Kollege Michael Turner von der University of Chicago drückt es drastischer aus: "Wir leben in einem grotesken Universum." Denn dieses muss eine bestimmte Masse haben, die den Raum mit ihrer Schwerkraft "flach zieht", die also verhindert, dass er sich zu einem Sattel krümmt. Und an dieser Masse fehlt es in der Bilanz der Astronomen hinten und vorne.

Die kritische Dichte liegt bei fünf Protonen oder Neutronen pro Kubikmeter. Aber alle Galaxien, Sterne und Gaswolken " aufgelöst und gleichmäßig über das All verteilt - bringen lediglich 0,2 Partikel pro Kubikmeter, rund vier Prozent der Gesamtmasse. Der Stoff, aus dem Sonnen, Planeten, Menschen und Mikroben bestehen, ist mithin nur ein Tropfen im kosmischen Ozean.

Doch es scheint etwas zu geben, was die Dichte im Weltraum erhöht: Im Umfeld von Galaxien glauben Astronomen beachtliche Massenansammlungen ausgemacht zu haben. Diese Sterneninseln würden unweigerlich auseinander fliegen, wenn da nur die Materie wäre, die wir leuchten sehen. Um die wirbelnden Scharen zusammenzuhalten, haben Astrophysiker berechnet, bedarf es des Gravitationssogs von zehnmal mehr Masse. "Es führt wohl kein Weg an der Erkenntnis vorbei, dass das Gros der Materie im Universum dunkel ist", klagt Mario Livio vom Space Telescope Science Institute in Baltimore. Die Situation erinnere ihn, meint er, an eine Zirkusnummer, bei der zwei weiße Hände scheinbar frei agieren - weil der, der sie bewegt, vor dem schwarzen Hintergrund unsichtbar bleibt.

Unendlichkeit, 2.Teil: Universum ohne Ende?

Gigantische Gasströme fegen aus dem Zentrum einer Galaxie im Sternbild

Centaurus - angetrieben von einem schwarzen Loch. Die Verhältnisse im

Inneren eines solchen kosmischen Monsters sind eigentlich unmöglich:

Hitze und Druck werden theoretisch undendlich groß, uns bekannte

Naturgesetze verlieren ihre Gültigkeit, Begriffe wie Raum und Zeit ihren Sinn

Hinsichtlich der Natur dieser mysteriösen Materie tappen die Forscher nun wirklich im Dunkeln. Immerhin können sie deren Anteil am kosmischen Inventar beziffern - auf knapp 30 Prozent. Aber um den Raum flach zu bekommen, fehlen immer noch zwei Drittel der kritischen Dichte. Um die ärgerliche Deckungslücke zu schließen, ersannen Astrophysiker eine "dunkle Energie", ein überall nahezu gleichförmig wirkendes Feld, dessen Ursprung sie nicht kennen und dessen Eigenschaften sie sich zusammenreimen. "Kein Kosmologe ist glücklich damit", gesteht Gerhard Börner, "aber niemand weiß eine andere Lösung."

Lichter in der Tiefe des Alls

Unendlichkeit, 2.Teil: Universum ohne Ende?

Zuflucht zu diesem kuriosen Konzept zu nehmen, dazu wurden die Himmelsforscher auch durch sensationelle Entdeckungen von wahrhaft kosmischen Monstern gezwungen - den Supernovae vom Typ Ia. Wenn eine ausgebrannte Sonne unter ihrem eigenen Gewicht kollabiert und explodiert, strahlt sie so unglaublich hell, dass wir sie noch aus einer Entfernung von mehreren Milliarden Lichtjahren erkennen können. Da der thermonukleare Ausbruch stets nach dem gleichen Muster abläuft und die Helligkeit offenbar immer die gleiche ist, "verfügen wir über eine Standardkerze", sagt Bruno Leibundgut, Supernova-Spezialist von der Europäischen Südsternwarte in Garching. "Wenn man weiß, man hat eine 60-Watt-Birne vor sich, muss man nur die Helligkeit messen und kann daraus die Entfernung bestimmen."

Nach diesem Prinzip durchmustern seit einigen Jahren zwei Forschergruppen - das High-z Supernova Search Team und die Wissenschaftler vom Supernova Cosmology Project - die Tiefen des Alls. 1998 berichteten Mitglieder des High-z-Teams über ein, wie sie zunächst meinten, absurdes Resultat: Die zwei bis fünf Milliarden Jahre alten Supernovae standen etwa 20 Prozent weiter entfernt als theoretisch erwartet. "Sie müssen weggestoßen worden sein", folgert Bruno Leibundgut, "es ist also eine Kraft da, welche die Expansion des Weltalls beschleunigt." Ein Universum, das sich nicht nur unendlich, sondern obendrein immer schneller ausdehnt - das ist gerade so, als wenn wir einen Stein in die Höhe werfen und der nicht mehr zurückkehrt, sondern sich mit wachsendem Tempo von uns entfernt.

Die Autoren der Publikation fürchteten, sich lächerlich zu machen. Doch wenig später bekamen sie Rückendeckung vom zweiten Supernova-Suchteam: Das war unabhängig von ihnen zum gleichen Ergebnis gekommen. Hinter dieser auseinander treibenden Macht soll eben jene "dunkle Energie" stecken, die bizarrerweise als Anti-Schwerkraft wirkt.

Wie sieht »dunkle Energie« aus?

Aus den Puzzlestücken haben Kosmologen folgendes Szenario konstruiert: Im jungen Universum mit hoher Massendichte überwog die Gravitation. Sie bremste den Schwung des Urknalls. Irgendwann übernahm die "dunkle Energie" das Regiment und trieb die Sterneninseln schneller und schneller auseinander. Adam Riess vom Space Telescope Science Institute vergleicht das Verhalten mit dem eines Autofahrers, "der vor einer roten Ampel zu bremsen beginnt, um dann so richtig Gas zu geben, wenn sie auf Grün springt".

Tatsächlich glauben Astronomen ein erstes Indiz dafür entdeckt zu haben. Riess und Kollegen stießen im Jahr 2000 in alten Aufnahmen des Hubble-Teleskops auf die Supernova 1997ff, die in der Rekordentfernung von 11,3 Milliarden Lichtjahren steht - und damit etwas weiter weg, als das unbeschleunigt expandierende Universum sie platziert hätte; aber doch näher, als wenn die Beschleunigung von Anfang an wirksam gewesen wäre. Für die Supernova-Forscher ein Beleg für die ursprüngliche Abbremsung im All. Nach Ansicht Gerhard Börners ist das allerdings eine kühne Interpretation. Denn sie beruhe nur auf einem Objekt, das zudem an der Beobachtungsgrenze liege.

Für manchen ist die Frage nach der Unendlichkeit von vornherein entschieden. Weil die Vorstellung eines unendlichen Raums für ihn schlicht unerträglich ist. Tatsächlich ist der Teil des Universums, den wir überblicken, endlich - daran ändern auch unbegrenzt leistungsfähige Teleskope nichts. Denn wir sehen lediglich so weit, wie das Licht seit der Entstehung der Welt reisen konnte - in 14 Milliarden Jahren ebenso viele Lichtjahre oder umgerechnet 130 Milliarden Billionen Kilometer. "Wie es hinter diesem Horizont aussieht, wissen wir nicht", sagt Gerhard Börner, "da kann es total verrückt zugehen. Aber wir nehmen an, dass das, was wir hier beobachten, typisch ist und sich da draußen fortsetzt."