Universum

[H2SO4]

Linsengalaxien

Diese Form von Galaxien ähnelt stark den Spiralgalaxien, sie besitzen allerdings keine Spiralarme. Die Sternpopulation ist vergleichbar mit den elliptischen Systemen, also überwiegend alte, rötlich leuchtende Sterne. Dunkelwolken vermisst man hier genauso wie leuchtende Gasnebel, sie haben keine Gebiete, in denen neue Sterne entstehen könnten. Man vermutet, dass diese Galaxien entweder ihre Interstellare Materie bereits völlig zur Sternproduktion verbraucht haben, oder dass sie diese beim Zusammenstoß mit einer anderen Galaxie verloren haben.

Irreguläre Galaxien

Völlig ohne jegliche Symmetrie erscheint uns dieser Galaxientyp. Es fehlen Arme und auch ein ausgeprägter Kern ist meist nicht zu erkennen. Sie setzen sich aus einzelnen Verdichtungen zusammen. Zu ihnen zählt man eigentlich alle Systeme, die nicht elliptisch oder spiralförmig sind. Allerdings enthalten sie einen hohen Anteil Interstellarer Materie, dementsprechend sind junge, blauleuchtende Sterne häufig vertreten. Die uns nächsten und bekanntesten Vertreter dieser Klasse sind die Begleiter unserer Milchstraße, die Kleine und die Große Magellansche Wolke.

Irreguläre Galaxie M 82Nicht alle Galaxien weisen eine ausgeprägte Struktur auf. Wie hier M 82 beispielhaft zeigt, fehlt eine typische Symmetrie. In dieser Galaxie senden viele junge, heiße Sterne energiereiche Sternwinde in alle Richtungen, wobei sie umgeben sind von großen Mengen absorbierender Interstellarer Materie. Irreguläre Galaxien weisen nur ein Zehntel der Leuchtkraft unserer Milchstraße auf, ihr Anteil am gesamten Galaxienvorkommen beträgt nur wenige Prozent.

Zwerggalaxien

Die Miniausgabe einer Galaxie wird als Zwerggalaxie bezeichnet. Sie enthalten um Potenzen weniger Sterne als ihre großen Ausgaben; die Sterne bilden nur lockere Gruppierungen ohne symmetrische Strukturen. Allerdings ist dieser Typ, obwohl nur schwer durch mangelnde Leuchtkraft zu entdecken, der am meisten vertretene im All.
Es sollen noch die so genannten pekuliaren Galaxien erwähnt sein, das sind ringförmige Galaxien oder solche mit erdnussförmigen Kernen, Mehrfachkernen, hellen sternartigen Kernen oder Galaxien mit Gezeitenschweifen.

Seyfert- Galaxien

Galaxien, bei denen der Hauptanteil der Gesamtleuchtkraft bereits alleine vom Kern abgestrahlt wird, benennt man nach ihrem Entdecker, C.K. Seyfert. Er fand bei einigen Spiralgalaxien heraus, dass sich um ihren hellen, punktförmigen Kern heißes Gas mit Geschwindigkeiten bis 30 000 [km/s] bewegt.

Seyfert- Galaxie NGC 7742Nebenstehende Aufnahme zeigt die Seyfert- Galaxie NGC 7742 im Sternbild Pegasus. In ihrem äußerst aktiven Zentrum "werkelt" vermutlich ein Schwarzes Loch.

Man teilt diese Galaxien in zwei Klassen ein:
Seyfert- I- Galaxien besitzen einen aktiven, mehrere
100 000 [K] heißen Kern und weisen erhöhte Strahlungsanteile im Röntgen-, UV- und IR- Bereich auf. Seyfert- II Galaxien dagegen strahlen stärker im Radio- und IR- Bereich. Zudem hat man bei ihnen Synchrotron- Strahlung nachgewiesen. Beiden gemeinsam ist, dass sie sehr aktive, kleine (weniger als ein Lichtjahr Durchmesser) Kerne haben müssen, um diese hohen Emissionen zu erzeugen. Dies deutet auf eine Verwandtschaft zu den Quasaren hin, bei denen in der Kernregion als Antriebsmotor ebenfalls ein Schwarzes Loch fungiert.

Starburst- Galaxien

Man hat Galaxien durch Satellitenbeobachtungen (IRAS, Infrarot- Satellit und HST) entdeckt, welche sehr stark im Infrarotbereich strahlen. Ihre Gesamtleuchtkraft kann bis zu 1012 Sonnenleuchtkräften gehen, womit sie neben den Quasaren zu den hellsten Objekten im All zählen. Der große Infrarotanteil ihrer Strahlung ist durch eine außerordentlich hohe Sternentstehungsrate (100 Sonnenmassen pro Jahr) begründet, aufgrund der stoßartigen Sternbildung nennt man sie auch Starburst- Galaxien.

Starburst in NGC 253 Im Zentrum der Galaxie NGC 253 findet mit extrem hoher Rate Sternentstehung statt. In der Kernregion sieht man die dichtesten je beobachteten Sternzusammenballungen. Sie sind umgeben von heißem Gas und dunklen Staubwolken. Die eigentümliche Farbe stammt von der intensiven, energiereichen Strahlung der jungen und heißen Sterne sowie die von ihnen angeregten Emissions- und Reflexionsnebel.

Prototyp dieser Galaxienart ist M 82, welche man früher wegen ihres aktiven Kerns noch zu den Quasaren zählte. M 82 befindet sich in einer an intergalaktischem Gas und Staub reichen Region, welches nun in die Kernregion einströmt. Dies ist einerseits die Erklärung für die extrem hohe Sternentstehungsrate.

Irreguläre Galaxie M 82Eine andere Aufnahme der Galaxie M 82. Sie gehört zu einer kleineren Gruppe von Galaxien, zu denen man M 81 sowie NGC 3077 zählt. Sie selbst ist in der Gruppe dominierend, hatte aber vermutlich eine Begegnung mit M 81. Diese Kollision hat in der Galaxie eine abnorme Sternbildungsrate entstehen lassen, die dunklen Spuren Interstellarer Materie zeugen noch von der Begegnung.

Viele Galaxien haben ind der Vergangenheit Begegnungen mit Nachbargalaxien durchlaufen und die dabei wirksam gewordenen Gezeitenkräfte lösten die Sternbildung aus (siehe HST- Aufnahme der Hickson- Group, oben). Darüber hinaus sorgt die hohe Konzentration des intergalaktischen Mediums für die bevorzugte Bildung massereicher Sterne, welche ungeheure Strahlungsmengen und Sternwinde emittieren. Dies kann zur Zusammenballung der interstellaren Materie und damit zu erneuter Sternentstehung führen. Auch ist massereichen Sternen ein nur kurzes Leben beschert, das ein Ende als Supernova findet. Solche Ausbrüche (Druckwellen!) regen ebenfalls heftigst die Geburt neuer Sterne an.

Radio- Galaxien

Radiogalaxien strahlen, wie ihr Name schon andeutet, besonders stark im Radiobereich. Die von ihnen emittierte Synchrotron- Strahlung wird durch Prozesse erzeugt, deren Energieumsatz so hoch sein muss wie die gesamte in einer Galaxie vorhandenen Kernenergie. Orte dieser Aktivitäten sind wiederum die Zentralregionen der (elliptischen Riesen-) Galaxien, und meist lassen sich auch vom Kern ausgehende Jets nachweisen, die häufig in großen Blasen enden (siehe hierzu auch Quasare ). Beispiele für solche Galaxien, die Radiostrahlung durch nichtthermische Prozesse erzeugen, sind M 87 (Virgo A) und die Riesengalaxie Cygnus A.

Galaxienhaufen, Superhaufen

Wie schon gesagt, kommt eine Galaxie nicht alleine vor. Meist bilden sie Doppel- oder Mehrfachsysteme (genau wie die Sterne), die aus bis zu 10 Einzelobjekten bestehen. 100 Galaxien oder mehr gruppieren sich zu Haufen (Cluster) zusammen. Auch unsere Milchstraße gehört mit ihren beiden Begleitgalaxien (Magellansche Wolken) sowie der Andromedagalaxie als dominierende Komponenten zu einem solchen System, der sogenannten Lokalen Gruppe. Sie umfasst mehr als zwanzig Einzelobjekte, von denen die meisten allerdings Zwerggalaxien sind.

 

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Galaxiencluster CL0024+1654Diese Aufnahme des Hubble- Teleskops zeigt einen Galaxiencluster mit der Bezeichnung CL0024+1654. Alle gelben Objekte im Bild sind zu diesem Haufen gehörende Galaxien. Die riesige Masse hat eine besondere Wirkung: Sie fungiert zusammen mit der Dunklen Materie als Gravitationslinse, indem sie ein Mehrfachbild einer hinter dem Haufen liegenden Galaxie projiziert (blau). Ohne diesen Effekt wüssten wir nichts von ihrer Existenz.

Die bekanntesten unserer Nachbarn sind M 31, die Andromeda Galaxie mit ihren beiden Begleitern M 32 und NGC 205, sowie die Spiralgalaxie M 33 im Sternbild Triangel. Die uns nächstgelegenen Haufen sind der Virgo- und der Coma- Haufen. Der erste besteht aus mehreren hundert Galaxien (sowie einigen tausend Zwerggalaxien), während der Coma- Haufen einige tausend leuchtstarke Galaxien enthält.

Wir wissen heute, dass es im Kosmos noch größere Strukturen gibt, dass die Galaxienhaufen in Superhaufen eingebettet sind. Solch ein Supercluster besteht aus 1015 Sonnenmassen und kann bis zu 6 Haufen umfassen. Die Größe eines derartigen Objektes erstreckt sich über 100 [Mpc], das sind 326 Millionen Lichtjahre (und das mal 9,5 Billionen [km] - wir haben es mit wahrlich gigantischen Distanzen zu tun!). Im Gegensatz zu den Haufen, welche vielfach zentrale Verdichtungen zeigen, haben die Superhaufen filamentartige Strukturen ohne verdichtete Zentralgebiete.

Dunkle Materie

Wenn man die Masse eines Galaxienhaufens berechnet (aus ihren Eigenbewegungen abgeleitet), und summiert dagegen die Einzelmassen (abgeleitet aus der Masse- Leuchtkraft- Beziehung) aller Galaxien auf, so erhält man nur etwa ein Zehntel bis zu 50% der Masse, die aufgrund der Bewegungen vorhanden sein sollte. Zwischen 50% und 90% der Masse entziehen sich demnach unseren Beobachtungen, weshalb man vom Problem der fehlenden Masse (missing mass) spricht. Da die Masse aber vorhanden sein muss (sonst würden die Haufen sich auflösen), wir sie aber nicht erfassen können, nennt man sie auch Dunkle Materie. Man weiß bis heute nicht, aus was sie besteht, die Suche nach ihrem Ursprung ist somit eines der spannendsten Kapitel der Astronomie, der Astrophysik und der Teilchenphysik.

Großräumige GalaxienverteilungBetrachtet man die Verteilung der Galaxien im Kosmos, so zeigt sich ein überraschendes Bild: Es ergeben sich großräumige, netzartige Strukturen. Die Galaxien scheinen auf den Oberflächen riesiger "Blasen" (voids) zu schwimmen, während die Blasen selbst völlig ohne Galaxien sind. Wahrscheinlich wurde der Grundstein dieser Strukturen bereits in frühester Zeit des Kosmos während des Urknalls gelegt, als sich die weiter oben beschriebenen Fluktuationen ausbildeten und bei weiterer Abkühlung des Alls quasi ausfroren.

Untersucht man die Spektren weit entfernter Quasare, findet man darin manchmal zusätzliche Absorptionslinien, die von Wolken neutralen Wasserstoffgases stammen. Derartige Linien können nur entstehen, wenn das Licht auf dem Weg von der Strahlungsquelle zur Erde Gasansammlungen passiert. Solche Wolken befinden sich damit zwischen dem beobachteten Quasar und unserem Planeten. Die Rotverschiebung der Absorptionslinien ist dabei unterschiedlich, weil die Wolken verschieden weit entfernt sind. Allerdings ist die Rotverschiebung, wie zu erwarten, immer kleiner als diejenige des Quasars.

Die Abmessungen dieser zwischen den Galaxien befindlichen Wolken weisen Durchmesser von mehreren 10 [kpc] (Kiloparsec) bei einer Masse von einigen 107 Sonnenmassen auf. Diese Angaben sind allerdings noch recht unsicher. Die Gesamtmasse aller intergalaktischen Materie dürfte jedoch nur einen kleinen Teil zur Gesamtmasse des Universums beitragen, sie wird gewiss nicht den Anteil der fehlenden, Dunklen Materie ausmachen, der für ein geschlossenes Universum notwendig wäre.

Eigentlich sollten sich die relativ dünnen, vermutlich noch aus den Anfängen des Kosmos stammenden Gaswolken wegen zu geringer Eigengravitation längst verflüchtigt haben. Weil das aber nicht der Fall ist, nimmt man an, dass irgendeine Komponente einen zusammenhaltenden Druck auf die Wolken ausübt. Diese bislang rein hypothetische weil nicht nachweisbare Komponente könnte ionisiertes Wasserstoffgas sein, da es keine Absorptionslinien verursacht.

Man konnte auch durch die 21 cm- Radiostrahlung Wolken neutralen Wasserstoffs in der Umgebung einiger kleinerer Galaxienhaufen nachweisen. Diese Wolken sind dabei Bestandteil des Haufens und weisen Ausdehnungen bis zu 100 [kpc] auf. Ihre Entstehung beruht aber vermutlich auf der Begegnung zweier Galaxien, wobei das ehemals interstellare Gas ausgestoßen wurde. Nachdem die Galaxien wieder auseinander drifteten, verblieb die Wolke als eigenständiges System. Ihre Existenz kann aber nur begrenzt sein, denn die sehr geringe Eigengravitation (die Materiedichte einer typischen Wolke liegt bei nur 0,01 Atomen pro [cm3]) wird die Verflüchtigung nicht aufhalten können.

Intergalaktische Materie zeigt uns zum ersten Mal diese Aufnahme vom Hubble- Teleskop.

NGC 1409 und 1410Vor rund 100 Millionen Jahren stießen die beiden Galaxien NGC 1409 (rechts) und NGC 1410 zusammen. Heute entfernen sie sich wieder voneinander. Übrig geblieben ist von dieser Kollision eine "kosmische Pipeline". Materie (der schwache, dunkle "Faden") fließt von der linken Galaxie ab und wickelt sich um die rechte wie eine Schnur um ein Paket. Nur hat die Schnur hier eine Länge von 20 000 Lichtjahren! Das Geschehen spielt sich in einer Entfernung von 300 Millionen Lichtjahren ab im Sternbild Stier.

Einer anderen Ursache verdankt seine Existenz der so genannte Magellan- Strom. Die zwischen unserer Milchstraße und den beiden Magellanschen Wolken (südlicher Himmel) befindliche Wasserstoffwolke stammt nicht aus einem Zusammenstoß der Systeme. Vielmehr vermutet man, dass das Gas durch Gezeitenwirkung von den Systemen abgetrennt wurde.

In einigen großen Galaxienhaufen konnte auch heißes intergalaktisches Gas nachgewiesen werden. Bei Temperaturen von 10 bis 100 Millionen [K] wird von diesen Wolken Röntgenstrahlung emittiert. Durch Untersuchung der Röntgenspektren konnte man selbst Emissionslinien von hochionisiertem (seiner Elektronen beraubtem) Eisen nachweisen, weshalb auch diese Wolken nicht aus der Frühphase des Kosmos stammen können. Eher nimmt man an, dass es bei Zusammenstößen von Galaxien des Haufens aus diesen herausgeschleudert wurde. Nun fragt man sich, wie dieses Gas auf so hohe Temperaturen aufgeheizt wird. Sehr wahrscheinlich geschieht dies durch die sich im Haufen mit hoher Geschwindigkeit, bis zu 1000 [km/s], bewegenden Galaxien. Einen Teil dieser kinetischen Energie geben sie dabei ständig in Form thermischer Energie an die intergalaktischen Wolken ab, wodurch diese sich erwärmen.

Staubförmige intergalaktische Materie hat vermutlich einen lichtdämpfenden Einfluss, wenn man einige große Galaxienhaufen untersucht. Die Anzahl der Galaxien je untersuchter Flächeneinheit scheint nämlich geringer zu werden, je weiter sie vom Haufenzentrum entfernt stehen. Das Licht dieser Hintergrundgalaxien könnte durch intergalaktische Staubpartikel geschwächt sein. Allerdings sind diese Angaben bislang noch sehr unsicher.

In der folgenden Tabelle sind angegeben die Messier- Nummer (M.- Nr.), die Nummer des New General Catalogue (NGC), die Rektaszension (Rekt.) und Deklination (Dekl.). Daneben wird auch die scheinbare Helligkeit und die Entfernung aufgeführt.

 

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M- Nr. NGC Rekt. Dekl. Sternbild Objekt Helligkeit Entfernung LJ
1 1952 5h31m5 +21°59' Stier Planetarischer Nebel (Crabnebel) 8m4 7000
2 7089 21h30m9 -01°03' Wassermann Kugelsternhaufen 6m3 50 000
3 5272 13h39m9 +28°38' Jagdhunde Kugelsternhaufen 6m4 45 000
4 6121 16h20m6 -26°24' Skorpion Kugelsternhaufen 6m4 23 000
5 5904 15h16m0 +02°16' Schlange Kugelsternhaufen 6m2 27 000
6 6405 17h36m8 -32°11' Skorpion Offener Haufen 4m5 2000
7 6475 17h50m7 -34°48' Skorpion Offener Haufen 3m5 1000
8 6523 18h01m6 -24°20' Schütze Gasnebel (Lagunennebel) 5m9 5000
9 6333 17h16m2 -18°28' Schlangenträger Kugelsternhaufen 7m3 26 000
10 6254 16h54m5 -04°02' Schlangenträger Kugelsternhaufen 6m7 16 300
11 6705 18h48m4 -06°20' Schild Offener Haufen 6m0 5700
12 6218 16h44m6 -01°52' Schlangenträger Kugelsternhaufen 6m6 19 000
13 6205 16h39m9 +36°33' Herkules Kugelsternhaufen 5m7 23 000
14 6402 17h35m0 -03°13' Schlangenträger Kugelsternhaufen 7m7 24 000
15 7078 21h27m6 +11°57' Pegasus Kugelsternhaufen 6m0 50 000
16 6611 18h16m0 -13°48' Schlange Offener Haufen 8- 12m 5200
17 6618 18h18m0 -16°12' Schütze Gasnebel (Omeganebel) 7m7 3000
18 6613 18h17m0 -17°09' Schütze Offener Haufen 7m5 6200
19 6273 16h59m5 -26°11' Schlangenträger Kugelsternhaufen 6m6 22 500
20 6514 17h58m9 -23°02' Schütze Gasnebel (Trifidnebel) 7m5 3200
21 6531 18h01m8 -22°30' Schütze Offener Haufen 6m5 3000
22 6656 18h33m3 -23°58' Schütze Kugelsternhaufen 5m9 9800
23 6494 17h54m0 -19°01' Schütze Offener Haufen 9- 14m 4500
24 6603 18h15m5 -18°27' Schütze Offener Haufen 4m0 16 000
25 4725 18h28m8 -19°17' Schütze Offener Haufen 5m5 1800
26 6694 18h42m5 -09°27' Schild Offener Haufen 8m5 13 000
27 6853 19h57m4 +22°35' Fuchs Planetarischer Nebel (Hantelnebel) 7m6 1000
28 6626 18h21m5 -24°54' Schütze Kugelsternhaufen 7m3 15 000
29 6913 20h22m2 +38°21' Schwan Offener Haufen 7m0 4000
30 7099 21h37m5 -23°25' Steinbock Kugelsternhaufen 8m4 41 000
31 224 00h40m0 +41°00' Andromeda ("Der" Andromedanebel) Spiralnebel 4m9 2 500 000
32 221 00h40m0 +40°36' Andromeda Elliptischer Nebel 8m7 wie M31
33 598 01h31m1 +30°24' Dreieck Spiralnebel 6m8 2 700 000
34 1039 02h38m8 +42°34' Perseus Offener Haufen bis 10m5 1400
35 2168 06h05m7 +24°20' Zwillinge Offener Haufen 8- 12m 2600
36 1960 05h32m0 +34°07' Fuhrmann Offener Haufen 8- 11m 3700
37 2099 05h49m0 +32°33' Fuhrmann Offener Haufen 6m0 4700
38 1912 05h25m3 +35°48' Fuhrmann Offener Haufen 7m0 3600
39 7092 21h30m4 +48°13' Schwan Offener Haufen 6- 9m 820
40 Ist gestrichen (Doppelstern)
41 2287 06h44m9 -20°42' Großer Hund Offener Haufen 8-11m 2500
42 1976 05h32m9 -05°25' Orion Gasnebel ("Der" Orion- Nebel) 2m9 1300
43 1982 05h33m1 -05°18' Orion Gasnebel 9m0 1500
44 2632 08h37m5 +19°52' Krebs Offener Haufen(Präsepe) 6- 17m 515
45 -- 03h43m9 +23°58' Stier Offener Haufen (Plejaden) 3m0 410
46 2437 07h39m6 -14°42' Schiff Offener Haufen 9m3 6000
47 2478 07h52m5 -15°27' Schiff Offener Haufen 4m5 2000
48 2548 08h13m8 -05°48' Hyaden Offener Haufen 5m5 1500
49 4472 12h27m3 +08°16' Jungfrau Elliptischer Nebel 8m6 40 000 000
50 2323 07h00m5 -08°16' Einhorn Offener Haufen 9- 12m 2600
51 5194 13h27m8 +47°27' Jagdhunde Spiralnebel 8m1 4 000 000
52 7654 23h22m0 +61°20' Kassiopeia Offener Haufen 9- 13m 3800
53 5024 13h10m5 +18°26' Haar der Berenike Kugelsternhaufen 7m6 65 000
54 6715 18h52m0 -30°32' Schütze Kugelsternhaufen 8m0 60 000
55 6809 19h36m9 -31°03' Schütze Kugelsternhaufen 7m0 20 000
56 6779 19h14m6 +30°05' Leier Kugelsternhaufen 8m5 30 000
57 6720 18h51m7 +32°58' Leier Planetarischer Nebel (Ringnebel) 9m3 2200
58 4579 12h35m1 +12°05' Jungfrau Spiralnebel 9m2 50 000 000
59 4621 12h39m5 +11°55' Jungfrau Spiralnebel 10m0 50 000 000
60 4649 12h41m1 +11°49' Jungfrau Elliptischer Nebel 8m9 50 000 000
61 4303 12h19m4 +04°45' Jungfrau Spiralnebel 10m0 50 000 000
62 6266 16h58m1 -30°03' Schlangenträger Kugelsternhaufen 6m5 20 000
63 5055 13h13m5 +42°17' Jagdhunde Spiralnebel 9m5 20 000 000
64 4826 12h54m3 +21°47' Haar der Berenike Spiralnebel 8m8 30 000 000
65 3623 11h16m3 +13°23' Löwe Spiralnebel 9m3 30 000 000
66 3627 11h17m6 +13°17' Löwe Spiralnebel 8m4 30 000 000
67 2682 08h48m3 +12°00' Krebs Offener Haufen 8- 13m 2700
68 4590 12h36m8 -26°29' Wasserschlange Kugelsternhaufen 8m2 37 000
69 6637 18h28m1 -32°23' Schütze Kugelsternhaufen 8m0 30 000
70 6681 18h40m0 -32°21' Schütze Kugelsternhaufen 8m0 40 000
71 6838 19h51m5 +18°39' Pfeil Kugelsternhaufen 9m2 18 000
72 6981 20h50m7 -12°44' Wassermann Kugelsternhaufen 9m8 59 000
73 6994 20h56m4 -12°50' Wassermann Offener Haufen 8m5 2000
74 628 01h34m0 +15°32' Fische Spiralnebel 10m2 30 000 000
75 6864 20h03m2 -22°04' Schütze Kugelsternhaufen 8m0 78 000
76 650 01h38m8 +51°19' Perseus Planetarischer Nebel 11m0 5000
77 1068 02h40m1 -00°15' Walfisch Spiralnebel 8m9 50 000 000
78 2068 05h44m2 +00°02' Orion Gasnebel 8m4 1500
79 1904 05h22m2 -24°34' Hase Kugelsternhaufen 8m4 43 000
80 6093 16h14m1 -22°52' Skorpion Kugelsternhaufen 7m7 37 000
81 3031 09h51m5 +69°18' Großer Bär Spiralnebel 7m9 7 000 000
82 3034 09h51m9 +69°56' Großer Bär Spiralnebel 8m8 8 000 000
83 5236 13h34m3 -29°37' Wasserschlange Spiralnebel 8m0 15 000 000
84 4374 12h22m6 +13°10' Jungfrau Elliptischer Nebel 9m3 50 000 000
85 4382 12h22m8 +18°28' Haar der Berenike Elliptischer Nebel 9m3 50 000 000
86 4406 12h23m7 +13°13' Jungfrau Elliptischer Nebel 9m5 50 000 000
87 4486 12h28m3 +12°40' Jungfrau Elliptischer Nebel 9m2 50 000 000
88 4501 12h29m5 +14°42' Haar der Berenike Spiralnebel 9m5 50 000 000
89 4552 12h33m1 +12°50' Jungfrau Elliptischer Nebel 10m0 50 000 000
90 4569 12h34m3 +13°26' Jungfrau Spiralnebel 10m0 50 000 000
91 4571 12h34m3 +14°28' Haar der Berenike Spiralnebel 10m5 50 000 000
92 6341 17h15m6 +43°12' Herkules Kugelsternhaufen 6m1 36 000
93 2447 07h42m4 -23°45' Schiff Offener Haufen 6m5 4000
94 4736 12h48m6 +41°23' Jagdhunde Spiralnebel 7m9 20 000 000
95 3351 10h41m3 +11°58' Löwe Spiralnebel 10m0 30 000 000
96 3368 10h44m2 +12°05' Löwe Spiralnebel 9m1 30 000 000
97 3587 11h12m0 +55°18' Großer Bär Planetarischer Nebel (Eulennebel) 10m 7400
98 4192 12h11m3 +15°11' Haar der Berenike Spiralnebel 10m0 50 000 000
99 4254 12h16m3 +14°42' Haar der Berenike Spiralnebel 10m0 50 000 000
100 4321 12h20m4 +16°06' Haar der Berenike Spiralnebel 9m5 50 000 000
101 5457 14h01m4 +54°35' Großer Bär Spiralnebel 9m6 16 000 000
102 5866 15h05m1 +55°57' Drache Spiralnebel 10m5 30 000 000
103 581 01h29m9 +60°27' Kassiopeia Offener Haufen 7- 11m 3800
104 4594 12h37m3 -11°21' Jungfrau Spiralnebel 8m7 40 000 000
105 3379 10h45m2 +12°51' Löwe Elliptischer Nebel 9m2 30 000 000
106 4258 12h16m5 +47°35' Großer Bär Spiralnebel 8m6 20 000 000
107 6171 16h29m7 -12°57' Schlangenträger Kugelsternhaufen 9m2 9 800
108 3556 11h08m7 +55°57' Großer Bär Spiralnebel 10m0 30 000 000
109 3992 11h55m0 +53°39' Großer Bär Spiralnebel 10m0 40 000 000
110 205 00h40m4 +41°41' Andromeda Elliptische Galaxie 8m5 2900

 

[H2SO4]

Quasar oder QSO?

Erstmals in den sechziger Jahren des letzten Jahrhunderts wurde durch die optische Astronomie ein Objekt nachgewiesen, welches man bereits Jahre zuvor als starken Radiostrahler entdeckte. Bei dieser Quelle (genannt 3C 273) fand man dann eine Rotverschiebung von 15%, was einer Entfernung von 2 Milliarden Lichtjahren und einer Fluchtgeschwindigkeit von 45 000 [Km s-1] entsprach.

Quasar 3C273Der Quasar 3C 273. Deutlich ist einer der beiden Jets zu erkennen. Der andere entzieht sich unseren Blicken, weil er sich mit relativistischer Geschwindigkeit in entgegengesetzter Richtung von uns fortbewegt

Da man hier seinerzeit nur einen einzigen Stern 13. Größe sah, war man sehr erstaunt über die ernorme Helligkeit. Selbst eine komplette Galaxie in dieser Entfernung hätte wesentlich lichtschwächer sein müssen. Diese bis dahin unverstandenen Objekte nannte man deshalb Quasar, abgeleitet von Quasi-stellarer Radioquelle. Bis heute hat man mehrere Tausend dieser Quasare entdeckt, jedoch treten die wenigsten von ihnen auch als starke Radiostrahler in Erscheinung. Deshalb nennt man sie eigentlich besser QSO, Quasi- stellares Objekt, dennoch hat sich die Bezeichnung Quasar hartnäckig durchgesetzt.

Quasare sind die hellsten bekannten Objekte im Kosmos. Sie strahlen im sichtbaren Licht mit einer Leuchtkraft, die unvorstellbare 1012 bis 1014 mal größer ist als die der Sonne. Auch im Röntgenbereich ist ihre Energieabgabe vergleichbar hoch. An dieser Stelle müssen wir uns nun klarmachen, dass diese ungeheuren Energiemengen in einem Raum ausgestoßen werden, der nicht größer als etwa unser Planetensystem sein kann. Für kosmische Verhältnisse ist das verschwindend klein, für einen einzelnen Stern jedoch wiederum zu groß. Es muss also eine andere Quelle sein, die solch faszinierend große Energiemengen auszustoßen in der Lage ist.

Bei ihrer optischen Beobachtung sieht man scheinbar nur einen einzelnen Stern, in der Tat handelt es sich bei einem QSO aber um den sehr aktiven Kern einer Galaxie, der alle anderen Sterne des Systems überstrahlt. Die Energieabgabe der Quasare unterscheidet sich stark von Sternen oder Gas. Während letztere in einem nur schmalen Wellenlängenbereich abhängig von der Temperatur strahlen, gibt ein QSO über einen sehr breiten Bereich seine Energie ab.



Jedes der oben markierten Fleckchen stellt einen Quasar dar, eine, wie wir heute wissen, frühzeitliche Galaxie. Eine Bestimmung der Entfernung ist nur durch die Rotverschiebung des Lichts möglich. Einzelsterne, die den Astronomen als so genannte Standardkerze dienen könnten, lassen sich bei solch weit entfernten Objekten nicht mehr auflösen. Die Rotverschiebung wird durch die Expansion des Universums verursacht, welche die Wellen des Lichts quasi auseinander zieht. Von links nach rechts betragen die Rotverschiebungen Z= 5,00 Z= 4,90 und Z= 4,75, was bedeutet, dass diese QSO's rund 13 Milliarden Lichtjahre von uns entfernt sind! Sie zählen mit zu den entferntesten Objekten, die je ein Mensch gesehen hat.

Die Energieemission der Quasare kann über ein breites Spektrum, vom Radiobereich über Infrarot, sichtbares Licht, UV, bis hin zum Röntgen- und Gammabereich erfolgen. Die Energieabgabe ist jedoch variabel und unterliegt unregelmäßigen Schwankungen im Bereich von Stunden bis zu Jahren. Aus diesen Schwankungen kann man auf die Größe der Objekte schließen, wobei sich Ausdehnungen von rund 1015 [cm] ergeben. Das entspricht in etwa der Größe eines Planetensystems.

Quasar 3C279Der Quasar 3C279, aufgenommen vom Compton- Gammateleskop. Bereits 1991 wurde diese Gammaquelle als die bis dahin stärkste je beobachtete erkannt, sie strahlt im Gammabereich 40 Millionen Mal stärker als im sichtbaren Licht. Kurz nach dieser Aufnahme wurde die Strahlung des Objekts allerdings immer schwächer, der Grund dafür ist nicht bekannt.

Die wahrscheinlichste Theorie für die extreme Energieumsetzung in Quasaren ist, wie wir sicher schon ahnen, dass im Zentrum dieser jungen Galaxien sehr massereiche Objekte Materie akkretieren. Zur Freisetzung der überaus großen Energiemengen, allein im visuellen Bereich von 1038 bis 1041 Watt, sind Massen von etwa 1 Million bis weit über 1 Milliarde Sonnenmassen erforderlich. Solche Objekte können nur als Schwarze Löcher existieren.

Berechnet man den Schwarzschildradius für diese Massen, der ja die untere Grenze der räumlichen Ausdehnung darstellt, so gelangt man an Werte zwischen 1011 und 1014 [cm]. Das stimmt mit der oben abgeschätzten Größenordnung tatsächlich überein, denn wir müssen ja noch die Abmessung der das Schwarze Loch umgebenden Materiescheibe hinzu rechnen.

Jets

Quasare bergen also in ihrem Innern Schwarze Löcher, die äußerst aktiv sind und riesige Mengen umgebender Materie verschlingen. Die Materie in den umgebenden Akkretionsscheiben wird nicht nur so extrem erhitzt, dass sie sogar Gammastrahlung emittiert, sondern Gas aus der Scheibe wird entlang von Magnetfeldlinien beschleunigt und tritt mit relativistischer Geschwindigkeit an den Magnetpolen aus. Das können wir in Form von Jets beobachten, Materiestrahlen, die vom Kern der Galaxie in zwei entgegengesetzten Richtungen ausgestoßen werden und Ausdehnungen von Millionen (!) Lichtjahren erreichen können.

Ein Schwarzes Loch akkretiert Materie von einem Begleitstern Nebenstehende Skizze zeigt beispielhaft die Akkretion von Materie durch ein Schwarzes Loch, hier saugt es Gas von einem Begleitstern ab. Aus dem Zentrum schießen zwei entgegengesetzte Jets ins All. Sie werden hervorgerufen durch ein Magnetfeld, welches von der extremen Reibungskräften ausgesetzten, ins Loch spiralenden Materie gebildet wird. Sie wird ultrahoch erhitzt und dabei völlig ionisiert (ihrer Elektronen beraubt), dadurch elektrisch geladen und wirkt wie ein Dynamo. An den Polen des entstandenen Magnetfeldes sind die Feldlinien geöffnet, hier wird das Gas bis fast auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigt.

Nach Aufbereitung der meist durch Radioteleskope gewonnenen Bilder kann man in den Jets einzelne Knoten erkennen und an ihren Enden manchmal blasenförmige Aufstauchungen, so genannte hot spots. Dabei handelt es sich um Stoßfronten die entstehen, wenn das Gas auf interstellare Materie trifft, hier schlagartig abgebremst wird und sich dabei hoch erhitzt. Manche der Jets sind mehr oder weniger gebogen. Das könnte durch vorbeistreichende intergalaktische Materie (bis zu 1000 [Km/s] schnell) hervorgerufen werden, bedingt durch die Bewegung der Galaxie in ihrem Galaxiensystem. Man stelle sich das ähnlich vor wie den Wind, der den Rauch eines Kamins fortbläst.

All diese Effekte lassen sich überzeugend nur mit dem Modell eines Schwarzen Lochs als Zentralmasse der Galaxie erklären. Nur hier kann ein spürbarer Anteil der Ruheenergie (E = mc2) der akkretierten Masse in Energie umgewandelt werden. Man darf sich nun nicht vorstellen, dass die Materie direkt in großen Mengen in das Loch stürzt, sondern sie spiralt relativ langsam (aufgrund der Reibung) nach innen. Nur ein geringer Prozentsatz verschwindet ständig wirklich im Loch, was dann aber mit relativistischer Geschwindigkeit geschieht. Was hier also in allen möglichen Wellenlängen leuchtet ist nicht das Schwarze Loch selbst, sondern die umgebende Materiescheibe. Die hier freigesetzte Gravitationsenergie erklärt die große Leuchtkraft eines Quasars. Denn weil es sich um eine recht junge Galaxie handelt, ist die Materiedichte im Zentrum noch recht hoch und das Schwarze Loch kann so ungezügelt alles verschlingen, was sich in seiner Nähe aufhält. In älteren Galaxien dagegen haben die Schwarzen Löcher ihre Umgebung leergefegt, sie sind zur Ruhe gekommen.

Akkretionsscheiben sollten ihre Hauptenergie im UV- Bereich abstrahlen, was bei den Quasaren auch der Fall zu sein scheint. Im Kern einer solchen Galaxie werden jedoch viele verschiedene physikalische Prozesse ablaufen, welche für einen weiten Streubereich der abgestrahlten Wellenlängen sorgen. So wird sich z.B. umgebender Staub durch die enorme UV- Strahlung erhitzen, so dass er Wärme abstrahlt und wir somit auch Infrarotemissionen feststellen. Röntgenstrahlung könnte in einer Art Korona der Akkretionsscheibe entstehen, einer heißen und turbulenten Zone, wie sie ja auch auf unserer Sonne zu finden ist. Allerdings kann sich die Materie der Scheibe aufgrund der Reibung auch soweit erhitzen, dass schon hier Röntgenlicht emittiert wird.

Im Inneren der Akkretionsscheibe herrscht ein enormer Gas- und Strahlungsdruck, der mit dafür verantwortlich ist, dass die Materie nach außen hin stark beschleunigt wird. Besitzt die Akkretionsscheibe ein starkes Magnetfeld, so wird der Materiestrom hierdurch in zwei vorgegebene, entgegengesetzte Richtungen gezwungen, nämlich entlang der Feldlinien. Diesen Materiestrom identifizieren wir dann als die bereits erwähnten Jets.

Derart beschleunigte Materie sendet Strahlung vom Radio- bis in den Gammabereich aus. Das Magnetfeld hat möglicherweise auch eine "Antriebsfunktion" auf die Materie: Wenn das Loch rotiert (wovon man in der Regel ausgehen kann), kann das sich mitdrehende, extrem starke Magnetfeld Materie mitreißen und enorm beschleunigen, ähnlich einem Schwungrad. Auch dies könnte zur Entstehung der Jets beitragen.

Quasar- GalerieAnsicht einiger vom Hubble- Weltraumteleskop aufgespürten Quasare. Erstmalig zu sehen ist ihre Nachbarschaft, während der Quasar jeweils das sternähnliche Objekt in der Bildmitte ist. Die Bilder in der Mitte und rechts zeigen uns zusammenstoßende oder miteinander verschmelzende Galaxien.

 

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Schneller als das Licht?

Die in den Jets vielfach beobachteten Knoten oder Verdickungen sind nicht statisch, sondern wandern vom Ursprungsort nach außen weg. Was sie genau sind, vielleicht Instabilitäten im Jet, ist noch nicht genau bekannt. Sehr überraschend ist allerdings, dass sich diese Knoten scheinbar mit doppelter, ja manchmal sogar mit zehnfacher (!) Lichtgeschwindigkeit bewegen (gemessen durch die Rotverschiebungen). Müssen wir jetzt die Relativitätstheorie begraben?

Sicherlich nicht. Wir müssen hier bedenken, dass die Strahlung vom Kern und die des Knotens unterschiedliche Laufzeiten haben und somit unterschiedliche Strecken zurücklegen. Die Strahlung vom Kern der Galaxie durchmisst immer die gleiche Strecke zu uns (dem Beobachter). Die Signale des Knotens, wenn sie sich fast genau auf uns zu bewegen, benötigen dagegen immer kürzer werdende Laufzeiten, je weiter sie sich vom Kern entfernen und damit näher auf uns zu kommen. Hierdurch kann der Knoten scheinbar mit mehr als Lichtgeschwindigkeit wandern.

Diese scheinbare Überlichtfahrt ist nur beobachtbar (und wird auch bei vielen Radiogalaxien beobachtet), wenn auch der Jet sich mit einer Geschwindigkeit nahe der Lichtgeschwindigkeit bewegt.

In relativistischen Bereichen strahlt die Quelle in einem mit steigender Geschwindigkeit zunehmend konzentrierten Kegel in Bewegungsrichtung. Der Strahlungswinkel wird immer kleiner, und im Bereich nahe der Lichtgeschwindigkeit ist sie nur noch direkt von vorn zu erkennen. In dieser Richtung verstärkt sich scheinbar auch die Strahlungsintensität. Aus diesen Gründen können wir bei einigen Quasaren auch nur einen Jet erkennen, weil der andere sich in einem ungünstigen Winkel mit relativistischer Geschwindigkeit von uns fort bewegt.

Was ist ein Blasar?

Um als Blasar zu gelten, muss ein Objekt im Kosmos folgende Bedingungen erfüllen:

* Das Licht bzw. die Strahlung muss von einer punktförmigen Quelle stammen. Nicht verschwommen oder verschmiert, wie uns Quasare erscheinen. Einige Blasare sind zwar von Nebeln umgeben, doch die Strahlung wird von einer punktförmigen Quelle emittiert.
* Das Spektrum des Objekts muss gleichmäßig sein, es enthält nicht die kräftigen Absorptionslinien wie es z.B. bei Sternen der Fall ist.
* Die emittierte Strahlung im optischen Bereich ist häufig polarisiert.
* Die Strahlungsemissionen schwanken viel schneller und viel stärker als die von Quasaren, die Zeitskalen liegen zwischen Stunden bis hin zu Jahren

Was sagt uns dies nun? Sehr wahrscheinlich sind Blasare Objekte, sehr junge Galaxien, bei denen Materie durch die Einwirkung eines supermassiven zentralen Schwarzen Lochs in Form eines Jets mit fast Lichtgeschwindigkeit ins All geschossen wird, wobei der Jet- Strahl direkt auf uns gerichtet ist.

Cygnus ADie Galaxie Cygnus A (schwacher Punkt in der Bildmitte) in 700 Millionen Lichtjahren Entfernung zeigt uns zwei deutliche Jets, sie ist aber kein Blasar. Um als Blasar zu erscheinen, müsste einer der Jets direkt in unsere Richtung weisen.

Blasare sind eine Unterklasse der so genannten Aktiven Galaktischen Kerne (AGN, Aktive Galactic Nuklei), deren Aktivität allgemein durch ein supermassives zentrales Schwarzes Loch hervorgerufen wird. Zu ihnen zählt man Quasare mit schwachen Spektren im Radiobereich, optisch sehr stark schwankende Quasare die zudem hoch polarisiert sein können und so genannte BL Lac- Objekte, extragalaktische Sternsysteme mit hoher Kernaktivität und starken, schnellen Helligkeitsschwankungen. Darüber hinaus sind sie die Quelle der energiereichsten (Gamma-) Strahlung, die je im Universum gefunden wurde!

Markarian 501

Der sicher bekannteste Vertreter dieser Galaxienklasse ist der uns nächst gelegene Blasar Markarian 501 in 300 Millionen Lichtjahren Entfernung im Sternbild Herkules.

Blasar Markarian 501Benannt ist diese Galaxie nach Beniamin Markarian, einem georgischen Astronomen, der in den sechziger Jahren einen Katalog von hunderten solcher bläulich strahlenden weil heißen Galaxien aufstellte. Im Zentrum von Markarian 501 befindet sich ein sehr aktiver Kern als Quelle hochenergetischer Strahlung. Das radioastronomische Bild zeigt ein bemerkenswertes Detail: eine dramatische Drehung des Jets fast im rechten Winkel (dunkelblau), wofür es bislang noch keine Erklärung gibt.

Astrophysiker haben sich viele Gedanken gemacht, welche Ursache einen Blasar plötzlich aufflammen und mehrere Tage lang riesige Energiemengen, vor allem in Form von Gammastrahlung, emittieren lässt. Es könnte sein, dass Blasare uns heute bereits in der Praxis vorführen, wonach die Wissenschaft schon lange sucht: Die Vereinigung von Relativitätstheorie und Quantenmechanik!

Ein Schwarzes Loch akkretiert MaterieSo könnte es in einem frühzeitlichen galaktischen Zentrum aussehen. Ein supermassives Schwarzes Loch akkretiert Materie aus der Umgebung, aus den Polgegenden schießen Jets Millionen von Lichtjahren weit ins All.

Der Jet weist zur Erde Blasare erscheinen uns als solche, weil einer der Jets genau in unsere Richtung weist, so als würden wir direkt in einen Gewehrlauf sehen.

Bereits 1992 konnte das Compton- Gammastrahlen- Observatorium hochenergetische Strahlung des ebenfalls relativ nahe gelegenen Blasars Markarian 421 anmessen. Man erklärte sich anfangs die hochenergetische Strahlung durch Elektronen und Protonen, die entlang der Magnetfeldlinien des Jets bis nahe an die Lichtgeschwindigkeit beschleunigt werden und dabei Synchrotronstrahlung emittieren. Oder diese Teilchen stießen mit normalen Photonen zusammen, wodurch letztere mit ultrahohen Energien aufgeladen wurden.

Quasare 3C273 und 3C279Bis zum Start des Compton- Satelliten im Juni 1991 kannte man eigentlich nur den "ersten" Quasar 3C273 als Quelle von Gammastrahlung. Compton entdeckte dann direkt in seiner Nähe den Quasar 3C279, eine noch wesentlich schwächere Quelle in 4 Milliarden Lichtjahren Distanz, die aber plötzlich einen Energieausbruch erlitt und damals zum hellsten Gammastrahler des Himmels wurde.

Im März 1997 konnten die Wissenschaftler dann zum ersten Mal sehen was passiert, wenn ein Blasar Ernst macht. Markarian 501, eine sonst nur spärliche Quelle von Gammastrahlung, flammte plötzlich auf und übertraf um den Faktor 10 die Intensität des Krabben- Nebels, der stärksten konstanten Gammaquelle des Himmels, trotz
50 000fach größerer Entfernung.

 

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Ein Spiegel von HEGRA Gemessen wurde dies mit HEGRA (High Energy Gamma Ray Astronomy), einem System von 6 großen Spiegeln auf La Palma, Kanarische Inseln. Die empfangenen Gammaphotonen hatten Energien von bis zu 22 [TeV] (Tera- Elektronvolt, das ist die billionenfache (1012!) Energie eines normalen Photons des sichtbaren Lichts, es ist die energiereichste jemals gemessene Strahlung.

Nun stehen wir allerdings vor einem Problem: diese Photonen dürften die Erde gar nicht erreichen!

Ein Super- Laser

Photonen mit der gigantischen Energie von 20 [TeV] kommen im Weltall nicht weit: Sie kollidieren mit den Photonen des kosmischen Infrarot- Hintergrundes und bilden ein Elektron und ein Positron. Der IR- Hintergrund stammt von den Sternen und heißem interstellarem Staub. Markarian 501 und 401 sind aber 300 Millionen Lichtjahre von uns entfernt! Die Photonen müssten eigentlich unterwegs vernichtet werden.

Man stellt sich heute vor, dass ³- Photonen sich unter bestimmten Bedingungen zu einem Bose- Einstein- Kondensat vereinen können, einer dicht gepackten Zusammenballung von Photonen niedriger Energie, die alle dieselbe Position haben. Genau dieses sollte mit Licht (auch bei ³- Photonen sprechen wir von Licht) geschehen, das von einem Super- Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, Lichtverstärkung durch angeregte Strahlung) emittiert wird. Einem Laser, der weit effizienter ist als er jemals auf der Erde herzustellen wäre. Es gibt solche Laser! In manchen aktiven Galaxien regen Röntgenstrahlen Wasserdampfwolken dazu an, ein Mikrowellen- Laserlicht zu emittieren. Das Universum ist mit Milliarden solcher Laser übersät. So ist es durchaus vorstellbar, dass Gruppen angeregter Atome in den Jets von Blasaren sich gegenseitig zur Lichtemission stimulieren.

Bose- Einstein- KondensatAuch auf der Erde können wir von einigen Elementen Bose- Einstein- Kondensate erzeugen. Bei einer Temperatur von 2 Milliardstel [K] über den absoluten Nullpunkt kondensieren hier 2000 Rubidiumatome zu einem Superatom von 20 [µm] Durchmesser. Sie verhalten sich völlig gleichartig, jedes Atom hat identische Eigenschaften und alle befinden sich auf niedrigstem Energieniveau. Es ist sozusagen ein "Superatom" entstanden. Zu sehen ist die Dichteverteilung, gemessen mit einem Laser. Rot ist die niedrigste Dichte, dann folgen gelb, grün, blau und weiß. Etwas Ähnliches könnte auch mit den Photonen eines Blasars geschehen, wie oben beschrieben.

Markarian 421, ein weiterer Blasar. Könnte auch diese punktförmige Gammaquelle ein gigantischer kosmischer Laser sein, bei dem Photonen ein Bose- Einstein- Kondensat bilden? Wir wissen es (noch) nicht.

Ein Blasar wäre somit imstande, ein Bose- Einstein- Kondensat von vielleicht 20 identischen ³- Photonen, jeweils mit einer Energie von 1 [TeV], auszusenden. Weil jedes einzelne Photon dieses Kondensats relativ wenig Energie besitzt, kann es ungehindert den IR- Hintergrund passieren. Angekommen in der Erdatmosphäre sehen wir dann ein Signal von 20 [TeV].

Quantengravitation

Die vorgenannte Erklärung eines natürlichen Superlasers klingt nun schon recht exotisch. Doch es bietet sich eine noch viel phantastischere Möglichkeit an, wenn sie zutrifft, könnte eine völlig neue Physik die Hochernergiewelt beschreiben.

Schon lange ist man auf der Suche nach einer Vereinigung der Quantenphysik und der Relativitätstheorie, der so genannten Quantengravitation. Die Relativitätstheorie beschreibt die großräumigen Strukturen des Kosmos, eine gleichmäßige, glatte Raumzeit, die nur durch Materie gekrümmt wird. Die Quantenmechanik führt uns dagegen in eine Welt der winzigsten Skalen, Ausdehnungen unterhalb der Planck- Länge (10-35 [m]). Sind beide Theorien irgendwann vereinigt (die String- Theorie könnte einmal dazu führen), sehen wir einen wallenden Schaum aus fluktuierender Quantengravitation, eingebettet in das Auf und Ab der Raumzeit!

Hier werden seltsame Dinge geschehen: Sehr energiereiche Photonen könnten um einen kleinen Betrag abgebremst werden, also nicht mehr exakt mit Lichtgeschwindigkeit fliegen! Energiereiche ³- Photonen weisen eine sehr kleine Wellenlänge auf und können deshalb die Stöße der fluktuierenden Raumzeit spüren.

Eine kleine Kugel spürt die UnebenheitenMan kann sich das an einem - etwas an den Haaren herbeigezogenen - Beispiel verdeutlichen. Rollt man eine Kugel über einen normalen Tisch, der ja stets mikrofeine Poren und Rillen hat, so wird sie die gleiche Geschwindigkeit haben wie auf einem hochglanzpolierten Tisch ohne diese Oberflächenstruktur. Machen wir die Kugel jetzt aber mikroskopisch klein, so wird ihr Lauf von den Rillen und Poren sehr stark beeinflusst, sie muss diesen Unebenheiten folgen und wird dadurch abgebremst. Auf ähnliche Weise bekommen die extrem kurzen Wellenlängen der ultraharten Gammastrahlung die Rauhigkeit der Quantengravitation zu spüren.
Nicht nur die Abbremsung der hochenergetischen Photonen wäre eine Folge der quantengravitativen Wirkung, sondern auch, dass sie nicht mit den Photonen des IR- Hintergrundes kollidieren. Man hat berechnet, dass die im Bereich von 10-35 [m] (Planck- Länge) wirksame Quantengravitation es den 20 [TeV]- Photonen tatsächlich ermöglichen würde, problemlos den IR- Hintergrund zu überwinden und damit zur Erde gelangen.

Die quantengravitative Wirkung könnte auch die Erklärung für ein anderes kosmisches Rätsel sein. Manchmal werden sehr energiereiche Protonen von mehr als 1020 [eV] in unserer Atmosphäre entdeckt, die nur von entfernten aktiven Galaxien stammen können. Aber auch sie dürften erst gar nicht hier ankommen! Protonen dieser Energie sollten eigentlich von der kosmischen Mikrowellen- Hintergrundstrahlung ausgelöscht werden.

Trotz der sehr unterschiedlichen Energieskalen ließen sich beide Phänomene - hochenergetische Photonen und ³- Quanten von Markarian 501 - mit der Rauhigkeit der Raumzeit erklären.

Wir haben heute noch keine Theorie der Quantengravitation, doch könnte uns die Natur schon bald einen weiteren Nachweis ihrer Existenz liefern. Wenn es nämlich in einigen Jahren gelingt, mit hinreichend genauen Detektoren die Gamma- Bursts exakt zu analysieren. Stimmt die Theorie, dann sollten die 20 [TeV]- Photonen eines solchen Bursts etwas später bei uns eintreffen als die übrigen, weil sie die vielleicht wirklich existierende Rauhigkeit der Raumzeit spüren und sich etwas langsamer als das Licht ausbreiten.

Man darf dabei aber nicht außer Betracht lassen, dass der weit entfernte IR- Hintergrund vielleicht viel schwächer ist als bisher gedacht. Dann hätten auch hochenergetische ³- Photonen kein Problem das All zu durchqueren.

Zurzeit werden verschiedene, hochempfindliche Gamma- Teleskope gebaut. HESS (High Energy Stereoscopic System) entsteht in Namibia unter deutscher, englischer und italienischer Leitung, ein System aus 16 Spiegeln, das 30- mal entferntere Blasare als Markarian 501 detektieren kann. Die ersten 4 Spiegel nahmen bereits 2001 ihren Betrieb auf, zusammen mit MAGIC (Major Atmospheric Gamma Imaging Cerenkov Telescope), einem deutschen 17- Meter- Spiegel auf La Palma. Die Amerikaner haben VERITAS (Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System), ein 7- Spiegel- System in Arizona.

Sollte mit diesen neuen Geräten festgestellt werden, dass auch viel weiter entfernte Blasare als Markarian 501 uns ständig mit 20 [TeV]- Photonen bombardieren, so werden es die Vertreter der klassischen Physik sehr schwer haben eine Erklärung zu finden. In jedem Fall geht dort draußen, weitab von uns, etwas sehr dramatisches vor in den fremdartigsten Galaxien des Universums. Wir wissen noch nicht sehr viel über Blasare, aber sie werden uns sicher noch viele Jahre beschäftigen.

Ein Teil dieses Beitrags beruht auf einem Bericht des New Scientist

Anmerkung:
Neue Untersuchungen mit dem HESS konnten die bisherige Vermutung, dass die hochenergetischen Gammaphotonen die "Rauhigkeit" der Raumzeit auf der Quantenebene spüren, nicht bestätigen. Die Forschungen werden daher fortgesetzt.

 

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Der Kosmos:

Die Galaxienflucht

Wir wissen heute aufgrund vieler Beobachtungsdaten, dass unser Universum irgendwann in der Vergangenheit einen Anfang hatte. Es existiert nicht seit ewigen Zeiten, sondern ist mit 13,7 Milliarden Jahren sogar als noch recht jung zu bezeichnen. Bis zu Einsteins revolutionären Gedanken nahm man Raum und Zeit als unveränderliche Größen hin, ja man sah das gesamte Universum als beständige, sich in alle Ewigkeit nie ändernde Einrichtung. Für uns fast unbegreiflich, bestand das gesamte Universum bis in die frühen Jahre des 20. Jahrhunderts lediglich aus der Milchstraße, zu der auch die seltsamen "Nebelflecke" gehörten. Erst als man diese als eigenständige Sternsysteme - weit entfernte Galaxien - erkannte, begann man die ungeheure Ausdehnung des Kosmos zu erahnen.

Der erste Schrecken über Einsteins neue Erkenntnisse war noch nicht ganz überwunden (er glaubte selbst anfangs noch an ein statisches, unveränderliches Universum),

Edwin Hubble entdeckte Edwin Hubble (1889 bis 1953) 1929 aufgrund seiner Messungen der Rotverschiebungen, dass sich (fast) alle Galaxien im Universum von uns und voneinander entfernen. Das gab bereits einen ersten Hinweis auf einen gemeinsamen Ursprung. Hubble hatte sich inzwischen einen Namen gemacht, als er 1923 am Mount-Wilson-Observatorium nachwies, dass die Andromeda- Galaxie M 31 weit außerhalb der Milchstraße liegt und ein eigenständiges Sternsystem ist. Erstmals konnte er auch die Entfernung zur Andromeda- Galaxie bestimmen, wenn auch aufgrund der damaligen Ungenauigkeit der Abstand mit 1,5 Millionen Lichtjahren viel zu gering war.
Aus den Messungen der Rotverschiebungen leitete Hubble auch seinen wichtigsten Beitrag ab, die Hubble- Konstante. Durch sie war jetzt klar geworden, dass wir in einem expandierenden Universum leben.

Grund für die Flucht der Galaxien voneinander ist nicht eine gemeinsame, gerichtete Eigenbewegung. Vielmehr werden sie quasi durch den sich ausdehnenden Raum mitgerissen. Um sich dies besser verdeutlichen zu können, wird vielfach das Beispiel eines Hefeteigs mit Rosinen verwendet. Wenn der (Raum-)Teig aufgeht, sich also ausdehnt, werden die (Galaxien-)Rosinen dabei mitgenommen und alle entfernen sich voneinander. Es ist bei einer solchen RaumTeig- Expansion nicht möglich, dass sich zwei GalaxienRosinen einander nähern! Doch gibt es auch Ausnahmefälle im All, nämlich dann, wenn sich zwei Galaxien gravitationsbedingt nähern und sogar kollidieren können. Das steht beispielsweise unserer Milchstraße in etwa 3 Milliarden Jahren bevor, wenn sie mit der Andromeda- Galaxie verschmelzen wird.

1948 veröffentlichte der Wissenschaftler George Gamow (1904 bis 1968) seine Theorie eines heißen Anfangs des Weltalls, nach der alles in einem heißen Urbrei (er nannte dies Ylem) begann, der irgendwann expandierte.

George Gamov Den entscheidenden Beweis für den Urknall lieferten dann 1965 zwei US- Ingenieure (Arno Penzias und Robert Wilson), als sie die so genannte 3 [K]- Hintergrundstrahlung (exakter: 2,725 [K], entsprechend rund -270 [°C]) entdeckten (zur Strahlung eines Körpers siehe auch Schwarzer Körper).

Gamow hatte in seiner Theorie bereits vorhergesagt, dass aus dem von Strahlung dominierten Urbrei auch heute noch Reste vorhanden sein sollten. Die hier nun entdeckte neue Strahlung im Mikrowellenbereich kam aus allen Himmelsrichtungen mit gleicher Intensität (obwohl heute bekannt ist, dass die Strahlung entsprechend dem weiter unten beschriebenen Standardmodell in verschiedenen Richtungen um einige Tausendstel [K] differiert). Möchten Sie diese Strahlung einmal sehen? Schalten Sie den Fernseher ein, ohne dass ein Sender eingestellt ist. Etwa 1% des "Schneegeflimmers" auf dem Bildschirm stammt aus der kosmischen Hintergrundstrahlung!

Feinste Unterschiede der Hintergrundstrahlung Nebenstehendes Bild zeigt, wie der Satellit COBE (Cosmic Background Explorer) 1992 die feinen Unterschiede - bis zu einem Hunderttausendstel [K] - der Hintergrundstrahlung "sah". Wärmere Regionen erscheinen rot, kältere blau. In dieser Ansicht zieht sich die galaktische Ebene horizontal durch die Bildmitte. Dieses Bild ist eine Zeitreise in die jüngste Vergangenheit des Universums, weiter können wir nicht zurück blicken. Der Mikrowellenhintergrund (CMB, Cosmic Microwave Background) und die Galaxienflucht sind neben einigen anderen überzeugende Argumente dafür, dass alles, was unser Universum enthält, einmal in einem winzig kleinen Raumgebiet komprimiert war und es dort einen Beginn der Expansion gab.

Im Jahre 2001 wurde die Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) in eine Sonnen- Umlaufbahn gebracht. Die Empfindlichkeit und das Auflösungsvermögen dieses Geräts waren gegenüber COBE deutlich gesteigert worden, WMAP hatte bei einer Auflösung von 0,3° × 0,3° eine Empfindlichkeit von max. 20 [µK], das sind 20 Millionstel [K]! Rot in diesem Bild des Himmels bedeutet wärmer, blau kälter. Nun mag man auf den ersten Blick denken "Aha, ein nettes Bild, aber was sehe ich hier?" Zunächst einmal ist das die Ansicht des Universums, als es gerade 379 000 Jahre alt war. Zu diesem Zeitpunkt war der Kosmos bereits auf etwa 3000 [K] abgekühlt. Bis hin zu dieser Temperatur lag alle Materie vollständig ionisiert vor, d.h. es existierten noch keine Atome, sondern Protonen, Neutronen und Elektronen führten ein eigenständiges Leben. Das aber war von der Strahlung beherrscht! Die Photonen der Strahlung kollidierten ständig mit den Teilchen, wurden von ihnen absorbiert, sogleich wieder emittiert und erneut absorbiert usw. Diese Streuung der Photonen "glättete" das noch junge Universum, geringe Schwankungen der Dichte und Temperatur wurden sogleich ausgeglichen.

Nun aber, ab 3000 [K], änderte sich schlagartig alles! Die Protonen konnten jetzt die Elektronen einfangen und Atome bilden (überwiegend Wasserstoff und Helium). Die Streuung der Photonen an den geladenen Teilchen hörte damit schlagartig auf und das Universum wurde durchsichtig. Denn nun konnten die Photonen frei ihrer Wege ziehen und sich ungehindert bewegen. Genau diesen Moment der kosmischen Geschichte sehen wir auf dem Bild. Sterne oder Galaxien konnten zu diesem frühen Zeitpunkt noch gar nicht existieren und sind deshalb auch nicht zu sehen. Wieso aber sind die feinen Temperaturunterschiede so wichtig für uns, dass man solch kostspielige und empfindliche Geräte wie die WMAP entwickelte? Nun, der Theorie zufolge sollten im jungen Kosmos geringe Schwankungen der Dichte bzw. Temperatur auftreten, die so genannten Fluktuationen. Wie schon gesagt, wurden sie durch den Strahlungsdruck lange Zeit geglättet. Nach der Rekombination, der Vereinigung von Elektronen und Protonen war das nicht mehr der Fall und die Fluktuationen "froren" aus. Aus den etwas dichteren, heißeren Zonen sollten sich später die Galaxienhaufen bilden, die etwas dünneren Gebiete wurden dann zu den großen Leerräumen, die wir heute beobachten. Doch zunächst wollen wir sehen, wie und woraus das Universum überhaupt entstehen konnte.

Geburt aus dem Nichts?

Was war vor dem Urknall, was also vor dem Beginn unseres Universums? Das ist eine der am häufigsten gestellten Fragen, auf die es keine nachprüfbare Antwort geben kann. Lassen wir zunächst vor unserem geistigen Auge den Film der kosmischen Entwicklung rückwärts laufen. Das All zieht sich dabei immer mehr zusammen, bis alles schließlich in einem winzigen, fast unendlich kleinen Punkt verschwindet, der Singularität. Diese würde entstehen, wenn wir alles bis zum Zeitpunkt Null zurück rechnen. Die Frage ist dabei, gibt es überhaupt Singularitäten im Kosmos? Wenn ja, erübrigt sich die Suche nach dem DAVOR, denn wir wissen nicht, durch welchen Prozess solch eine Singularität entstehen könnte. Es gibt aber viele andere Möglichkeiten, die von verschiedenen Wissenschaftlern in Betracht gezogen werden und die z.T. auch gleich eine Aussage über die künftige Entwicklung mitliefern:

* Gabriele Veneziano/Maurizio Gasperini gehen von der Superstringtheorie aus und postulieren ein Stringvakuum als einfachsten Grundzustand. Wie wir wissen, ist das Quantenvakuum Fluktuationen ausgesetzt, und irgendwann könnte sich eine höchst kritische Energiedichte ausbilden. Das kann zu einem Kollaps führen und zum Abschnüren eines Universums. Nach diesem Modell könnte es unzählige Kosmen geben.
* Albert Einstein ging noch von einem statischen Universum aus. Es war immer da und bleibt ewig so, wie es ist. Einstein verwarf diesen Gedanken jedoch nach Hubbles Entdeckungen.
* Fred Hoyle, Thomas Gold und Hermann Bondi vertraten weiterhin die Steady State Theorie, die ebenfalls von einem nahezu unveränderlichen All ausgeht. Da die Galaxien auseinander driften, postulieren sie ein "Schöpfungsfeld", welches die Expansion verursacht und aus dem genau soviel Materie erschaffen wird (aus der neue Galaxien gebildet werden), wie Galaxien aus dem Universum durch die Expansion verschwinden. Nach einer Neufassung dieser Theorie, der Quasi-Steady-StateTheorie, an der auch Geoffrey Burbidge beteiligt war, gibt es kein umfassendes Schöpfungsfeld mehr und auch keine gleichmäßige expansive Entwicklung (Big Stream) des Universums, sondern lokale Schöpfungsfelder, die spontan Materie (Wasserstoffatome) hervorbringen. Übrigens stammt der Begriff Big Bang (Urknall) von Fred Hoyle, der ihn allerdings mehr als Schimpfwort für die Gegner seiner Theorie verstand.
* Stephen Hawking, Alexander Friedmann und Roger Penrose offerieren uns den Urknall (Big Bang). Wie der Fantasy- Autor Terry Pratchett formuliert:

Am Anfang war das Nichts - und das ist dann explodiert

Der Kosmos entstand demnach aus einer Singularität, wie schon angedeutet und expandiert seitdem. Ist die Massendichte des Universums groß genug, wird aufgrund der Eigengravitation die Expansion irgendwann gestoppt und umgedreht. Das All implodiert wieder bis zur Singularität im so genannten Big Crunch ("Grosses Knirschen").

Eine andere Version des Urknalls geht vom Big Whimper ("Grosses Wimmern") aus. Die Eigengravitation des Kosmos ist zu klein, um die Expansion anzuhalten, so dass es ewig expandiert und den Kältetod stirbt.
* Ein anderes Modell, der Big Bounce ("Großer Aufprall") wurde von W. Priester, H.-J. Blome, J. Hoell 1989 entwickelt. Hier geht man von einem unendlich ausgedehnten, homogenen und materiefreien Anfangsuniversum aus, bestehend aus einem hochenergetischen Quantenvakuum. Dieser vakuumdominierte Kosmos kontrahiert irgendwann bis zu einem kleinen, aber endlichen Volumen, um daraufhin zu expandieren. Nun bildet sich unser gewohntes, strahlungs- und materiedominiertes Universum aus.
* Geht das herkömmliche Urknallmodell vom Big Crunch oder Big Whimper aus, findet Robert Caldwell eine weitere Variante des Big Rip ("Großes Zerreißen"). Unser aktuelles Wissen deutet mit hoher Wahrscheinlichkeit darauf hin, dass der Kosmos ewig expandieren wird (Big Whimper- Modell). Nach dem Big Rip könnte die Expansion jedoch zeitlich begrenzt sein, wenn eine exotische Form der schon befremdend genug anmutenden Dunklen Energie, die so genannte Phantom- Energie, künftig bis zu schier unendlich hohen Energiedichten anwächst. Die Folge davon wäre ein Zerreißen von allem, was sich im Universum befindet: Galaxien, Sterne, Planeten, Menschen, Hühner, ja selbst Atome und Elementarteilchen würden zerrissen! Einfach deshalb, weil diese Phantomenergie alle anderen Naturkräfte übertrumpft. Ein solches Ende des Universums könnte in etwa 50 Milliarden Jahren bevorstehen.
* Das Zyklische Universum nach Paul Steinhardt geht nicht von einer Singularität aus, sondern dass unser Kosmos eine Bran (abgeleitet von Membran) darstellt, die sich in einem aus 4 Raum- und einer Zeitdimension bestehendem Bulk- Universum bewegt. Diese Bran könnte mit einer anderen zusammenprallen, was eine Art Urknall auslöst. Nun expandieren beide Branen und entfernen sich gleichzeitig bis zu einer maximalen Distanz, um daraufhin wieder mit einer neuen Annäherungsphase zu beginnen.
* Ebenfalls von Paul Steinhardt stammt die Theorie des Ekpyrotischen Universums. Ähnlich wie im vorstehenden Modell kollidieren zwei Branen, bleiben jedoch aneinander "kleben" und die ernorme, freigesetzte Energie bildet den Urzustand unseres Universums.
* Ein Universum kann gewissermaßen auch aus sich selbst entstehen, meinen Richard Gott III und Li-Xin Li. Nämlich dann, wenn die Zeit nicht immer in derselben gewohnten Richtung - linear - geflossen ist, sondern einmal kreisförmig verlief, in sich geschlossen. War das der Fall, so ist irgendwann diese Zeitschleife aufgebrochen und verläuft seitdem linear in die Zukunft. Das Universum hätte damit einen Anfang gehabt, wäre aus sich selbst entstanden und nicht aus einem Anfangszustand.

Es gibt noch eine ganze Reihe weiterer Ideen zur Entstehung und Zukunft des Universums, die genannten sollen zur Orientierung aber genügen. Alle Modelle basieren auf der Allgemeinen Relativitätstheorie oder gehen von einer noch nicht gefundenen Theorie der Quantengravitation aus. Mehr oder weniger sind das alles Spekulationen, wenn auch auf hohem wissenschaftlichen Niveau, jedoch ist keine der gemachten Aussagen in irgendeiner Form nachprüfbar. Was wir aber machen können, ist eine fundierte Analyse der WMAP- Daten, die uns wenigstens etwas über die Frühzeit unseres Universums verrät. Eines steht jedenfalls fest: Alle gemachten Beobachtungen weisen darauf hin, dass einst unser gesamtes Universum aus einem winzig kleinen Raumgebiet entstand.
Der 'wahre' Auslöser des Urknalls

Musik im Kosmos

Wie bereits oben gezeigt, entdeckte Cobe Schwankungen in der kosmischen Hintergrundstrahlung. Noch aufregender sind die Details winziger lokaler Schwankungen, die der Satellit WMAP fand. In nachstehendem Bild sehen wir eine höhere Auflösung einer WMAP- Aufnahme:

Die Schwankungen des Mikrowellenhintergrundes entsprechen den Erwartungen des kosmologischen Standardmodells. Ende der 1960er Jahre erkannte Philip James Edwin Peebles, dass der CMB feine Schwankungen aufweisen müsste. Unabhängig davon kamen zur selben Zeit die Moskauer Astrophysiker Yakov Borisovich Seldowitsch und Rashid A. Sunjajew zur selben Voraussage. Die feinen Schwankungen, Fluktuationen der Dichte des frühen, sehr heißen Plasmas aus Photonen und den Elementarteilchen, pflanzten sich wie in einem normalen Gas fort. Das waren sich ausbreitende Folgen von Verdichtungen und Verdünnungen. Wenn so etwas in der uns umgebenden Luft stattfindet, so nennen wir dies Schall, und nichts anderes durchlief damals den Kosmos. Zur Zeit der Rekombination, als die Photonen nicht mehr an der Materie streuten, wurde das von den Schallwellen erzeugte Muster im CMB fixiert, quasi eingefroren.

Die Entwicklung des UniversumsDer charakteristische Klang eines Musikinstrumentes entsteht, weil zur Grundschwingung eines Tones zahlreiche Obertöne entstehen. Das sind Schwingungen mit z.B. ½ oder ¼ der Grundwellenlänge, also einem ganzzahligen Vielfachen. Auch die Schallwellen im Universum wiesen solche Obertöne auf. Wenn sich Schall in einem Medium ausbreitet, so geschieht dies durch Stöße einzelner Teilchen. Ist die Wellenlänge kleiner als die Distanz der einzelnen Teilchen, kommt die Welle zum Erliegen, da sie sich nicht mehr fortpflanzen kann. In der Luft sind diese Abstände winzig klein, im frühen Kosmos, der durch eine inflationäre Phase ungeheuer aufgebläht war (dazu später mehr), waren die Teilchenabstände bereits auf 10 000 Lichtjahre angewachsen. Zu dieser Zeit, der Rekombination, manifestierten sich die Schallwellen in der Hintergrundstrahlung. Die Größe der heißen und kalten Flecken verraten den Kosmologen nun die Frequenzen der Schallwellen. Die größten Strukturen zur Zeit der Rekombination hatten Durchmesser von 1 Million Lichtjahren und sind durch die Expansion auf heute 1 Milliarde Lichtjahre angewachsen. Diese heißen und kalten Flecken entsprechen der Grundschwingung, während kleinere Details auf die Obertöne schließen lassen.

Aus diesen auf den ersten Blick so unscheinbaren Flecken können die Kosmologen noch viel mehr ableiten. Durch die Schallwelle und uns als Beobachter wird ein Dreieck aufgespannt, und man kann daraus errechnen, wie groß die Winkelsumme ist. Wozu? Nun, nur die Winkelsumme in einem euklidischen Dreieck beträgt exakt 180°, ist die Raumzeit des Universums dagegen positiv oder negativ gekrümmt ist sie kleiner oder größer. Das ist direkt abhängig von der Energiedichte des Kosmos, die den Messungen nach nahe der kritischen Dichte von 10-29 [g/cm3] liegt. Demnach leben wir in einem offenen, ewig expandierenden Universum, denn unser Kosmos ist euklidisch!

In der zu sehenden Bildsequenz werden verschiedene Entwicklungsphasen des Universums dargestellt. Die Hintergrundstrahlung kennen wir schon. Aus den Fluktuationen bilden sich nun materieverdichtete Zonen und verdünnte Räume. Die Schwerkraft sorgt dafür, dass sich nun mehr und mehr Materie in bestimmten Strukturen anordnet und die verdünnten voids, die riesigen Leerräume, immer mehr leergefegt werden. Galaxienhaufen strukturieren sich, erste Sterne zünden bereits 200 Millionen Jahre nach dem Urknall und Galaxien bilden sich aus.

Die Strukturen der Hintergrundstrahlung haben den Kosmologen noch eine weitere Bestätigung ihres Modells der Entwicklung des Universums geliefert. Wir wissen heute, dass die Masse der leuchtenden Materie - also Sterne, Galaxien oder Gaswolken - den geringsten Anteil am Aufbau des Universums hat. Dabei haben die Sterne noch den kleinsten Anteil, die Hauptmasse ist in den Gaswolken versammelt. Aus differenzierten Analysen der Oberton- Schallwellen konnte man nun den Aufbau des Universums sehr genau bestimmen. Die sichtbare Materie macht demnach nur etwa 4% aus. Schon lange bekannt ist die Existenz einer für uns unsichtbaren Dunklen Materie, was man z.B. durch Messungen von Bahngeschwindigkeiten der Sterne in Galaxien ableiten kann. Ihr Anteil liegt bei 23%.

Aufbau des UniversumsUnserem heutigen Verständnis nach bildete die Dunkle Materie zur Zeit der Rekombination filamentartige Strukturen aus. Weil sie seinerzeit der dominante Part im Universum war, musste sich aufgrund ihrer gravitativen Wirkung alle Materie entlang dieser Strukturen anordnen. Der Löwenanteil aber von 73% kommt den Auswertungen der WMAP- Wissenschaftler zufolge heute der mysteriösen Dunklen Energie zu. Durch die Beobachtung und genaue Entfernungsbestimmung von Supernovae in den vergangenen Jahren müssen wir uns mit dem Gedanken anfreunden, dass sich die Expansion des Kosmos weiter beschleunigt. Die treibende Kraft für diesen Effekt stellt die Dunkle Energie dar. Sie ist eines der größten Rätsel der modernen Kosmologie. Vielleicht löst sich dieses jedoch in Luft auf, wenn einer neuen Überlegung zufolge diese Dunkle Energie aus Gravitationswellen des frühen Universums besteht...

Das Standardmodell

Häufig wird die Frage gestellt, wo denn im Universum der Ort zu finden ist, an dem der Urknall stattfand. Gibt es ihn tatsächlich? Wer das vorherige Kapitel gelesen hat kann die Antwort vielleicht schon geben: Einen solchen Ort gibt es nicht. Den Urknall selbst kann keine physikalische Theorie beschreiben, aber wir wissen, dass erst mit ihm die Materie, Raum und Zeit entstanden. Welche der z.T. recht fantasievollen Spekulationen auch zutreffen mag, alles deutet darauf hin, dass unser Kosmos einmal in einem unfassbar kleinen Zustand begann. Dieses winzige Etwas expandierte irgendwann (der Begriff irgendwann ist an sich schon irreführend, da er eine Zeitangabe macht. Die Zeit entstand jedoch erst mit dem Urknall) und durch irgendeinen Auslöser. Wir befinden uns heute irgendwo mitten in diesem Geschehen, und damit ist der Ort des Urknalls überall im Universum, er ist das Universum.

Sehen wir uns aber nun die Geschichte des Kosmos ein wenig näher an, das Standardmodell zur Entstehung des Universums.

Viele Gründe sprechen heute für dieses Standardmodell:

 

[H2SO4]

* Wie bereits besprochen, die kosmische Hintergrundstrahlung (CMB),
* die Rotverschiebung der Galaxien, die auf eine fortschreitende Expansion des Universums hinweist,
* das Grenzalter der ältesten Sterne, es finden sich keine Sterne, die älter als etwa 13 Milliarden Jahre sind,
* und nicht zuletzt die Verteilung der Elemente im Kosmos (vor allem von Wasserstoff, Helium und Deuterium), die sehr gut mit den theoretischen Voraussagen übereinstimmt.

Jede Expansion muss einen Anfang haben, so auch unser Kosmos, der zum Zeitpunkt Null entstand. Darauf kommen wir, wenn wir die Geschichte des Universums wie in einem Film rückwärts laufen lassen. Alles zieht sich zusammen, wird immer kleiner bis sich schließlich ein Punkt (?) zum Zeitpunkt Null ergibt? Nein, hier versagen alle physikalischen Gesetze. Wir können den Anfangszustand nicht beschreiben, der den Startschuss vor 13,7 Milliarden Jahren gab. Die Bezeichnung Urknall verleitet häufig dazu, von einer gewaltigen Explosion auszugehen. Eine Expansion wie die unseres Kosmos ist jedoch etwas völlig anderes, denn hier wurde nicht etwas durch eine Kraft zerstört und in alle Richtungen weggeschleudert.

Geschlossenes oder offenes Universum?

Die Expansion des Universums muss mit gewaltiger Kraft stattgefunden haben, da sie ja noch heute anhält. Die Größe der Expansionsgeschwindigkeit verrät uns die Hubble- Konstante, sie ist abhängig von der im gesamten Kosmos vorhandenen Masse und Energie, kurz Energieinhalt genannt. Ist er groß genug, wird eines fernen Tages die Expansion durch die Eigengravitationswirkung (auch Energie wirkt gravitativ!) zum Stillstand kommen und sich umkehren. Dann wird eine Kontraktion einsetzen, die alle Materie wieder letztendlich in einem Punkt, einer Singularität zusammenzieht (Big Crunch). Damit dies geschehen kann, muss die Energiedichte über der so genannten kritischen Dichte von 10-29 [g/cm3] liegen. Ein solches Universum nennt man geschlossen, da es nur bis zu einer bestimmten, durch die Gravitation der Gesamtmasse erlaubten Größe expandieren kann und anschließend wieder kontrahiert.

Im Gegensatz dazu steht ein offenes Universum, wenn die kritische Dichte unterschritten wird. Es würde bis in alle Ewigkeit weiter expandieren und den Kältetod sterben. Irgendwann wäre der gesamte Kosmos auf den absoluten Nullpunkt (0 [K] oder -273 [°C]) abgekühlt, stockfinster und ohne jegliche Strahlung, in 1014 Jahren würden die letzten Sterne erlöschen. Nur Schwarze Löcher gäbe es noch im All, kalte Neutronensterne, Schwarze Zwerge und natürlich völlig verwaiste, tote Planeten. Nach 1064 Jahren lösen sich in einem solchen Szenario die Galaxien auf und vielleicht nach 10600 (!) Jahren wäre selbst der härteste Eisenkern zerfallen. Zu diesem Zeitpunkt, der auch bis 101000 Jahre währen kann, verdampfen auch die größten Schwarzen Löcher.

Wird der Wert der kritischen Dichte gerade erreicht, leben wir in einem flachen Universum. Demnach könnte durch die Eigengravitation der Materie und Energie im All die Expansion irgendwann zwar zum Stillstand kommen, sich jedoch nicht mehr zu einer Kontraktion umkehren. Auch hier wäre der Kältetod unausweichlich. Den WMAP- Messungen nach ist die kritische Dichte jedoch knapp unterschritten, womit das Universum bislang als ein offenes gilt.

Die Planck- Ära

Doch zurück zum Urknall. Zum Zeitpunkt Null interpolieren wir das gesamte Universum als in einem einzigen Punkt, einer Singularität, vereinigt. In diesem Zustand gingen die Ausdehnung gegen unendlich klein, Druck und Temperatur gegen unendlich groß. Unter diesen Bedingungen war es ohne Zeit und Raum, denn Zeit als Kontinuum und auch der Raum verlieren unterhalb der Planckzeit (10-43 ) bzw. der Plancklänge (10-35 [m]) ihre Eigenschaften. Den Zeitraum zwischen Null und der Planckzeit nennt man die Planckära. Möglicherweise gab es so etwas wie ein primordiales (urzeitliches) Quantenvakuum von vollkommener Symmetrie und mit beliebig vielen Dimensionen. So wie in einem uns geläufigen Vakuum spontan virtuelle Teilchenpaare entstehen können, war es im primordialen Quantenvakuum vielleicht möglich, dass spontane Symmetriebrechungen auftraten. Aus einer solchen Symmetriebrechung könnte das Universum entstanden sein - zumindest hilft uns diese Vorstellung, die Singularität zu vermeiden. Welche Entwicklungen sich im Kosmos während der Planckära abspielten, ist mit unserer bisherigen Physik nicht erfassbar. Auch ist es bisher nicht gelungen, hierzu eine Theorie zu entwickeln. Erst mit dem Ende der Planckära setzt die kosmische Entwicklung ein, die für uns beschreibbar ist. Nun entstehen viele aufeinander folgende, einzelne kurze Entwicklungsphasen, deren Betrachtung höchst interessant ist.

Zur Planckzeit ist der Kosmos 1032 [K] heiß, hat eine Größe von 10-35 [m] und eine Dichte von 1094 [g/cm3]. Aufgrund der Unschärferelation, welche besagt, dass man niemals gleichzeitig den Aufenthaltsort und den Energieinhalt eines Teilchens beliebig genau bestimmen kann ist das All noch so klein, dass man nicht entscheiden kann ob es ein Teilchen umschließt oder nicht. Es muss irgendwie "verschmiert" gewesen sein, völlig undefiniert.

RöntgenhintergrundEinen tiefen Blick in den jungen Kosmos gestattet diese Aufnahme des XMM-Newton- Röntgenteleskops. In der Falschfarbendarstellung sieht man schwache Quellen in Rot, ihre Energie ist "nur" 500- fach höher als im sichtbaren Licht. 10 000- Mal heller strahlen Quellen in den Farben grün und blau. Diese hellen Röntgenstrahler zeigen Schwarze Löcher in weit entfernten Galaxien. Hier wird die harte Röntgenstrahlung erzeugt, weil Materie durch die Reibung in Akkretionsscheiben extrem erhitzt wird und anschließend in das Schwarze Loch einfällt. Bedingt durch die hohen Temperaturen strahlt die Materie überwiegend im Röntgenbereich.

Supersymmetrie und Inflation: GUT- Ära

Alle Naturkräfte (Gravitation, elektromagnetische Kraft sowie starke und schwache Wechselwirkung) sind bis zur Planckzeit noch in einer einzigen Kraft, der Urkraft vereinigt, Energie und Materie bis zur Unkenntlichkeit verzerrt. Man spricht hierbei von der Supersymmetrie des Alls, weil die einzelnen Kräfte nicht mehr unterscheidbar sind. Im Alter von 10-43 spaltet sich die Gravitation aus der Urkraft, der Vereinigung der Naturkräfte, ab. Die drei anderen Wechselwirkungen bleiben weiterhin in einer einzigen Kraft ununterscheidbar vereinigt, nach der so genannten GUT (Grand Unified Theorie, Große Vereinheitlichung) als X- Kraft bezeichnet. Damit schließt sich an die Planckära die GUT- Ära an.

Die Geschichte des Universums Die einzelnen Wechselwirkungen werden durch Austauschteilchen übertragen, die man Bosonen nennt. So beispielsweise die elektromagnetische Kraft durch Photonen als Austauschteilchen. Die X- Kraft, die nur eine extrem kurze Reichweite hatte, wurde von z.T. superschweren Bosonen, den X- Bosonen und den Y- Bosonen übertragen. Von jeder Sorte gab es jeweils 3 verschiedene Teilchen sowie die zughörigen Antiteilchen. Zusammen bezeichnet man sie als Leptoquarks, weil sie später in Quarks und Leptonen (Leptonen sind z.B. Elektronen oder Neutrinos) zerfallen. Im Alter von 10-36 spaltet sich die Starke Wechselwirkung ab, es findet eine Symmetriebrechung statt. Das kann man sich als einen Phasenübergang vorstellen, ähnlich dem, wenn flüssiges Wasser in kristallines Eis bei Abkühlung übergeht. Wir sollten uns dabei vor Augen halten, dass unser Universum zu diesem Zeitpunkt noch immer aus "purer Energie" besteht und ungeheuer kompakt und dicht ist.

Die Starke Wechselwirkung ist für den Zusammenhalt der Kernteilchen verantwortlich. Wenn wir Wasser unter Druck abkühlen, so erstarrt es nicht bereits bei 0 [°C] zu Eis, sondern bleibt weiterhin flüssig - es ist unterkühlt. Die Kristallisation tritt verzögert ein, dann aber wird überschüssige Energie spontan freigesetzt. Ähnliches geschah auch im Alter von 10-36 , als sich die Starke Wechselwirkung abkoppelte. Bei dieser Symmetriebrechung wurde Energie freigesetzt, die zu einer Beeinflussung des so genannten Quantenvakuums führte. Bisher war es ein normales Vakuum, durch die Unterkühlung kippt es jedoch um und wird in ein Falsches Vakuum verwandelt. Die Energiedichte dieses Vakuums bleibt unverändert, aber sein Druck wird negativ und wirkt gravitativ abstoßend. Das bläht nun unseren Kosmos exponentiell auf! Alle 10-35 Sekunden verdoppelte er seine Größe, der ganze Zauber war aber bereits im Alter von 10-33 wieder vorüber, das falsche Vakuum ging wieder ins echte über und die Expansionsrate normalisierte sich.

Diesen Zeitabschnitt nennen wir die Inflationsphase.

Alan GuthDas Modell des inflationären Universums geht auf den Physikprofessor Alan Guth zurück. Zwischen den Zeitabschnitten 10-35 und 10-33 dehnt sich das Universum um etwa den Faktor 1030 auf. Das bedeutet, dass es sich in einem Zeitraum von nur 10-32 vom Durchmesser 10-52 [cm] auf 10 [cm] aufbläht. Das Universum ist aber immer noch so heiß, dass sich gemäß Einsteins berühmtester Gleichung E = mc2 ständig Teilchen und Energie (die in Form von Strahlung das All erfüllt) ineinander umwandeln - Teilchen und Energie befinden sich im thermischen Gleichgewicht.

Der Teilchen- Zoo

Bevor wir uns weiter in der Geschichte des Universums vorwärts bewegen, ist es sinnvoll, wenn wir uns mit den wichtigsten Teilchen vertraut machen, aus der unsere Materie aufgebaut ist und die in der Natur eine Rolle spielen. Gemeint sind damit natürlich nicht die leckeren Süßspeisen, die wir so gerne zum Kaffee vernaschen!

Unter elementaren Teilchen verstehen wir winzige Partikel ohne messbare innere Struktur, sie sind also nicht weiter in Subpartikel teilbar. Eine grobe Einteilung können wir anhand des Spins vornehmen, unter dem man sich eine Art Eigendrehimpuls vorstellen kann, der jedoch quantisiert ist und Werte von 0, ½, 1, 2 usw. annehmen kann.

Teilchen mit halbzahligem Spin - Fermionen

Fermionen sind die Grundbausteine unserer gewohnten Materie und haben den Spin ½. Zu jedem Fermion existiert ein Antiteilchen mit entgegengesetzter Ladung. Zum Standardmodell der Teilchenphysik zählen 12 Fermionen, die wir in Quarks und Leptonen einteilen. Quarks weisen dabei eine Farbladung (rot, blau und grün, die Ladung hat in Wirklichkeit aber nichts mit einer Farbe zu tun) auf, die Leptonen dagegen nicht:

Quarks existieren in 6 "Geschmacksrichtungen" ("flavour", die Physiker sind manchmal nicht zimperlich bei der Namensgebung von Eigenschaften) und wechselwirken über die Farbladung:

 

[H2SO4]

* up- Quark (Antiup- Quark)
* down- Quark (Antidown- Quark)
* charm- Quark (Anticharm- Quark)
* strange- Quark (Antistrange- Quark)
* top- Quark (Antitop- Quark)
* bottom- Quark (Antibottom- Quark)

Leptonen wechselwirken nicht über eine Farbladung, kommen aber auch in 6 Geschmacksrichtungen vor:

* Elektron (Positron oder Antielektron)
* Myon (Antimyon)
* Tauon (Antitauon)
* Elektron- Neutrino (Antielektron- Neutrino)
* Myon- Neutrino (Antimyon- Neutrino)
* Tau- Neutrino (Antitau- Neutrino

Die Supersymmetrie sagt weitere Fermionen voraus, von denen bislang jedoch noch keines nachgewiesen werden konnte:

* Neutralino, ein Superpartnerteilchen diverser Teilchen des Standardmodells, ein heißer Kandidat für die Dunkle Materie
* Photino, ein Superpartner des Photons
* Gravitino (Spin 3/2), ein Superpartner des Gravitons (welches ein Boson ist)

Teilchen mit ganzzahligem Spin - Bosonen

Bosonen sind die Austauschteilchen der 4 Wechselwirkungen, dazu gehören:

* Photon (Spin 1) - es überträgt die elektromagnetische Kraft
* W+, W- und Z0- Bosonen (Spin 1) sind die Botenteilchen der schwachen Wechselwirkung, man nennt sie auch Weakonen (abgeleitet von weak force = schwache Kraft). Das W+- Boson mit positiver elektrischer Ladung ist das Antiteilchen des W-- Bosons. Beides sind sehr schwere Teilchen mit extrem kurzer Lebensdauer. Im Gegensatz zum Z0- Boson, das elektrisch neutral ist und sein eigenes Antiteilchen, ist die Existenz der beiden W- Bosonen nachgewiesen.
* 8 Gluonen (Spin 1) übertragen die starke Wechselwirkung. Sie sind verantwortlich für den Zusammenhalt der Quarks, die ihrerseits die Bausteine der Hadronen (Baryonen (Protonen und Neutronen) und Mesonen) sind. Sie tragen Farbladungen (rot, grün, blau) und können daher mit anderen Teilchen mit Farbladungen wechselwirken, somit auch untereinander.
* Das Higgs- Boson, bislang nur theoretisch vom Standardmodell vorausgesagt, verleiht den Teilchen ihre Masse. Man hofft, es mit dem neuen LHC (Large Hadron Collider) am Cern nachweisen zu können. Es ist 100 bis 250- mal schwerer wie ein Proton, hat keine elektrische Ladung und den Spin 0.

Neuere Theorien postulieren weitere Bosonen, deren Existenzbeweis noch aussteht:

* Das Graviton ist Botenteilchen der Gravitation und spielt eine wichtige Rolle in der Quantengravitation. Es hat den Spin 2.
* Das Graviphoton ist ein weiterer Superpartner des Gravitons mit Spin 1.
* Als Superpartnerteilchen werden so genannte Sleptonen und Squarks vorausgesagt.
* 3 X- und 3 Anti- X- Bosonen sowie 3 Y- Bosonen mit ihren Antiteilchen werden von der GUT vorausgesagt. Man bezeichnet sie auch als Leptoquarks, weil sie in Leptonen und Quarks zerfallen. Zwar auch noch nicht nachgewiesen, ist ihre Existenz sehr wahrscheinlich, da sie am Ende der GUT- Ära in genannte Bestandteile zerfielen und so erst die uns bekannte Materie entstehen konnte. Insgesamt liegen damit 24 Bosonen vor uns, 12 des Standardmodells (1 Photon, 3 Weakonen und 8 Gluonen) und die 12 schweren Bosonen, die bis über tausendmal schwerer als ein Proton sein konnten.

Bisher haben wir nur elementare Teilchen betrachtet, die nicht weiter teilbar sind. In der Natur haben wir es jedoch häufig mit Teilchen zu tun, die aus anderen, eben den elementaren Bausteinen zusammengesetzt sind. Da ist zunächst die Gruppe der Hadronen, Teilchen, die der starken Wechselwirkung unterliegen und aus Quarks zusammengesetzt sind. Bestehen sie aus je einem Quark und einem Antiquark, sprechen wir von Mesonen, je 3 Quarks setzen sich zu einem Baryon zusammen (bzw. 3 Antiquarks zu einem Antibaryon):

* Mesonen haben den Spin 0 oder 1 und sind sehr kurzlebige Teilchen. Zu ihnen zählen z.B. das Pion, das Kaon oder das Eta- Meson.
* Baryonen haben einen halbzahligen Spin und gehören damit der Klasse der Fermionen an (alle Teilchen sind entweder ein Fermion oder ein Boson, da entweder halbzahliger oder ganzzahliger Spin). Fermionen unterliegen dem Pauli- Prinzip und zu ihnen zählen wir neben den Baryonen wie Proton und Neutron auch die Leptonen und Quarks.

Der "Teilchenzoo" beinhaltet heute noch weitere, exotisch anmutende Teilchen wie

* Tetraquarks, Partikel aus je 2 Quarks und Antiquarks, Pentaquarks bestehen aus zwei Up-, zwei Down- und einem Antistrange-Quark
* So genannte Glueballs sind zwar noch nicht nachgewiesen, ihre Existenz ist jedoch wahrscheinlich. Sie sind ausschließlich aus Gluonen zusammengesetzt, tragen eine Farbladung und unterliegen der starken Wechselwirkung
* Hybriden bestehen aus einem oder mehreren Quark- Antiquarkpaaren und einem oder mehreren Gluonen.

Insgesamt kennt man heute einige Hundert verschiedene Teilchen, doch wollen wir uns mit dieser Übersicht begnügen. Damit haben wir nun das Rüstzeug, um in unserer Geschichte des Universums fortzufahren:

Baryogenese

Unter der Baryogenese versteht man den kosmischen Zeitabschnitt, in welchem die baryonischen Teilchen entstanden. Er ist gekennzeichnet durch das Auftreten der schweren Bosonen und damit identisch mit der GUT- Ära.

Zerfall eines X- BosonsAm Ende der GUT- Ära, also als das Universum ein Alter von 10-36 erreicht, können die schweren Bosonen und Antibosonen nicht länger existieren und beginnen in Quarks und Leptonen sowie deren Antiteilchen zu zerfallen. Nebenstehend ist skizziert, wie ein solches Boson beispielsweise in up- Quarks oder in Antidownquarks und Positronen zerfallen kann.

Wenn aber ein Materie- auf ein Antimaterieteilchen trifft, so zerstrahlen sich beide sofort zu hochenergetischen Photonen (Annihilation)! Das Universum war zu diesem Zeitpunkt noch sehr kompakt und die Teilchenkollisionen daher höchst häufig. Eigentlich sollte man meinen, dass Materie und Antimaterie jetzt exakt im selben Verhältnis auftraten. Zu unserem Glück bestand aber eine Asymmetrie in diesem Verhältnis, sonst würde das Universum heute keine Materie enthalten!

Wie aber ist das Missverhältnis von Materie zu Antimaterie zu erklären? Materieteilchen sollten exakt dieselben Wechselwirkungen zeigen wie ihre Antiteilchen, da beide gleich sind bis auf ihre spiegelverkehrten Eigenschaften.

Andrei Dmitrijewitsch Sacharow Der russische Physiker Andrei Dmitrijewitsch Sacharow (1921 bis 1989) hat dazu eine Erklärung gefunden. Wenn wir uns einmal in einem Spiegel betrachten und unseren Körper in Gedanken exakt in eine rechte und linke Hälfte spalten, so erscheinen uns beide Hälften auf den ersten Blick spiegelsymmetrisch zu sein. Erst bei genauerem Hinsehen erkennen wir kleine Unterschiede, z.B. Sommersprossen. Nun stellen wir uns naiv ein Teilchen als kleines kugelförmiges Gebilde vor. Es sollte noch mehr als unsere Körperhälften symmetrisch sein, und zwar in allen Richtungen. Das trifft in der Tat auch auf die meisten Teilchen und ihre Wechselwirkungen zu, man sagt die Parität (P) sei erhalten (Parität = Gleichwertigkeit). Eine Ausnahme macht dabei aber die schwache Wechselwirkung. Teilchen haben neben dieser räumlichen noch eine andere wichtige Eigenschaft, ihre Ladung. Auch hier gibt es eine Symmetrie, denn zu jedem Teilchen existiert ein entgegengesetzt geladenes Antiteilchen. In unsere Welt übersetzt würde das bedeuten, dass es neben Hühnern auch Antihühner gäbe. Seien wir froh, dass uns zum Frühstück keine Antieier serviert werden*! Diese als Ladungskonjugation bezeichnete Symmetrie (C, von engl. charge, Ladung) verwandelt also ein Teilchen in ein Antiteilchen unter Umkehr der Vorzeichen aller elektrischer Ladungen. Die schwache Wechselwirkung ist auch hier wieder für Ausnahmen zuständig.

* Man könnte zu diesem Zeitpunkt die Vorliebe des Autors für dieses gefiederte Vieh in jedweder Zustandform vermuten, womit man gar nicht so falsch liegt...

Sacharow fand nun heraus, dass im frühen Kosmos die CP- Symmetrie bei der Paarvernichtung verletzt gewesen sein muss, und zwar um einen Faktor von 6 × 10-10. Der oben angedeutete Zerfall der X- Bosonen (sowie der dort nicht aufgezeigten Antibosonen) muss also leicht asymmetrisch gewesen sein. Das bedeutet im obigen Beispiel, dass die Wahrscheinlichkeit des Zerfalls in zwei up- Quarks etwas wahrscheinlicher war als derjenige in ein Positron und ein Antidown- Quark. Konkret haben die Teilchenphysiker eine solche CP- Verletzung bislang beim Zerfall so genannter K- Mesonen ("Kaonen") nachgewiesen. Sacharow (richtig geschrieben eigentlich Sakharov) stellte nun 3 Bedingungen auf, die erfüllt sein mussten, damit aus dem symmetrischen Anfangszustand des Universums eine Asymmetrie während der Baryogenese auftreten konnte:

* B- Verletzung
Hierunter versteht man eine Verletzung der Nettobaryonenzahl. Das bedeutet, dass zwischen Baryonen und Antibaryonen irgendwie ein Missverhältnis entstanden sein muss. Dieser offensichtliche Zustand ist im frühen Kosmos eingetreten, aber schwierig zu erklären. Denn bis heute wurde noch kein Prozess mit einer B- Verletzung beobachtet.
* CP- Verletzung
Das kombinierte Zusammenwirken von Parität und Ladungskonjugation verwandelt ein Teilchen in sein Antiteilchen. CP ist dabei symmetrisch, muss jedoch verletzt gewesen sein. Nehmen wir als Beispiel ein Teilchen X, welches in Protonen zerfällt. Dann muss auch sein Antiteilchen in Antiprotonen zerfallen, wobei die Anzahl beider Teilchensummen identisch sein sollte. Bei einer CP- Verletzung tritt Asymmetrie auf:

CP- Verletzung
* Verletzung des thermischen Gleichgewichts
So lange sich das Universum im thermischen Gleichgewicht befindet, muss statistisch gesehen die Anzahl der Teilchen mit derjenigen der Antiteilchen übereinstimmen. Das ist deshalb so, weil die einzige intrinsische Eigenschaft der Teilchen, von der die Gleichgewichtsverteilung abhängt, die Teilchenmasse ist. Es gibt nicht den kleinsten Hinweis darauf, dass wir glauben müssten, die Massen von Teilchen und ihren Antiteilchen seien unterschiedlich. Da sich aber ein Überschuss von Teilchen ergab, muss das thermische Gleichgewicht verletzt gewesen sein.

Dass eine CP- Verletzung auftreten kann, haben wir schon weiter oben am Beispiel der Kaonen gesehen. Sie allein ist jedoch nicht ausreichend, den Materieüberschuss zu erklären, zuwenigst muss auch eine B- Verletzung stattgefunden haben.

Nach der Abspaltung der starken Wechselwirkung blieben noch die elektromagnetische Kraft und die schwache Wechselwirkung zur elektroschwachen Kraft vereinigt übrig. In ihr könnte die Ursache zur Erschaffung unserer Materie liegen. Denn diese Kraft erlaubte Wechselwirkungen zwischen Quarks, also Baryonen, und Leptonen. Solche Wechselwirkungen bezeichnet man als Sphaleron- Prozess bzw. -Übergang. Botenteilchen dieser Wechselwirkungen waren die bereits oben erwähnten X- Bosonen. Der Sphaleron- Prozess ist ähnlich dem Quantentunneln von Teilchen.

TunneleffektDer Tunneleffekt spielt bei der Fusion von Wasserstoff in der Sonne eine bedeutende Rolle. Normalerweise würden die gleichnamigen, positiven Ladungen der Protonen sich gegenseitig abstoßen. Die Teilchen stehen somit vor einer unüberwindlichen Energiebarriere. Die Natur hat in der Quantenwelt jedoch ein Hintertürchen eingebaut: Ein Teilchen kann hin und wieder diesen "Energieberg" einfach wie durch einen Tunnel überwinden. Nur hierdurch ist es den Protonen möglich, miteinander zu verschmelzen.
Die Wechselwirkung der Baryonen mit den Leptonen stand vor einem ähnlichen Problem. Sie war nur durch den Tunneleffekt möglich, der normalerweise so extrem gering ist, dass wir ihn nicht in der Natur beobachten. Im frühen Kosmos jedoch war soviel an thermischer Energie vorhanden, dass der Übergang stattfinden konnte. Möglicherweise war die Temperatur sogar so hoch, dass die Energiebarriere völlig verschwand. Hierbei trat dann eine B- Verletzung (sowie eine L- Verletzung, Verletzung der Leptonenzahl L) auf. Das Sphaleron zeigt uns damit, dass tatsächlich eine Verletzung der Baryonenzahl und der CP- Symmetrie gegeben war.

Es gibt auch Hinweise darauf, dass gemäß der elektroschwachen Theorie eine Verletzung des thermischen Gleichgewichts möglich war. Wenn man in einen Topf mit kochendem Wasser sieht, erkennt man leicht, dass sich auf dem Boden Blasen von Wassergas bilden. Ähnliches könnte sich damals zugetragen haben, nur unter umgekehrten Bedingungen. "Blasen" könnten sich im abkühlenden All entwickelt haben. Innerhalb dieser Blasen haben Teilchen Masse, die uns gewohnte Physik ist gültig und die Sphaleron- Prozesse sorgen für die Asymmetrie der Baryonenzahl. Sie verlaufen hier jedoch extrem langsam und spielen kaum eine Rolle.

Außerhalb jedoch herrscht ein wahrhaft mysteriöser Zustand - die Teilchen sind masselos. Die Blasen dehnen sich aber aus und verdrängen alles, was außerhalb ist. Dort fehlt aber die Energiebarriere der Sphaleron- Prozesse, weshalb hier eine überaus starke Verletzung der Baryonenzahl auftritt. Bei andauernder Expansion der Blasen müssen die Teilchen durch die Blasenwand ins Blaseninnere diffundieren und erzeugen hier die endgültige Verletzung der Baryonenzahl.

Quark- Ära

Im Alter von 10-33 ist das Universum auf 1025 [K] abgekühlt, die letzten der schweren X- und Y- Bosonen zerfallen und können nicht mehr neu aus den Photonen gebildet werden. Aus der Strahlung können nun aber Quarks, die elementarsten Bausteine der Materie, sowie ihre Antiteilchen, die Antiquarks auskondensieren. Daneben existieren bereits die uns schon bekannten Leptonen wie z.B. die Elektronen und Neutrinos. Der Kosmos ist jedoch noch so heiß, dass diese Teilchen ständig und nach kürzester Zeit miteinander kollidieren und deshalb noch nicht die aus den Quarks bestehenden Neutronen und Protonen bilden können. Die uns geläufige Materie kann also noch nicht existieren, sehr wohl aber ein so genanntes Quark- Gluonen- Plasma. Gluonen sind die "Kleber-" Teilchen (glue, engl. "Klebstoff"), welche die Quarks normalerweise zu Protonen und Neutronen zusammenkitten. In diesem Plasma liegen jedoch all diese Teilchen frei beweglich und ungebunden nebeneinander vor. Bereits im Jahr 2000 konnte am Schweizer CERN für extrem kurze Zeit ein solches Quark- Gluonen- Plasma erzeugt und indirekt nachgewiesen werden.

Als das Universum ein Alter von 10-12 Sekunden erreicht hat, ist die Temperatur auf 1016 [K] abgesunken. Nun spaltet sich auch die noch bis hierhin gemäß der GUT übrig gebliebene elektroschwache Kraft in die schwache Wechselwirkung sowie die elektromagnetische Kraft auf. Alle 4 Naturkräfte sind damit voneinander unterscheidbar geworden und von nun an für immer getrennt. Unser Kosmos hat jetzt schon einige einschneidende Ereignisse hinter sich gebracht und tritt anschließend in ein neues Zeitalter ein.

Hadronen- Ära

Im Alter von 10-6 Sekunden beträgt die Temperatur noch 1013 [K]. Die Quarks können jetzt nicht mehr als freie Teilchen umherschwirren, sondern setzen sich zu den Hadronen zusammen und das Quark- Gluonenplasma verschwindet. Je weiter sich der Kosmos nun mit zunehmender Expansion abkühlt, umso mehr sterben die anfangs gebildeten, schweren Hadronen aus und nur Protonen und Neutronen sowie deren Antiteilchen können überleben.

TeilchenerzeugungDie Photonen im frühen All waren so energiereich, dass aus ihnen Teilchenpaare entstehen konnten. Hier ist als Beispiel die Bildung eines Proton/Antiprotonpaares skizziert, welches sich alsbald wieder annihiliert und dabei erneut Photonen freisetzt. Man muss sich dabei wieder vor Augen halten, dass Photonen nichts anderes sind als kleinste Energiequanten oder Energiepakete. Nach Einsteins
E = mc2 kann unter geeigneten Bedingungen aus Energie Materie entstehen und umgekehrt.

In den heutigen Teilchenbeschleunigern können diese Energien ebenfalls erzeugt werden, wobei spontan Teilchen entstehen. Es ist uns also möglich, die Zustände des frühen Kosmos bis zu dieser Zeit recht genau nachzuvollziehen.
Die gebildeten Teilchenpaare vernichten sich ständig gegenseitig in derselben Rate, mit der sie erschaffen werden, denn es sind ja Materie- Antimateriepaare.

Aufgrund der bereits weiter oben genannten Asymmetrie, nach der die Materie um den Faktor 1,000 000 001 stärker vertreten ist als die Antimaterie, vernichten sich die Hadronen weitgehend. Dieser geringe Restanteil von Materie genügte jedoch, um unseren heutigen Kosmos mit allem was darin enthalten ist entstehen zu lassen, damit auch uns Menschen.

Leptonen- und Strahlungsära

 

[H2SO4]

Inzwischen ist unser Universum schon 10-4 alt, hat sich auf 1012 [K] abgekühlt und die Dichte ist auf immer noch beachtliche 1013 [g/cm3] gesunken. Protonen verwandeln sich ständig in Neutronen und umgekehrt, wobei eine unübersehbare Zahl von Neutrinos entsteht. Da sie unter den herrschenden Bedingungen kaum noch mit anderer Materie wechselwirken, koppeln sie sich vom Rest des Universums ab. Noch immer kollidieren Teilchen und Antiteilchen und vernichten sich gegenseitig. Die Energie der Photonen reicht nur noch zur Ausbildung von Leptonenpaaren, also beispielsweise Elektronen und Positronen. Damit übernehmen jetzt die Leptonen die Dominanz, und wir nennen diesen Zeitraum die Leptogenese. Was nun noch an Protonen und Neutronen übrig bleibt, bildet die Materie unserer heutigen Welt. Die Protonen überwiegen dabei die Neutronen um den Faktor 6, was später für den gebildeten Heliumanteil an Bedeutung gewinnt.

Die kosmische Expansion schreitet weiter voran. Das Universum ist jetzt 1 alt und auf 1010 [K] abgekühlt, Neutrinos haben endgültig nichts mehr mit der Materie zu schaffen. Die Paarvernichtung von Protonen und Neutronen mit ihren Antiteilchen ist abgeschlossen. Nun aber vernichten sich auch die Elektronen/Positronenpaare, wiederum bis auf einen Überschuss von 1 Milliardstel zugunsten der Materie. Jetzt sind alle Bausteine vorhanden, um unsere Welt zu erzeugen.

Noch immer jedoch kommt der Strahlung die absolute Dominanz im Universum zu. Wir befinden uns damit weiterhin in der Strahlungsära, die auch noch eine ganze Reihe von Jahren anhalten wird! Das Universum enthält jetzt Protonen, Neutronen, Neutrinos, Elektronen, Positronen und natürlich Photonen, welche um den Faktor 1010 überwiegen.

Nukleosynthese

Unser Universum ist nun schon 10 Sekunden alt und die Temperatur beträgt noch 1 Milliarde [K]. Unter diesen Bedingungen können jetzt Protonen (p) und Neutronen (n) Kernfusionen durchführen und hierdurch die ersten primordialen Atomkerne bilden. Zuerst bilden sich Deuteriumkerne (D), so genannter schwerer Wasserstoff (2H = D), der neben dem Proton noch ein Neutron enthält:

p + n <---> D + ³

³ bedeutet hierbei ein frei werdendes Gammaquant. Noch sind aber die dominierenden Photonen sehr energiereich und zertrümmern diese Kerne alsbald, die aber sogleich wieder neu entstehen. Protonen, Neutronen und Deuterium sind eine Zeitlang im Gleichgewicht. Erst im Alter von 1 Minute wird Deuterium erzeugt, welches nun nicht mehr zerfällt. Freie Neutronen sind instabil, sie zerfallen mit einer Halbwertszeit von etwa 15 [min] in ein Proton, ein Elektron und ein Antineutrino (hier als · dargestellt):

n <---> p + e- + ·

Somit hat der Anteil der Neutronen, der anfangs dem der Protonen entsprach, inzwischen stark abgenommen und beträgt nur noch ein Siebtel. Jetzt, da die Temperatur weiter gesunken ist, werden fast alle verbleibenden Neutronen im Edelgas Helium 4He gebunden. Das Helium wird nicht mehr abgebaut, jedoch kann ein kleiner Teil noch mit Tritium (3H oder T) zu Lithium und mit dem Heliumisotop 3He zu Beryllium reagieren:

4He + 3H ---> 7Li + ³

4He + 3He ---> 7Be + ³

Letzteres zerfällt jedoch wieder durch Elektroneneinfang zu Lithium:

7Be + e- ---> 7Li + ³

Nun könnte man glauben, dass die gebildeten Heliumkerne weiter zu Kohlenstoff fusionieren könnten

3 4He ---> 12C

Das ist allerdings schon nicht mehr möglich, weil die Teilchendichte nicht mehr genügend groß ist. Dieser Prozess bleibt den späteren Sternen vorbehalten. Nach etwa 30 [min] ist der ganze Zauber vorüber, es können keine neuen Elemente mehr gebildet werden. An diesem Ende der Nukleosynthese verbleiben 75% aller Kernteilchen als Protonen, die Kerne der späteren Wasserstoffatome. Fast 25% der Materie hat sich jetzt zu Helium zusammengefügt. Ein Tausendstel Prozent nur beträgt noch der Anteil an Deuterium, Spuren von Lithium vervollständigen das Bild.

Nun wird es relativ langweilig im Universum. Es expandiert weiter und kühlt dabei immer mehr ab. Mit der Expansion geht auch eine Verdünnung der Energiedichte einher. Hiermit ist nicht nur die Anzahl der Photonen je Volumeneinheit gemeint, sondern auch die Teilchendichte. Materie ist ja gemäß E = mc2 äquivalent einer bestimmten Energie. Weil aber die Teilchen im Gegensatz zu den Photonen eine Ruhemasse aufweisen, nimmt ihre Energiedichte deutlich langsamer ab, so dass nach einer gewissen Zeit nicht mehr die Strahlung dominiert, sondern die Materie das Zepter übernimmt. Das ist im kosmischen Alter von etwa 10 000 Jahren der Fall, die Strahlungsära hat ihr Ende erreicht.

Wie tief unterschiedliche Instrumente in die Vergangenheit sehenMit unterschiedlichen Instrumenten erforschen wir die Geschichte des Universums. Während uns das Hubble- Teleskop tiefe Einblicke in den jungen Kosmos gewährt, wird das neue James Webb Space Telescope (JWST) ab 2011 noch tiefer in die kosmische Vergangenheit blicken. Die allererste Strahlung zeigte uns jedoch schon WMAP.

Im Alter von 379 000 Jahren beträgt die Temperatur nur noch 3000 [K]. Bis zu diesem Zeitpunkt streuten die Photonen an den geladenen Teilchen, in erster Linie den noch immer freien Elektronen. Bei einer Kollision wird ein Photon von einem Elektron absorbiert, welches dadurch an Energie gewinnt. Die gibt es alsbald wieder in Form eines Photons frei usw. Das bedeutet im Endeffekt, dass sich die Photonen nicht frei bewegen konnten und das All neblig- trüb war wie Milchsuppe. Nun aber stellten sich die Bedingungen ein, die es den Atomkernen gestattete, die Elektronen einzufangen und "richtige", nach außen neutral wirkende Atome zu bilden. Diesen Vorgang nennen wir die Rekombination. Zur Freude der Photonen waren damit die leidigen Elektronen aus dem Weg geräumt und sie konnten fortan frei und ungehindert ihrer Wege ziehen - das Weltall wurde durchsichtig.

Die Rekombination bewirkte zwei entscheidende Vorgänge:

* Die nun freien Photonen verlieren durch die Expansion immer mehr Energie, soll heißen, die Wellenlänge der Strahlung wird ständig größer. Heute können wir diese Strahlung als 3 [K]- Hintergrundstrahlung beobachten und von ihr lernen, was sich im frühen Kosmos ereignete.
* Die ständigen Stöße der Photonen mit den Teilchen wurden erheblich abgeschwächt - Photonen wechselwirken deutlich geringer mit neutralen Atomen wie mit geladenen Teilchen. Hierdurch können sich nun Fluktuationen, Schwankungen von Dichte und Temperatur, in aller Ruhe und ungestört ausbilden. Strukturen frieren gewissermaßen aus und beginnen, das Universum zu formen.


Strukturen

Im Prinzip könnten wir nun zum ersten Teil dieses Beitrags zurückkehren. Unser Universum ist jetzt fast fix und fertig, alles ist vorhanden, was zu einem ordentlichen Kosmos mit all seinen Sternen, Planeten, Gaswolken und großen Leerräumen gedeihen kann. Doch soweit ist die Entwicklung noch nicht voran geschritten, das All feierte ja gerade erst seinen 379 000sten Geburtstag. In den vorangehenden Abschnitten haben wir lediglich die Entwicklung der leuchtenden Materie betrachtet, also den Stoff, aus dem wir und alle Sterne bestehen, sowie alles andere, was wir durch irgendeine Beobachtungstechnik erfassen können. Wie wir jedoch schon eingangs sahen, macht der Materieanteil gerade einmal 4% der universalen Gesamtmasse aus. Nach den WMAP- Messungen gibt es aber noch einen ordentlichen Anteil von 23%, den wir bisher in keiner Weise erfassen konnten - die Dunkle Materie. Was mag sie mit dem Urknall zu tun haben?

Während der Strahlungsära und bis zu ihrem Ende konnten zwar Fluktuationen entstehen, lokale Änderungen der Energiedichte und damit der Temperatur, diese wurden jedoch sofort geglättet durch die heftigen Kollisionen mit den hochenergetischen Photonen. Die Materie hatte keine Chance, sich an irgendeiner Stelle zu verdichten, oder?

Mit der Materie muss auch die Dunkle Materie entstanden sein. Wir haben bis heute nur sehr vage Hinweise auf ihre Natur. Dass sie aber tatsächlich existiert, hat schon Fritz Zwicky gezeigt. Es ist eher unwahrscheinlich, dass sich diese riesige Masse erst irgendwann nach dem Urknall ausbildete. Weil wir sie nicht sehen können, und das betrifft alle Bereiche der elektromagnetischen Wellen, wird Dunkle Materie nur äußerst schwach wechselwirken. Das war dann sicher auch im frühen Universum der Fall!

Während die Photonen die Fluktuationen der "normalen" Materie glätteten, hatten sie keinerlei Einfluss auf die Dunkle Materie. Sie konnte in aller Ruhe ein Spinnennetz filamentartiger Strukturen - ebenfalls bedingt durch frühe Fluktuationen - entwickeln.

Dunkle Materie hat mit der leuchtenden aber etwas gemeinsam: Sie wirkt gravitativ! Sobald nun der Hexenkessel der heißen Photonen keinen Einfluss mehr auf die Materie hatte, musste diese sich den gravitativen Wirkungen der Dunklen Materie unterordnen.

Ansicht des Mikrowellenhintergrundes mit dem Very Small ArrayDas Very Small Array (VSA) auf dem Berg Teide auf Teneriffa untersucht mit einem Radioteleskop die kosmische Hintergrundstrahlung. Was wir hier sehen, ist der Beginn der Ausbildung der Strukturen im Universum. Dieses verworrene Muster konnte nur entstehen, wenn tatsächlich ein gehöriger Anteil an Dunkler Materie bereits im frühen Universum vorhanden war.

Mit freundlicher Genehmigung von Very Small Array Collaboration

Man darf sich nun nicht vorstellen, dass sich Strukturen schlagartig ausbildeten. Für einen Zeitraum von etwa 20 Millionen Jahren wird das Universum sehr gleichmäßig gewesen sein, die Materie war fast homogen verteilt. Doch nach und nach bildeten sich Zonen Dunkler Materie, in die quasi die Materie hinein floss. So entstanden Raumbereiche, die immer stärkeren gravitativen Einfluss ausüben konnten. Durch ihre Anziehungskraft waren sie in der Lage, die Räume mit geringerer Materiedichte im Laufe der Zeit regelrecht leer zu fegen. Mit weiterer Ausdehnung des Universums bis zur heutigen Größe entstanden so riesige materiefreie Blasen, Leerräume, die wir als voids bezeichnen.

Simulation der frühen Strukturen Dunkler Materie

Wir sehen, dass es nun in Siebenmeilenstiefeln vorwärts geht in der kosmischen Geschichte. Waren die ersten Sekundenbruchteile erfüllt von zahlreichen bedeutungsvollen Ereignissen, werden die Zeiträume, in denen sich etwas "bewegt", nun immer größer. Es dauert sicherlich 100 Millionen Jahre, bis sich die Strukturen vollständig ausbildeten, aus denen die Galaxien resultierten. Möglicherweise flammten aber schon 100 000 Jahre nach dem Urknall die ersten Sterne auf.

 

[H2SO4]

Erste Ansätze von Strukturen Hier sehen wir nochmals die Bildsequenz der ersten Seite. Eingangs die Fluktuationen der Hintergrundstrahlung, wie sie von WMAP aufgezeichnet wurden. Sie stellen quasi die Saatkörner des Universums dar.
Strukturen entwickeln sich Im nächsten Bild sehen wir, wie Materie nach und nach kondensiert und sich Regionen von größerer und geringerer Dichte entwickeln. Je weiter das All abkühlt, umso ausgeprägter werden die Dichteunterschiede.
Erste Sterne leuchten auf Es sind nun rund 100 bis 200 Millionen Jahre "ins Land" gezogen und die ersten Sterne leuchten auf. Das primordiale Gas kondensierte, verdichtete sich und erhitzte sich dabei so hoch, dass Kernfusionen einsetzen konnten.
Galaxien struktrieren sich Vielleicht noch einmal 100 oder 200 Millionen Jahre weiter. Es haben sich noch viel mehr Sterne gebildet und nach und nach formen sich Galaxien entlang der Strukturen, die sich schon im zweiten Bild andeuteten.
Ein Universum, wie wir es heute sehen Das Universum hat die begonnene Entwicklung weitergeführt. Viele Milliarden Galaxien sind entstanden mit einer unübersehbaren Zahl von Sternen.

Das Alter von etwa 200 bis 400 Millionen Jahre könnten wir als die "Krabbelphase" des Universums bezeichnen, wollten wir es mit der menschlichen Entwicklung vergleichen. Es ist eine sehr stürmische Phase! Die ersten Sterne sind sehr massereich, 100, 200, ja sogar bis zu 500 Sonnemassen haben diese wahren Giganten in sich versammelt. Dementsprechend schnell verlaufen ihre Kernfusionen und schon nach ein paar Millionen Jahren explodieren sie mit unvorstellbarer Wucht als Hypernovae. Dabei, und schon vorher durch einen gewaltigen Sternwind, reichern sie das umgebende Medium mit den erbrüteten schweren Elementen an - bis in Entfernungen von einigen Tausend Lichtjahren. Schon im Alter von 300 Millionen Jahren ist das Universum geimpft mit den neuen Elementen. Die können sich nun zu Staubkörnchen verbinden und dafür sorgen, dass bei der Entstehung späterer Sterngenerationen ein Kühleffekt der kollabierenden Gaswolken eintritt. Das lässt künftige Sterne nicht mehr so massereich werden, wodurch deren Brenndauer wesentlich verlängert wird. Und schließlich sind sie die Saatkörner für das spätere Leben...

Wie sicher leicht zu erraten ist, wird am Ende des Lebens der ersten Sternboliden auch die extremste mögliche Endstufe stehen: Das Schwarze Loch. Diese ersten stellaren Schwarzen Löcher werden wohl gleich massenhaft entstanden sein und die "Keime" der bald entstehenden Quasare darstellen. An Materie als "Futter" war in dieser Zeit noch leicht zu kommen, denn das Universum war noch recht klein und die Massendichte hoch. So könnten in relativ kurzer Zeit aus den stellaren Überresten supermassereiche Schwarze Löcher entstanden sein, die Antriebsmotore der Quasare.

Abell 1835 IR1916, die entfernteste GalaxieDas ISAAC, Infrarotinstrument von ESO's Very Large Teleskop (VLT) hat unter Zuhilfenahme des Gravitationslinseneffektes die älteste bisher bekannte Galaxie entdeckt. Abell 1835 IR1916 entstand, als das Universum gerade einmal 470 Millionen Jahre alt war. Die Masse der Galaxie ist um den Faktor 10 000 geringer wie die der Milchstraße. Links eine Aufnahme des Hubble- Teleskops, rechts und unten Bilder in verschiedenen IR-Bändern.

Die hier gezeigte Galaxie stellt möglicherweise nur eine Ausnahme dar. Wir gehen heute davon aus, dass bis vor etwa 10 Milliarden Jahren das Universum von wenigen, extrem großen Galaxien beherrscht wurde. Sie verschmolzen nach und nach miteinander, was nicht ohne Folgen blieb. Wahrhaft stürmische Sternentwicklung wurde angefacht und Schwarze Löcher wurden mit Gas regelrecht überfüttert. Die Sternentstehung beruhigte sich jedoch langsam und wurde immer mehr von den kleineren Spiralgalaxien übernommen. Die Schwarzen Löcher in deren Zentren wuchsen dabei fast unaufhörlich weiter und konnten Milliarden von Sonnemassen ansammeln. Die Unmengen von Materie wurden in den Akkretionsscheiben durch die Reibung extrem erhitzt, was die enormen Strahlungsleistungen der Quasare erklärt.

Heute ist das Universum ruhiger geworden, die stürmische Entwicklungsphase ist vorüber. Viele der Schwarzen Löcher in den Galaxienzentren sind inzwischen inaktiv, da sie den umgebenden Raum fast völlig leergefegt haben. Sterne entstehen im Durchschnitt nur noch mit wenigen Sonnenmassen pro Jahr in einer Galaxie, bis auf wenige Ausnahmen (Starburstgalaxien). Nun bleibt uns noch, eine Voraussage für die künftige Entwicklung des Universums zu wagen.

Die Zukunft

Eine Aussage über die Zukunft des Universums zu machen ist keine leichte Aufgabe. Hierzu müssten Daten wie z.B. der Gesamtenergieinhalt genau bekannt sein. Eine solche Bestimmung gestaltet sich als sehr schwierig, da wir nicht alles, was sich im Universum befindet "sehen" können. Dennoch kann man Prognosen wagen.

Für die weitere Zukunft bieten sich lediglich 3 Alternativen:

* Geschlossenes Universum: Die enthaltene Materie/Energie wird die Expansion stoppen und in eine Kontraktion umkehren. Die Folge ist ein Hitzetod, das gesamte Universum stürzt wieder in sich zusammen bis zu einer Singularität (big crunch).
* Offenes Universum: Die Eigengravitation der enthaltenen Materie/Energie kann die Expansion nicht aufhalten, sie wird sich bis in alle Ewigkeit fortsetzen. Der Kosmos vergeht im Kältetod, irgendwann erlöschen alle Sterne, das All kühlt sich auf den absoluten Nullpunkt ab und es werden sogar alle Kernteilchen zerfallen.
* Flaches Universum: Die Gravitation bringt irgendwann zwar die Expansion zum Stillstand, es kommt aber nicht zur Kontraktion. Auch in diesem Fall ereilt den Kosmos der Kältetod.

Die Zukunft des Kosmos setzt sich zusammen aus verschiedenen Faktoren. Eine gewichtige Rolle spielt sein Energieinhalt, die Gesamtenergie k. Diese setzt sich aus kinetischer und potentieller Energie zusammen. Sollte die kinetische Energie überwiegen, so wird das All ewig weiter expandieren, es ist offen. Liegt das Gleichgewicht auf Seite der potentiellen Energie, kommt es zum big crunch. Ein weiterer Faktor ist die mittlere Materiedichte p. Nur wenn sie einen bestimmten Wert, die kritische Dichte übersteigt, kann das All kontrahieren. Das Verhältnis von tatsächlicher zu kritischer Dichte nennt man allgemein ©.

Expansionsmöglichkeiten des AllsWenn © größer als 1 ist, wird sich die Expansion eines Tages umkehren (untere Kurve). Ist © kleiner als 1, so haben wir ein offenes Universum, die Expansion ist unendlich (obere Kurve). Doch auch bei © = 1 stirbt das All den Kältetod.

Die genauen Werte von k und p kennen wir noch nicht sehr exakt, sie sind sehr schwierig zu bestimmen. Dennoch ist uns inzwischen bekannt, dass die Massendichte knapp unterhalb der kritischen Dichte liegt. Das bedeutet ganz offensichtlich, dass wir in einem offenen Universum leben. Zudem beschleunigt sich die Expansion, wohl aufgrund der mysteriösen Dunklen Energie. Unser Kosmos wird eines fernen Tages vollkommen erlöschen und den Kältetod erleiden.

Alexander Friedmann (1888- 1925), ein russischer Mathematiker,

Alexander Friedmann hatte die Entwicklung des Universums mit Hilfe der Einsteinschen Relativitätstheorie untersucht und veröffentlichte 1922 seine Ergebnisse. Hiernach lässt sich die Zukunft des Alls mit einer Gleichung beschreiben, welche unabhängig von Friedmann 1927 auch von Georges Lemaître, einem belgischen Kosmologen gefunden wurde. Deshalb wird diese Gleichung auch die Friedmann- Lemaître- Gleichung genannt:

H2 - (8ÀGp/3) = k/a2

Hierin bedeuten, wie z.T. schon oben angedeutet:

H = Expansionsrate
G = Gravitationskonstante
p = Mittlere Materiedichte
k = Gesamtenergie
a = Ein Skalenfaktor, der die Proportionalität aus momentanem Abstand zweier Punkte im expandierenden All zu einem nicht expandierenden beschreibt.

 

[H2SO4]

Weltmodelle

Die unterschiedlichen Arten, auf die sich unser Kosmos entwickeln kann, nennt man auch Weltmodelle bzw. nach Friedmann auch Friedmann- Modelle. Die im Weltraum verteilten Massen üben eine gemeinsame gravitative, nach innen gerichtete Kraft aus, welche die Expansionsgeschwindigkeit verringert. Die Friedmann- Modelle verbieten aber ein statisches, unveränderliches Weltall (wie die steady- state- Theorie es postuliert), denn in einem solchen All würde es keine Entwicklung geben, es wäre ohne Geschichte, was allen physikalischen Gesetzen widerspricht.

Man unterteilt die Friedmann- Modelle in zwei Gruppen: In der ersten ist die Massedichte so gering, dass die Expansion des Alls nicht zu stoppen ist (© < 1), die zweite Gruppe enthält diejenigen Weltmodelle, bei denen die Expansion eines Tages durch eine genügend hohe Massedichte umkehrt in eine Kontraktion (© >1). Der Grenzfall ist gekennzeichnet durch © = 1, ein Kosmos, bei dem die Expansion erst nach unendlich langer Zeit zum Stillstand kommt.

RaumkrümmungenDarstellungsversuch der Raumstruktur durch Vereinfachung auf 2 Dimensionen. Der Verlauf der Krümmung der Raumzeit ist für die 3 möglichen Zustände des Kosmos dargestellt. Links ist der Zustand des geschlossenen Universums (© >1) symbolisiert. In diesem Raum gibt es keine Geraden, sondern nur Geodäten. Rechts ist das offene Universum skizziert (© <1), es stellt sich sattelförmig dar. Der Grenzfall (Mitte) ist das flache Universum, es ist euklidisch.

Wie auch immer die Zukunft des Universums beschaffen sein wird, alle darin enthaltene Materie, Lebewesen eingeschlossen, können diesem Schicksal nicht entrinnen. Ist der Kosmos offen oder flach, wird er den Kältetod sterben. Irgendwann werden alle Sterne erlöschen, das All wird dunkel. Die sich jetzt bildenden Sterne haben noch 1014 Jahre zu leben. Nach verschiedenen Berechnungen bzw. Vermutungen könnten nach 1032 Jahren die Protonen beginnen zu zerfallen. Nach 1064 Jahren werden die Galaxien sich auflösen, alles kühlt sich auf den absoluten Nullpunkt ab. Dann werden nur noch Schwarze Löcher, Schwarze Zwerge und erkaltete Neutronensterne durch ein dunkles, von der Asche vergangener Sterngenerationen erfülltes, trostloses All ziehen. Nach der unvorstellbaren Zeitspanne von 10500 Jahren beginnen die Eisenkerne zu zerfallen. Warten wir noch "ein wenig" länger, vielleicht 10600 oder 101000 Jahre, werden selbst die massivsten Schwarzen Löcher verdampft sein. Leben wird es dann schon lange nicht mehr im Kosmos geben.

Sollte unser All wider Erwarten jedoch geschlossen sein, so wird es in vielleicht 20 Milliarden Jahren beginnen wieder zu kontrahieren. Es wird sich immer schneller zusammenziehen, erst werden einzelne Galaxien miteinander verschmelzen, dann ganze Galaxienhaufen. Das Weltall wird immer heißer und lebensfeindlicher, es wird erfüllt von Strahlung sein. Zum Schluss stürzt die ganze Raumzeit mit aller enthaltenen Materie und Energie in sich zusammen, bis nichts als ein Punkt unendlicher Dichte und unendlich kleiner Ausdehnung übrig bleibt. Dann hat die schwächste aller Kräfte, die Gravitation, den endgültigen Sieg über Zeit, Raum und Materie errungen. Vielleicht ist dieser big crunch aber auch die Geburtsstunde eines neuen Universums, eines neuen Raums und einer neuen Zeit. Wie auch immer, in der Geschichte des Universums ist kein happy end vorgesehen, und die Menschheit wird es sowieso nicht erleben können...

Weltpostulat

Als Weltpostulat oder kosmologisches Prinzip bezeichnet man folgende Aussage:
Das Universum ist, großräumig gesehen, überall gleich. Ein relativ zu seiner Umgebung ruhender Beobachter hat an jeden Punkt des Universums den gleichen Anblick wie wir von unserer Milchstraße aus. Die Fluchtbewegung und Verteilung der Materie, sowie die kosmische Hintergrundstrahlung erscheinen von jedem Ort aus gleich. Das Weltall ist großräumig homogen und isotrop, jeder Beobachter im All hat denselben Eindruck von den Eigenschaften und grandiosen Vorkommnissen im Universum.

Hubble Ultra Deep Field

Einer der tiefsten Einblicke in den frühen Kosmos: Diese Hubble Aufnahmen zeigen uns das Universum, als es unter den Galaxien noch hoch her ging. Dicht gedrängt, im Alter von 800 bis 1000 Millionen Jahren, waren Galaxienbegegnungen und Durchdringungen an der Tagesordnung. Für diese Aufnahmen war eine Gesamt- Belichtungszeit von über 11 Tagen notwendig.

Wie wir heute wissen, dehnt sich unser Universum unablässig weiter aus, und das sogar mit zunehmender Expansionsgeschwindigkeit. Als allgemein anerkannte Theorie der Entstehung des Kosmos gilt heute die Urknall- Theorie. Denkt man sich nämlich die Entwicklung des Alls in umgekehrter Zeitrichtung, so schrumpft es immer mehr zusammen, die Massendichte wird immer größer und die Ausdehnung immer kleiner. Irgendwann kommt man in Größenbereiche, in denen Effekte der Quantenwelt eine Rolle spielen. Das ist spätestens bei Erreichen der Planckzeit, 10-43 Sekunden nach dem Urknall der Fall. Mit unseren heutigen Theorien lassen sich diese Zustände allerdings nicht beschreiben: Die Relativitätstheorien gelten nur für großräumige Dimensionen, die Quantenmechanik schließt dagegen die Gravitation aus. So ist man nach wie vor auf der Suche nach einer vereinigten Theorie der Quantengravitation, deren Lösung vielleicht in der Superstringtheorie liegen könnte.

Die Urknalltheorie, das Standardmodell der heutigen Kosmologie, so plausibel sie auch klingt, weist aber einige Ungereimtheiten auf: Kurz nach dem Urknall sollte plötzlich aus irgendeinem Grund die Expansionsgeschwindigkeit kurzzeitig exponentiell angestiegen sein (Inflationsphase) und das All mit Überlichtgeschwindigkeit aufgebläht haben. Welche Ursache sollte so etwas veranlassen? Und warum sollte es zu Inhomogenitäten in der Dichte des jungen Kosmos gekommen sein, woraus dann später die Galaxien und Galaxienhaufen entstanden? Die Luft in unserem Zimmer verdichtet sich auch nicht plötzlich in einer Ecke. Die Ausbildung der beobachteten Strukturen leidet somit unter einem schweren Erklärungsdefizit. Zudem war das frühe Universum sehr gleichmäßig, wie aber kann das sein, wenn durch die extrem schnelle Expansion die verschiedenen Orte keinen Kontakt untereinander haben konnten und damit eine gleichmäßige Vermischung gar nicht stattfinden konnte?

Paul Steinhardt So gibt es noch viele ungelöste Fragen, die vielleicht durch ein neues, der modernen Superstring- (genauer: M-) Theorie entstammendem Modell gelöst werden könnten - dem von den Physikern Paul Steinhardt (Princeton- Universität) und Neil Turok, einem ehemaligen Mitarbeiter Hawking's entwickelten Ekpyrotischen Universum.

Ekpyrotisch bedeutet soviel wie "Feuersbrunst", doch dieser Name ist ein wenig irreführend. Um zum Ursprung des Universums zu gelangen, müssen wir uns jetzt in die Welt der allerkleinsten Abmessungen hineinversetzen, weit unterhalb der Ausmaße von Atomen, noch kleiner als ein einzelnes Teilchen. Die Stringtheorie beschreibt eine Welt, die sich auf der Planck- Länge von unvorstellbaren 10-35 [m] abspielt. In dieser Größenordnung sollen winzige Fädchen wie die Saiten einer Gitarre ("Strings") schwingen, und zwar in unendlich vielen Schwingungsmustern. Diese Schwingungsmuster erscheinen uns dann als Teilchen, Quarks, Elektronen oder vielleicht Gravitonen.

Jetzt nehmen Sie einmal Ihren Gartenschlauch in die Hand. Wenn Sie ihn betrachten, sehen Sie ihn durchaus als 3- dimensionales Gebilde. Aus einer Entfernung von 100 [m] gesehen, verschwinden die 3 Dimensionen, Sie erkennen lediglich einen Strich: Der Gartenschlauch erscheint 1- dimensional! Scheinbar haben sich 2 Dimensionen "eingerollt" und wir erkennen nicht mehr, dass er eine räumliche Ausdehnung hat. So ähnlich verhält es sich mit den Strings, sie schwingen in 9 Raumdimensionen, wobei 6 dieser Dimensionen winzig klein aufgewickelt sind - wir können sie niemals sehen. Lediglich die 3 bekannten Raumdimensionen Länge, Breite und Höhe können wir erfassen.

Die M- Theorie (genauer gesagt die heterotische M- Theorie) ist eine Weiterentwicklung der Stringtheorie und benötigt sogar 10 Raumdimensionen. Hier ist eine weitere Dimension aber nicht aufgewickelt, sondern man kann sie sich wie einen Strich vorstellen (mit einer Länge von 10-29 bis 10-35 Metern!), der durch zwei Raumpunkte begrenzt wird. Wenn wir uns einen vierdimensionalen Raum denken, was zugegebenermaßen bereits schlicht unmöglich ist, stellen diese Raumpunkte dreidimensionale Gebilde dar. Man kann sie sich als schwingende Membranen vorstellen, und deshalb werden sie auch Drei- Branen genannt.

Der Kosmos wäre nach der neuen Theorie eine solche Drei- Bran. Alle Materie und auch 3 der Grundkräfte der Natur können sich nur auf dieser Bran entfalten. Die Gravitation, die wie so oft eine Sonderstellung einnimmt, wäre allein in der Lage, den "Raum" zwischen zwei dieser Gebilde zu überbrücken und uns deren Existenz anzuzeigen.

3- Branen kommunizieren durch GravitationIm Ekpyrotischen Modell ist unser Kosmos ursprünglich eine dreidimensionale Membrane, eingebettet in einen 5- dimensionalen Raum. Diese Brane (rechts) liegt in einem gewissen Abstand von einer anderen Bran, die ebenfalls in die 5- dimensionale Raumzeit eingebunden ist. Durch Quantenfluktuationen entsteht zwischen beiden eine dritte Bran (rot).

Eine etwas andere Vorstellung ist, dass nach dem Ekpyrotischen Modell zwei dreidimensionale "Welten" über eine zusätzliche, 11te Dimension miteinander kollidierten und aneinander kleben blieben. Die kinetische Energie dieser Kollision wird dabei in hochenergetische Teilchen der bekannten Materie wie Elektronen, Photonen oder Quarks umgewandelt. Aus diesem Zusammenstoß resultiert auch eine endliche Temperatur, so dass die unbequemen Eigenschaften der Urknall- Theorie, eine Singularität von fast unendlich hoher Dichte und Temperatur sowie die vielleicht etwas vage Inflationsphase, einfach wegfallen könnten. Sehr elegant wird damit auch gelöst, dass unser Universum flach ist bzw. nur sehr wenig gekrümmt. Durch die Fluktuationen der Bran entstehen an einigen Stellen Unregelmäßigkeiten in der Temperatur und Dichte, welche wir heute in der Hintergrundstrahlung messen und in Form der Galaxien sehen können.

Die Kollision ist erfolgtNach Hunderten von Trillionen Trillionen Jahren könnte es geschehen sein, dass eine Bran mit einer anderen kollidierte, mit ihr verschmolz. Die hierbei freigewordene Energie zündete das, was wir als Urknall betrachten und kondensierte später zur bekannten Materie.

Entstehung der GalaxienDurch winzigste Schwankungen in der Energie- bzw. Materiedichte werden die Keime für die spätere Bildung der Galaxien gelegt, es entsteht ein Universum, wie wir es heute beobachten.

Die Bausteine des Ekpyrotischen Universums leiten sich, wie schon gesagt, von der Superstring- Theorie ab. Nach dieser sehr abstrakten Anschauung sind mindestens 6 Dimensionen zu einer Art mikroskopischem Ball zusammengerollt, so winzig, dass man sie niemals sichtbar machen könnte. Die Geometrie solcher Zustände nennt man nach deren Entdecker Calabi- Yau- Räume.

Calabi-Yau- RaumCalabi-Yau- RaumNebenstehend zwei Darstellungen, wie man sich Calabi- Yau- Räume vorstellen kann. Weil deren Ausdehnung so winzig ist, erscheint uns das Universum nur 4- dimensional, bestehend aus 3 Raum- und einer Zeitdimension. Es ist aber eingebettet in eine 5-dimensionale Raumzeit. Teilchen, die sich in einem solchen Raum bewegen sind gezwungen, sich innerhalb der 3 "sichtbaren" Raumdimensionen auf einer Seite des durch eine weitere Dimension getrennten Raums aufzuhalten. Allein die Gravitation könnte diese Grenze überwinden und Materie oder Licht beider Seiten miteinander koppeln. Zusätzlich könnten weitere dreidimensionale Oberflächen existieren, die parallel zu den Raumgrenzen angeordnet sind und Energie transportieren könnten. Diese dazwischenliegenden Flächen nennt man Branen, als Abkürzung für Membranen. Die Kollision, die eine heiße "Urknallphase" unseres Universums einleitet entsteht, wenn eine 3- Bran angezogen wird und in unseren sichtbaren Kosmos kollidiert.

Kollidierende UniversenHier noch einmal der ganze Vorgang in einer Animation. Eine durch Fluktuationen entstehende Bran wird von einer gegenüberliegenden angezogen, weil die Gravitation in der zusätzlichen Raumdimension wirkt. Durch die Kollision wird Energie frei, die zunächst als Strahlung vorliegt, nach einer Abkühlphase bilden sich daraus Materieteilchen, aus welchen später Sterne und Galaxien entstehen.

Das zyklische Universum

 

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Das bisherige Modell eines zyklischen Universums kennen wir: Es beginnt mit dem Urknall, darauf folgt eine Expansionsphase, die sich vielleicht irgendwann in eine Kontraktion umkehrt und wieder zu einer Singularität führt, dem big crunch. Dieses Modell hat einen entscheidenden Fehler: Der big crunch stellt nicht ein genaues Spiegelbild zum Urknall, dem big bang dar! Durch die Kontraktion werden die Photonen im All zu Lasten des Gravitationsfeldes energiereicher, und damit würde der Zyklus viel heißer enden als er begann. Ein wirklicher, reeller Zyklus kann sich somit nicht auf diese Weise entwickeln.

Singularitäten sind der Giftmüll des Kosmos! Jede Theorie ist eigentlich gut beraten, unendliche Größen wie Dichte oder Temperatur nicht anzutasten. Genau das aber verlangt die Urknalltheorie von der Ursprungssingularität, jedes andere Schwarze Loch ist ein weiteres Beispiel. An solchen Orten wird die Physik zur Metaphysik, es sind mathematische Punkte, die man nicht beschreiben kann - sie sind einfach da. Viele Kosmologen gehen daher einen simplen Weg: Sie ignorieren sie. So auch die Inflationstheorie (deren Mitbegründer neben Alan Guth auch Andreij Linde war, welcher heute einer der härtesten Kritiker des ekpyrotischen, zyklischen Universums und damit Steinhardt's ist), derjenige Mechanismus, welcher die plötzliche Expansion des Universums nach dem Urknall erklärt. Die Inflation beseitigt oder erklärt nicht die Anfangssingularität, sondern isoliert sie ganz einfach von unserem heutigen Kosmos.

Paul Steinhardt und Mitarbeiter umgehen dieses ganze Dilemma mit dem Ekpyrotischen Modell. Sie machen nun noch einen weiteren Schritt und deklarieren das ganze Universum als eine 3-Bran. Und stellen fest, dass der Urknall kein einmaliges Ereignis ist, sondern Teil eines sich wiederholenden Zyklus. Entgegen der bisherigen Auffassung entstanden Raum und Zeit nicht erst mit dem big bang.

Eine zentrale Rolle im zyklischen Modell spielt das so genannte Radionfeld - ein Kraftfeld, welches in einer aus 4 Raum- und einer Zeitdimension bestehenden Raumzeit (genannt Bulk- Universum, bulk, engl., = Größe, Masse) agiert. Unser Kosmos hat eine Raumdimension weniger, stellt eine Bran dar, die sich im Bulk- Universum bewegt.

Parallel dazu, quasi als ein Schattenuniversum, existiert eine weitere Bran, mit welcher unser Universum vor 14 Milliarden Jahren kollidierte. Dieses Ereignis löste unseren Urknall aus. Prinzipiell könnten im Bulk- Universum unzählige (unendlich viele?) Branen existieren, die String- Theorie selbst postuliert ja bereits unendlich viele Paralleluniversen, die in ein "Multiversum" eingebettet sind.

Nach dem Zusammenprall entfernen sich beide Branen wieder voneinander im Bulk, gleichzeitig beginnt ihre 4- dimensionale Raumzeit zu expandieren. Diese Expansion ist zunächst gebremst, beschleunigt aber nach einigen Milliarden Jahren durch die geheimnisvolle Dunkle Energie - sie wird durch das Radionfeld generiert.

Bei maximaler Expansion sind beide Branen auch maximal voneinander entfernt, und sie können mehrere Billionen Jahre in diesem Zustand verharren. Die Materiedichte im Kosmos wird durch die Expansion immer weiter verdünnt, bis das All zum Schluss praktisch leer ist. Nun nähern sich beide Branen wieder wobei sie gleichzeitig kontrahieren, allerdings nicht bis zu einer Singularität. Längst bevor ein solcher Zustand erreicht sein könnte kollidieren beide Branen und es wird ein neuer Urknall gezündet, der Anfang des nächsten Zyklus.

Lange schon sucht man nach der Fehlenden oder Dunklen Materie (missing mass, dark matter). Das neue Modell von Paul Steinhardt liefert quasi als Zugabe hierzu eine überzeugende Erklärung:

Die Gravitation kann im Gegensatz zu den anderen Wechselwirkungen auch über die vierte Raumdimension des Bulk- Universums wirken. Was wir heute als Beeinflussung der Bewegung von Galaxien bzw. Galaxienhaufen durch Dunkle Materie zu erklären versuchen, ist vielleicht in Wirklichkeit die Gravitationswirkung der parallelen Bran. Es ist die Materie dieses Schattenuniversums, die wir spüren. So könnten wir noch lange vergeblich nach der Dunklen Materie in unserem Kosmos suchen - es ist möglich, dass sie gar nicht existiert!

So schön und überzeugend Steinhardt's Modell des zyklischen Universums auch sein mag, wollen wir jedoch nicht vergessen, dass wir nach heutigem Wissensstand in einem offenen, also ewig expandierenden Universum leben.

Wenn Sie möchten, können Sie jetzt hier Paul Steinhardt's Originalscript des ekpyrotischen Modells als pdf-Kurzfassung downloaden. Ebenfalls ist hier im selben Format sein Script zum zyklischen Universum als pdf-Kurzfassung vorhanden.

Supernovae vom Typ SN Ia dienen den Astronomen als so genannte Standardkerze zur Entfernungsbestimmung. Diese Sternexplosionen beginnen nämlich stets mit fast derselben absoluten Helligkeit beim Ausbruch. Die Helligkeit lässt sich sehr genau messen und man kann so zu exakten Entfernungsangaben kommen. Eine andere Methode zur Bestimmung der Distanz eines leuchtenden Objekts ist die durch die Expansion des Universums verursachte Rotverschiebung z des Lichts. Die Rotverschiebung einer bestimmten Spektrallinie von z.B. z = 1,0 entspricht einer Verschiebung von 100% zum roten Ende des Spektrums.

Supernova SN1997ff1997 spürte das Hubble- Teleskop die bis dahin entfernteste Supernova vom Typ SN Ia auf. Sie wies eine Rotverschiebung von z = 1,7 auf, was einer Entfernung von 10 Milliarden Lichtjahren entspricht. Allerdings war ihre gemessene Helligkeit viel zu gering. Das konnte nur bedeuten, dass sie weiter entfernt ist, als sie eigentlich aufgrund der Rotverschiebung sein dürfte! Im rechten Bild sieht man die Supernova als digitale Differenz zeitlich getrennter Aufnahmen.

Diese Differenzen in den Entfernungsbestimmungen bedeuteten eine bittere Pille für die Kosmologen, ließen sie doch nur einen Schluss zu: Die Expansion des Universums beschleunigt sich! Weit entfernte Objekte flüchten schneller, als bisherige Modelle vorausgesagt haben. Inzwischen hat man Dutzende von Supernovae des Typs Ia bei Rotverschiebungen von z > 1,0 nachmessen können und erhielt stets das selbe Ergebnis. Immer waren sie lichtschwächer!

Es muss also irgendeine Kraft geben, welche die Expansion des Universums beschleunigt. Die alten Griechen führten zu den ihnen bekannten 4 Elementen Feuer, Wasser, Erde und Luft ein fünftes ein, welches Mond und Sterne zusammenhielt und nannten es Quintessenz. Heute bezeichnet man damit diese geheimnisvolle, antigravitativ wirkende Kraft. Weil man sie weder sehen noch irgendwie nachweisen kann, wird sie in Analogie zur Dunklen Materie auch Dunkle Energie genannt. Diese könnte sogar identisch sein mit der Energie des Vakuums und/oder der Einsteinschen Kosmologischen Konstante.

Sicherlich sind einige Einwände gegen die Beobachtungen der entfernten Supernovae berechtigt: Das Licht dieser Objekte könnte durch intergalaktischen Staub abgeschwächt sein. Auch wäre es denkbar, dass die Explosionen bei weit entfernten Supernovae anders verlaufen als bei den nahegelegenen. Dagegen spricht aber, dass Weiße Zwerge, die Auslöser der Supernovae vom Typ SN Ia, nur in einem sehr engen Massenbereich existieren können. Damit kann auch nur eine bestimmte Menge Material von einem Begleiter auf sie überströmen, bis es zur Kernexplosion auf ihrer Oberfläche kommt. Deshalb haben Supernovae SN Ia stets die gleiche Helligkeit. Aus diesem Grund sind heute die meisten Kosmologen von der Richtigkeit der Beobachtungen, und damit vom beschleunigt expandierenden Kosmos, überzeugt. Sie stehen nun vor der wahrhaft nicht leichten Aufgabe, eine physikalische Erklärung der Quintessenz abzuliefern.

Supernovae hoher RotverschiebungHier sieht man weitere Supernovae aus dem Jahr 1998, die den Umschwung in der modernen Kosmologie initiierten. Trotz einiger Skeptiker ist man jetzt der Auffassung, dass unser Universum nicht nur große Anteile an Dunkler Materie enthält, sondern geradezu von der mysteriösen Dunkler Energie überflutet ist. Der Anteil sichtbarer Materie in Form von Sternen und Gaswolken beträgt gerade einmal 4%, die Dunkle Materie macht bereits 23% des Universums aus, während die Dunkle Energie den Löwenanteil von 73% beansprucht!

Als sich Einstein 1917 der Kosmologie zuwandte erkannte er anhand seiner Feldgleichungen, dass sich das Universum eigentlich auf Dauer durch die Gravitation der darin enthaltenen Materie zusammenziehen müsste. Seinerzeit war man aber felsenfest von einem statischen, unveränderlichen Weltall überzeugt, und so fügte er seinen Gleichungen die berühmte Kosmologische Konstante hinzu. Sie stellte eine Vakuumkraft mit Antigravitationswirkung dar (siehe hierzu auch Negative Energie), die den gravitativen Kollaps des Universums verhinderte. 1930 entdeckte dann Edwin Hubble die Galaxienflucht und dass wir in einem expandierenden Kosmos leben. Nun war die Kosmologische Konstante überflüssig, Einstein entfernte sie aus seinen Gleichungen und bezeichnete sie selbst als "die größte Eselei meines Lebens". Dennoch ist Einsteins Konstante heute wieder in aller Munde, um vielleicht in ihr eine Erklärung für die beschleunigte Expansion zu finden.

Paul Steinhardt, der bereits 1995 (!) ein beschleunigt expandierendes Universum voraussagte, meint, das Problem der Kosmologischen Konstante ist, dass sie eben eine Konstante ist. Ihre Größe ist damit unveränderlich. Die Quintessenz dagegen umschließt eine Fülle von Möglichkeiten. Sie ist dynamisch, entwickelt sich im Laufe der Zeit und stellt eine Energieform mit negativem Druck dar, der die Expansion immer mehr beschleunigt. Man stellt sie sich als Quantenfeld mit kinetischer und potentieller Energie vor. Die Quintessenz entstand mit dem Urknall, wurde aber quasi erst eingeschaltet, als nach 380 000 Jahren der strahlungsdominierte Kosmos in ein materiebeherrschtes Universum überging. Die beschleunigende Kraft der Dunklen Energie entfaltete sich spürbar allerdings erst nach 10 Milliarden Jahren.

Doch was ist nun eigentlich diese Quintessenz, woraus besteht die Dunkle Energie? Niemand weiß es. Alle uns bekannten Erscheinungsformen der Energie, Strahlung, normale oder selbst Dunkle Materie, üben einen positiven Druck aus und wirken damit gravitativ anziehend. Es muss da draußen also irgendetwas geben, das auf unser All einen negativen Druck überträgt. Nach Steinhardt's Ansicht könnte die Quintessenz mit Materie wechselwirken und sich umso weiter entwickeln, je länger sie mit dieser Kontakt hat. Es könnte auch sein, dass sie irgendwann, wenn die Materiedichte im Kosmos durch die Expansion nur noch gering ist, in völlig neue Formen von heißer Materie oder Strahlung zerfällt und damit ihren negativen Druck verliert. Damit wären wir dann nicht mehr dazu verdammt, in einem ewig expandierenden Weltall zu leben, die kosmische Ausdehnung würde eines Tages zum Stillstand kommen. Neueren Überlegungen zufolge könnte die Dunkle Energie sogar aus Gravitationswellen bestehen, die im frühen Kosmos entstanden sind. Würde das zutreffen, hätte die unbefriedigende Erklärungsnot der Wissenschaftler ein Ende. Weltweit laufen verschiedene Experimente (oder entstehen noch) zum Nachweis der bislang nur theoretischen Gravitationswellen.

Astronomen und Kosmologen sind fasziniert von diesem neuen Phänomen Quintessenz. Wir können sie nicht in unsere Hand nehmen und untersuchen, wir sind nicht einmal in der Lage, sie im Labor zu erzeugen und erahnen nicht, was hinter ihrem Schleier steckt. Dennoch nehmen die Wissenschaftler diese Erscheinung sehr ernst und wollen nun versuchen, durch langfristige Beobachtungen mehr Details über die Dunkle Energie zu erfahren. So ist ein Projekt mit Namen SNAP, SuperNova Acceleration Project, geplant. Hier wird ein Satellit mit einem 2 m- Teleskop speziell dafür eingerichtet, jährlich mehr als 2000 weit entfernte Supernovae aufzuspüren und zu untersuchen.

Bereits in Aktion ist WMAP, Wilkinson Microwave Anisotropy Probe. Als Nachfahre des Compton- Satelliten ist WMAP in der Lage, feinste Kräuselungen des kosmischen Mikrowellenhintergrundes zu erkennen. Dieser Hintergrund ist ein Überbleibsel des Universums, als es im Alter von 380 000 Jahren durchsichtig wurde. WMAP konnte uns bisher viele Fragen beantworten, z.B. dass wir in einem offenen Universum mit euklidischer Geometrie leben und dass der Anteil der Dunklen Energie bei 73% des Gesamtinhalts unseres Universums liegt. Noch wissen wir aber nicht, was die Quintessenz ist, ob sie existiert oder nur ein kosmischer Irrtum ist.

 

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Kosmischer Mikrowellen- HintergrundWas hier wie ein verrücktes Muster aussieht, ist der kosmische Hintergrund der Mikrowellen- Strahlung. Die verstärkten und als farbliche Unterschiede dargestellten, feinsten Kräuselungen in der Temperatur überzeugen inzwischen auch diejenigen Skeptiker, denen bislang die Beweise fehlten. Unser Universum ist fremdartiger als je gedacht, erfüllt mit Dunkler Materie und Dunkler Energie. Wir sehen hier die ältesten Objekte des Universums überhaupt, gerade als es 380 000 Jahre alt war.

Grenzen des Universums

Es liegt wohl in der Natur des Menschen, dass ihm gesetzte Grenzen einen besonderen Reiz auf ihn ausüben. Er möchte sie zu gerne überwinden! Allerdings stoßen wir sicherlich in jedem Wissenschaftszweig an eine Schranke, die unserem Wissensdurst Einhalt gebietet. Einige dieser Grenzen, die wir weder jetzt oder vielleicht auch in Zukunft nicht überschreiten können sollen an dieser Stelle kurz umrissen werden.

Wir wissen heute, dass unser Kosmos eine begrenzte Ausdehnung hat und nicht, wie man früher glaubte, unendlich groß ist. Es ist uns derzeit ein Blick bis in eine unvorstellbare Entfernung von etwa 13,7 Milliarden Lichtjahren möglich, aber das ist nicht die "Grenze" des Alls. Eine exakte Angabe ist unmöglich zu machen, wir können nur spekulieren wie groß das Universum ist. Die Angaben reichen von 10-facher Größe bis zu 10 Billiarden (1016) Lichtjahren, ja sogar bis zur 1026- fachen Ausdehnung wird geschätzt. Vielfach wird die Frage gestellt, ob wir jemals so weit blicken können. Das ist sicher nicht möglich, denn je weiter wir in die Tiefe des Alls blicken, umso schneller entfernen sich Objekte von uns. Irgendwann geschieht das mit Überlichtgeschwindigkeit, sodass Photonen von dort uns vorerst nicht erreichen können.

Sollte eventuell durch die Eigengravitation die Expansion der Raumzeit abgebremst werden, so treten in Zukunft immer mehr Galaxien bzw. Quasare in unser Gesichtsfeld, weil dann der Raum wieder kontrahiert und die Fluchtgeschwindigkeit dieser Objekte unter die Lichtgeschwindigkeit fällt. Die Natur hat also unseren Beobachtungen einen Horizont gesetzt, der genau bei der Entfernung angesiedelt ist, bei der die Fluchtgeschwindigkeit einer Galaxie die Lichtgeschwindigkeit erreicht. Deshalb sind wir nicht in der Lage, weiter in die Vergangenheit zu sehen. Wir müssten schon eine ganze Weile warten, bis uns Photonen dieser schnell fliehenden Objekte erreichen - falls es sie überhaupt gibt.

Wäre es denn nicht denkbar, wenn wir in Gedanken eine Rakete konstruieren, die mit beliebiger Geschwindigkeit fliegen könnte, doch noch hinter die "Grenze" unseres Universums zu blicken? Nein, das ist leider nicht möglich. Zwar hat der Kosmos eine endliche Ausdehnung, dennoch ist er ohne Grenzen. Wir können uns das am Beispiel der Erde verdeutlichen: Denken wir uns die 3 Raumdimensionen des Weltalls auf die zweidimensionale Oberfläche der Erde geschrumpft. Nun können wir von einem beliebigen Punkt aus starten und unendlich lange wandern, niemals würden wir an eine physikalische Grenze stoßen. Es gibt keinen Ort, an welchem die Erde "zu Ende" ist, wir können auch nicht herunterfallen. Man sieht daran, die Erdoberfläche hat zwar eine endliche Ausdehnung (510 100 933,5 [km2]), aber sie ist dennoch gleichzeitig ohne Grenze. Ebenso verhält es sich mit dem All: Niemals werden wir in der Lage sein an eine Grenze zu stoßen oder diese zu erblicken.

Auf der Suche nach GrenzenSchon immer war der Mensch neugierig und wollte zu gerne wissen, was sich hinter der Grenze befindet, die ihm gesetzt ist. Einfach seinen Kopf durch das Himmelgewölbe zu stecken und alle Geheimnisse zu erblicken, das wäre zu schön gewesen. Doch so leicht macht es die Natur uns nicht, sie hat uns Grenzen gesetzt, die wir nicht überschreiten können.

Seit einigen Jahren kristallisiert sich allerdings immer deutlicher heraus, dass wir unsere Existenz in einem offenen Universum fristen, dessen Expansionsgeschwindigkeit immer weiter beschleunigt. Das bedeutet, unser Kosmos wird ewig weiter expandieren und eines fernen Tages eine Ausdehnung unendlicher Größe erreichen. Daraus ergibt sich der Kältetod des Universums: In absehbarer Zukunft wird der letzte Stern erlöschen, alle Galaxien lösen sich auf, die Materie wird zerfallen und irgendwann das letzte Schwarze Loch verdampft sein. Übrig bleibt dann ein sich stetig verdünnendes Gemisch aus Photonen, Elektronen und Quarks (oder Strings?), welches bis zum absoluten Nullpunkt abgekühlt ist. Das Universum wird dann kalt und ohne jedes Licht, die Bruchstücke der einstigen Materie und Energie unendlich verdünnt sein. Schuld an diesem Desaster ist möglicherweise eine so genannte Dunkle Energie, die zu etwa 73 % unseren Kosmos erfüllt (die restlichen 27 % verteilen sich auf Leuchtende und Dunkle Materie sowie Strahlung). Sie soll gravitationsabstoßend wirken und deshalb die beschleunigte Expansion verursachen. Bisher weiß allerdings niemand genaueres über das Wesen dieser mysteriösen dark energy. In jedem Fall aber ist damit dem Kosmos eine weitere Grenze gesetzt: Weder Sterne, noch Planeten oder das Leben überhaupt können für immer existieren. Auf der ewigen kosmischen Uhr ist die derzeitige, aktive und lebensbejahende Phase nur ein winziger Augenblick.

Übergeordnete Universen

Einige Theorien, wie beispielsweise die Stringtheorie, die steady state- Theorie des unveränderlichen Kosmos, die Inflationstheorie, das anthropische Prinzip (siehe weiter unten) oder auch Hawkings Keine-Grenzen-Hypothese räumen die Möglichkeit ein, dass es neben unserem Universum viele weitere, sogar bis zu unendlich vielen Kosmen geben könnte. Solch einen "Überkosmos", oder besser gesagt einen Hyperraum (Multiversum) kann man sich vielleicht vorstellen wie eine Blase in einem Seifenschaum: Die Kosmen entstehen, entwickeln sich und vergehen wieder.

Entwicklung von KosmenNebenstehend sind einige mögliche Entwicklungen von Universen dargestellt. Ganz links ist ein Kosmos zu sehen, der zu schnell expandiert und sich daher zu stark verdünnt. Daneben sieht man ein Universum mit zwar kritischer Expansionsrate, aber die Bedingungen sind geeignet für die Entwicklung von Leben. Die Universen rechts kollabieren bereits wieder, bevor sich Leben bilden kann.

Nun kann man sich fragen, wie mögen wohl diese anderen Kosmen beschaffen sein? Es ist einleuchtend, dass niemand in der Lage ist, eine derartige Frage zu beantworten. Wir

* wissen nicht, ob es andere Universen gibt,
* wissen nicht, wie sie beschaffen sind,
* sind nicht in der Lage, zu ihnen zu gelangen, sie zu sehen und zu erforschen
* werden sie niemals erreichen, weil wir unser Universum nicht verlassen können.

Aber wir dürfen durchaus mutmaßen, dass diese Kosmen vollkommen andersartig gestaltet sein könnten als unser eigenes Universum. Wie man vielleicht von der Stringtheorie her weiß, besteht die Möglichkeit, dass es neben der vierdimensionalen Raumzeit noch weitere 7 oder 8 Dimensionen in unserem All gibt, die allerdings ineinander aufgewickelt sind und sich auf Ausdehnungen unterhalb der Planck- Länge (10-35 [m]) beschränken, lediglich die Raumzeit konnte sich nach dem Urknall entwickeln. Das kann in anderen Kosmen anders sein, es ist denkbar, dass sich in ihnen 5, 6 oder noch mehr Dimensionen ausgedehnt haben. Oder das Multiversum ist ein hochenergetisches Quantenvakuum. Es ist auch möglich, dass andere Universen aus vollkommen anderen Teilchen aufgebaut sind (die String- Theorie lässt prinzipiell eine unendliche Anzahl verschiedener Teilchen zu!), oder völlig ohne Materie oder Zeit sind. Vielleicht haben die Teilchen, wie wir sie kennen, auch nur andere Größenordnungen hinsichtlich Ladung, Masse usw. (Antimaterie- Kosmos). Solche Universen wären in jedem Fall absolut lebensfeindlich (für uns), die Vorgänge in ihnen beruhten auf anderen Gesetzen und jedes bei uns existierende Atom könnte dort nicht bestehen.

Doch alle diese Aussagen sind reine Spekulation, es wird wohl niemals gelingen, die Existenz eines anderen Universums nachzuweisen, geschweige denn zu ihm zu gelangen. Und sollte es sie doch geben, so haben sie keinen Einfluss auf die Entwicklung unseres Alls. Daher kann man sie mit gutem Gewissen aus allen Betrachtungen ausklammern, es ist sinnlos sich mit ihnen zu beschäftigen. Viel wichtiger sollte uns die Frage sein, warum unser Kosmos gerade so geworden ist, wie er heute ist. Er hätte doch auch einen anderen Entwicklungsverlauf nehmen können. Eine mögliche Antwort darauf gibt uns vielleicht das anthropische Prinzip:

Das anthropische Prinzip

Es gibt zwei Ausführungen des anthropischen Prinzips, eine schwache und eine starke Version.

Das schwache anthropische Prinzip besagt, dass es in unserem Universum, welches hinsichtlich seiner Ausdehnung und Zeit sehr groß oder gar unendlich ist, bestimmte Bereiche gibt, in denen die Bedingungen für die Entwicklung intelligenten Lebens gegeben sind. Diese Bereiche sind zeitlich und räumlich abgegrenzt. Nach diesem Prinzip ist es eine zwangsläufige Schlussfolgerung, dass das Universum aus einem Urknall entstand, nach gewisser Abkühlung Materiebildung einsetzte, die später zu Sternen und Galaxien kondensierte. Die Sterne erbrüteten schwere Elemente, die, zurückgegeben an das interstellare Medium, wiederum zu Sternen kontrahieren konnten und letztendlich zur Planetenbildung führten. Nach deren Abkühlung wiederum konnte unter günstigen Umständen die Evolution ihren Lauf nehmen. Auf dem vorläufigen Höhepunkt der Evolution stehen intelligente Geschöpfe, die diese Entwicklung nicht verwundert weil sie in der Lage sind, den Entwicklungsweg bis hin zum Urknall nachzuvollziehen.

So einfach und einleuchtend das schwache anthropische Prinzip auch ist, geht das starke anthropische Prinzip noch einen Schritt weiter:

 

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Danach gibt es viele verschiedene Regionen in unserem Universum, oder es gibt viele verschiedene Universen, aber nur in sehr wenigen davon können die Bedingungen für die Entwicklung intelligenten Lebens günstig sein. Die "Hardcore-" Version dieses Prinzips gar sagt aus, dass der gesamte "Aufwand" des Kosmos nur unserer Existenz gilt!

Das ist allerdings etwas weit hergeholt und wissenschaftlich nicht haltbar.

Man kann sich auch zurecht fragen, warum die Bausteine der Natur, Teilchen wie Elektronen oder Protonen, gerade die Größen einnehmen, die wir beobachten. Wären sie nur um winzige Beträge abweichend, würde unser Universum völlig andersartig sein. Dann könnten sich keine Sterne bilden, die diejenigen Elemente erzeugen, aus denen wir bestehen. Ladung, Masse oder Spin dieser Teilchen können von Universum zu Universum unterschiedlich sein, ja es ist sogar möglich, dass sich diese konstanten Eigenschaften in unserem Universum ändern. Wir wissen es nicht, aber alles weist darauf hin, dass diese Werte sehr genau aufeinander abgestimmt sind und die Entwicklung von Leben erst ermöglichen. Der Spielraum der Teilchen- Zustandsgrößen jedenfalls ist sehr eingeschränkt.

Unsere Heimat im Kosmos- die MilchstraßeSollte es wirklich möglich sein, dass nach dem starken anthropischen Prinzip unsere Galaxis die einzige im All ist in der sich Leben entwickeln konnte? Es ist wohl mehr als vermessen das zu glauben, bedenkt man, dass vielleicht 1 Billion Galaxien den Kosmos bevölkern, und jede von ihnen besteht wiederum aus Milliarden Sternen, von denen viele, vielleicht sogar die meisten, Planeten besitzen.

Der Mikrokosmos

Viele Vorgänge im Universum beruhen auf Grundlagen, die wir in der Welt des Mikrokosmos zu suchen haben. So ist beispielsweise der sogenannte Tunneleffekt dafür verantwortlich, dass Sterne wie unsere Sonne überhaupt leuchten. Der Druck und die Temperatur im Sternzentrum sind zwar beachtlich hoch, genügen aber nicht um die elektrische Abstoßung der positiven Ladungen von Protonen zu überwinden. Diese Wasserstoffkerne sollen schließlich zu Helium fusionieren. Es gelingt nur, weil sich hin und wieder ein Proton zusätzliche Energie aus dem Quantenvakuum leiht, um so ausgestattet die Energiebarriere aus positiver elektrischer Ladung eines "gegnerischen" Protons wie durch einen Tunnel zu unterwandern. Ist das geschehen, übernimmt die Starke Wechselwirkung den Zusammenhalt der Teilchen.

Oder denken wir an die Gravitation, die schwächste aller Naturkräfte. Sie summiert sich durch große Massen zu solchen Höhen auf, dass Sterne, Planeten und Galaxien kondensieren können oder sich gar Schwarze Löcher von milliardenfacher Sonnenmasse bilden, wahren Raummonstern. Dies alles ist höchstwahrscheinlich auf allerkleinste Teilchen, Gravitonen genannt, zurückzuführen. Sie sind so winzig und energiearm, dass die Wissenschaftler bisher vergeblich größte Mühen für ihren Nachweis aufbrachten. Neue Experimente bringen vielleicht in den nächsten Jahren den Erfolg.

Trotz enormer Erfolge der Teilchenphysiker in den letzten Jahrzehnten sind uns auch im Mikrokosmos Grenzen gesetzt. Wir können nicht ein einzelnes Teilchen beliebig beobachten, das verbietet die Heisenbergsche Unschärferelation. Sie besagt, dass wir nicht gleichzeitig Ort und Impuls eines Teilchens exakt beobachten können. Würden wir hierzu beispielsweise ein einzelnes Elektron in einen Kasten sperren und diesen dann immer kleiner machen, um das Teilchen mehr und mehr genau zu lokalisieren, so würde es sich immer schneller bewegen. Zum Schluss sogar fast mit Lichtgeschwindigkeit, als würde das Elektron unsere Beobachtungsversuche spüren. Wir können es nicht in "Ruhe" beobachten, es entzieht sich unserem Zugriff.

Eine weitere Grenze stellen die Größenordnungen im Quantenkosmos dar. Wenn wir etwas über physikalische oder auch chemische Reaktionen erfahren wollen, müssen wir im Experiment eine Beobachtung anstellen. Jede Beobachtung aber übt einen Einfluss auf das beobachtete Objekt aus, dessen Eigenschaften dadurch verändert werden. Um z.B. ein Teilchen zu beobachten, müssen wir es "beleuchten", was bedeutet, es entweder mit kleineren Teilchen oder besser gleich Photonen irgendeiner Wellenlänge zu bestrahlen, um so aus Reflexionen, Absorption oder Emission an Informationen zu gelangen. Bei einem Zusammenprall mit einem Photon aber kann ein Teilchen dieses absorbieren und mit der so gewonnenen Energie seinen Ort oder seinen Impuls verändern. Das allein ist bereits sehr problematisch, hinzu kommt aber, dass man die Wellenlänge des anregenden Lichts möglichst klein wählen muss, um akzeptable Abbildungsgenauigkeiten zu erzielen. Je kleiner aber die Wellenlänge, umso höher ist die Energie der Photonen und umso mehr Energie nimmt das beobachtete Teilchen auf. Wir können also gar nicht "sehen", wie es sich im unbeobachteten Zustand verhalten würde. Ein wirkliches Dilemma! Auch ist unserem Forschungsdrang noch eine weitere natürliche Grenze gesetzt: Wir können Wellenlängen nicht beliebig klein machen! Und so sind uns erst recht Vorgänge, die sich im Bereich der Planck- Länge abspielen, nicht mehr zugänglich. Einen (bislang noch theoretischen) Superstring, möglicherweise das fundamentalste Teilchen, aus welchem Gravitonen oder alle anderen Teilchen im Kosmos bestehen, werden wir deshalb niemals in seiner wahren Gestalt sehen können.

Wenn wir uns in unserer Umwelt bewegen, stellen wir unbewusst ständig Vergleiche an. Stehen wir vor einem Haus, denken wir vermutlich "Aha, es ist etwa 5-mal so hoch wie ich selbst", also vielleicht 10 [m]. Jedes Mal beziehen wir uns bei allem was wir sehen auf eine bekannte, "begreifbare" Vergleichsgröße. Die Abmessungen einer Stecknadel, eines Autos, Hauses, Baumes oder Berges sind uns geläufig, unser Gehirn speicherte die Vergleichsgrößen seit frühester Kindheit. Das ist unsere gewohnte Alltagswelt, in der es uns nicht schwer fällt sie zu visualisieren.

Was aber, wenn sich die Dimensionen ändern? Wenn wir im Flieger sitzen, "spüren" wir weder die Geschwindigkeit von 900 [Km/h] noch die Flughöhe von 10 000 [m] in irgendeiner Weise. Können wir uns diese Distanz zum Erdboden überhaupt noch richtiggehend vorstellen? Wohl eher nicht. In diesem Kapitel wird beschrieben, dass die Welt, in der wir leben, noch ganz andere Größenordnungen enthält. Völlig klar erfassen können wir diese mit unseren Sinnesorganen nicht mehr, dazu fehlen die erlernten Vergleichsgrößen. Dennoch sind es Dimensionen, die unser Leben bestimmen und sogar überhaupt ermöglichen. Hierzu vorab ein Beispiel:

Großer Wagen mit PolarsternWenn der Himmel heute Abend unbewölkt ist, gehen Sie doch einmal aus dem Haus und suchen mit Hilfe des markanten Sternbildes Großer Wagen (auch Großer Bär genannt) den Polarstern (Polaris) auf. Er ist etwa 680 Lichtjahre von der Erde entfernt. Ein Lichtjahr, die Strecke die ein Lichtteilchen in einem Jahr zurücklegt, hat eine Länge von 9.460.528.000.000 Kilometern. Polaris ist damit rund 6,433 x 1012 [Km] entfernt. Um uns eine Vorstellung von dieser Entfernung zu machen, wollen wir mit einem (imaginären!) Auto dorthin reisen. Mit der Richtgeschwindigkeit von 130 [Km/h] werden wir

5 649 068 Jahre

benötigen! Eine nicht mehr vorstellbare Entfernung! Dabei zählt Polaris noch zu unseren näheren "Nachbarn" im All...

Doch beginnen wir mit etwas Kleinerem! Morgen können Sie vom Spaziergang vielleicht eine kleine Handvoll Heu mitbringen. Am besten von einer ehemals überschwemmten Wiese, der Versuch gelingt aber auch mit "normalem", getrocknetem Gras. Man legt es in ein großes Glas, füllt dieses zu etwa 1/3 mit Wasser auf und wartet 1, 2 Tage. Dann können wir einen Tropfen dieses Heuaufgusses auf ein Objektträgerglas platzieren. Wer ein Aquarium besitzt, kann auch einfach dort einen Tropfen Wasser entnehmen, oder aus einem Teich.

Pantoffeltierchen Mit bloßem Auge können wir natürlich nichts erkennen, es ist eben nur ein Tropfen Wasser! Doch unter dem Mikroskop betrachtet, erschrecken wir fast: der Wassertropfen wimmelt nur so vor Leben. Amöben tummeln sich neben Pantoffel- oder Rädertierchen und vielen anderen mehr. Nebenstehendes Bild zeigt beispielsweise Pantoffeltierchen, die nur zwischen 0,18 und 0,30 [mm] groß sind.

Eine andere Möglichkeit für eigene Experimente: man suche sich ein Stück Moos, am besten von einer kalkhaltigen Wand. Über Nacht legt man es mit dem Grün nach unten in eine Schale mit Wasser.

Junges Bärtierchen Am nächsten Tag kann man im Wasser mit einem kleinen Mikroskop auf die Suche nach den wunderbaren Bärtierchen gehen, die nur 0,3 bis 0,5 [mm] groß sind. Eine weitere Welt hat sich uns eröffnet, die vielleicht bislang für den einen oder anderen völlig im Verborgenen lag. Bärtierchen findet man praktisch überall auf der Erde, ein paar Tropfen Wasser genügen ihnen als Lebensraum. Sie sind jedoch auch wahre Überlebenskünstler. Gibt es einmal kein Wasser, wandeln sie sich in eine Trockenform um und können das viele Jahre aushalten. Kommen sie dann wieder in den Genuss von Wasser, erwachen sie minutenschnell zu quirligem Leben...

Wir haben jetzt (oberflächlich!) gesehen, dass neben "unserer Welt", die wir alltäglich erleben, in ein paar Tropfen Wasser eine eigene, völlig fremde belebte Welt existiert. Doch um solche Welten zu entdecken, ist nicht einmal Wasser vonnöten...

Lepidoglyphus destructor Wenn Sie heute Nacht zu Bett gehen, untersuchen Sie Ihre Bettwäsche lieber nicht mit dem Mikroskop. Sonst könnten Sie durch Anblicke wie nebenstehend um Ihren Schlaf gebracht werden!
Wir sehen REM- Aufnahmen von Hausmilben, die sich durchaus auch in Ihrem Bett tummeln. Solch ein "Minimonster" ist nur etwa 400 Mikrometer (0,4 [mm]) groß und wiegt gerade rund 8 Mikrogramm (= 0,000008 [g]!). Diese netten Gesellen, denen so mancher Zeitgenosse eine Allergie verdankt, nehmen täglich die Hälfte ihres eigenen Gewichts an Nahrung auf - in Form von menschlichen Hautschüppchen! Davon verliert ein Mensch in einer Nacht etwa 0,5 Gramm, das ist ausreichend, um rund 120 000 Milben täglich artgerecht satt zu bekommen.

Dies ist natürlich nur ein winziger Einblick in die Welt der "Minilebewesen". Nicht angesprochen haben wir die Mikroflora, z.B. die vielfältigen Moose, Flechten und Pilze, die überall die Erde bevölkern. Man mag es vielleicht nicht glauben, aber ein Stückchen Moos oder eine Flechte an einem Ast ist die Heimat für Tausende verschiedener Lebewesen, eine uns meist unbekannte Welt, weil wir sie nicht sehen können. Erst durch unsere Technik können wir Einblicke gewinnen. Ein Löffel Gartenerde bietet Platz für Millionen von Individuen, ein Komposthaufen ist ein Paradies, wenn es um Artenvielfalt geht. Im Rahmen dieses Beitrags ist es kaum möglich, auf all diese Lebensformen einzugehen, bitte holen Sie bei Interesse dazu eigene Informationen ein. Doch stellen Sie sich einmal vor, was eine Ameise, ein Bärtierchen oder gar ein Pantoffeltierchen empfinden würde, wenn es bewusst den Blick zu einem Menschen oder gar zum nächtlichen Sternenhimmel erheben könnte...

Gehen wir einen Schritt weiter in noch kleinere Dimensionen. Hier treffen wir auf den fast unübersehbaren Artenreichtum der Bakterien. Damit stoßen wir in einen Bereich vor, in welchem die Lebewesen nur noch eine Ausdehnung im Bereich von Tausendstel Millimetern (1 [µm] = 0,001 [mm]) haben.

Bakterien Hier sehen wir in zwei Aufnahmen, die mit einem Rasterelektronenmikroskop ("REM") gewonnen wurden, einige Bakterien auf einem verrottenden Blatt. Diese einzelligen Lebewesen besitzen keinen Zellkern und man zählt sie deshalb zu den Prokaryonten, im Gegensatz zu den schon oben erwähnten Amöben oder Pantoffeltierchen, die einen Zellkern aufweisen und man sie deshalb als Eukaryoten bezeichnet. Zwar können wir die Tierchen nicht sehen (obwohl es Ausnahmen bis zu 2 mm Größe gibt), aber sie beherrschen vollständig unser Leben. Unser Mund ist genauso von ihnen bevölkert wie unser Darm, in welchem sie uns durchaus gute Dienste leisten. In der Luft, im Wasser und im Boden - Bakterien findet man praktisch überall.

Plagt uns einmal ein Magengeschwür, legen wir uns durch einen Zeckenbiss eine Borreliose zu oder "erfreut" sich der Mensch an der Cholera - jedes Mal sind Bakterien die Verursacher. Die vielen Arten können kugelförmig, als Stäbchen oder Spiralen erscheinen. Manche von ihnen bilden Dauerstadien in Form von Sporen, die extremste Umweltbedingungen aushalten. Grob unterscheiden kann man Bakterien noch in aerobe Arten, die Sauerstoff benötigen, sowie anaerobe, für die Sauerstoff Gift ist. Letztere Lebewesen dürften übrigens die ersten gewesen sein, die unsere Erde bevölkerten, denn die damalige Atmosphäre enthielt noch keinen Sauerstoff.

Viren, womit jetzt keine der allzu "beliebten" Computerviren gemeint sind, bringen uns noch eine Ebene tiefer in die Nanowelt. Die Ausdehnungen bewegen sich im Bereich von Nanometern, wobei 1 [nm] = 0.000 001 [mm] oder 10-9 [m] entspricht.

Influenza- VirusAls ein Beispiel sehen wir hier den Influenza- Virus, der einen Durchmesser von etwa 200 [nm] hat. Streng genommen zählt man Viren nicht mehr zu den lebenden Organismen, da sie sich selbst nicht vermehren können. Hierzu benötigen sie einen Wirtskörper, eine Zelle, in die sie eindringen und zur "Produktion" von weiteren Viren zwingen. Verlassen die neuen Viren die Zelle, stirbt diese ab.

Viren sind für vielerlei Krankheiten verantwortlich, genannt seien hier nur HIV und Hepatitis. Aber auch an den unangenehmen Lebensmittelvergiftungen tragen sie ihren Anteil. Unter den Viren finden sich Spezialisten, die zu ihrer Vermehrung Bakterien benötigen. Man nennt sie Phagen. Mit einem Lichtmikroskop können wir diese Winzlinge nicht mehr sehen, dazu bedarf es eines Rasterelektronenmikroskops. Allgemein sind Viren zwischen etwa 20 und 300 [nm] groß, man betrachtet sie als Partikel, die aus einer Proteinhülle bestehen, in welcher die Erbinformationen in Form einer Nukleinsäure (als DNA, Desoxyribonukleinsäure oder RNA, Ribonukleinsäure) gespeichert sind.

ReovirusHier können wir einen sensationellen Blick in das Innere eines so genannten Reovirus (respiratory enteric orphan virus) werfen. Der Name besagt, dass man sie im Respirations- und Darmtrakt findet und sie nicht direkt mit irgendwelchen Krankheiten in Verbindung stehen. Diese Viren sind vom RNA- Typ, d.h. sie weisen ein doppelsträngiges RNA- Genom auf, wir sehen sie als rote Partikel im Innern des Virus. Das sind die "Fabrikanten", die eine befallene Zelle zur Produktion weiterer Viren zwingen. Wir sehen hier Einzelheiten bis herunter zu etwa 7 × 10-10[m]!

Verlassen wir nun die belebte Mikrowelt und werfen noch einen Blick auf die zukunftsträchtige Nanotechnologie.

 

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Die Nanotechnologie hat uns inzwischen völlig neue Welten und Möglichkeiten eröffnet. Nicht nur die Beschichtung von Waschbecken oder Glasscheiben mit Nanopulvern zur Wasser- und Schmutzabweisung ist Ziel dieses Forschungsgebietes. Man erhofft sich beispielsweise, eines Tages winzig kleine Mikroroboter als medizinische Helfer in den menschlichen Körper einbringen zu können, welche dann an Ort und Stelle die erforderlichen "Reparaturen" durchführen. Hier sehen wir als nur ein Beispiel ein Mikrogetriebe, nur wenige [µm] groß. Es handelt sich dabei um ein Sechsgang- Getriebe, jedes einzelne Zahnrad kann sequentiell durch in der oberen Bildmitte zu sehende Schaltung angesteuert werden. Solche Getriebe wurden schon bis
250 000 Umdrehungen pro Minute belastet. Viele weitere Aufnahmen und Informationen zu dieser Technik der Zukunft unter nachstehendem Link.

Noch sind wir längst nicht am Ende unserer Stippvisite in die Welt des Kleinsten angelangt. Vor uns liegt jetzt das Reich der Moleküle und Atome. Moleküle, die Zusammenlagerung mehrerer oder vieler, gleicher oder unterschiedlicher Atome, können in ihren Abmessungen sehr unterschiedlich sein. Das uns allen bekannte Wassermolekül - H2O - weist einen Durchmesser von nur einem Zehnmillionstel Millimeter auf, währenddessen man organische Riesenmoleküle kennt, in denen Millionen von Atomen lange Ketten oder Netze bis in den Millimeterbereich ausbilden.

WasserstoffatomDaher ignorieren wir jetzt die fast unübersehbare Welt der Moleküle und wenden uns gleich den Atomen zu. Das kleinste von ihnen ist das Wasserstoffatom mit einem Durchmesser von etwa 8 × 10-11 [m]. Wasserstoff ist dasjenige Element, welches man am häufigsten im ganzen Universum antrifft. Es besteht aus nur einem Proton, welches von einem Elektron umgeben ist. Das Proton ist dabei fast der alleinige Masseträger, es "wiegt" 1.672648 × 10-27 [Kg] bei einem Durchmesser von nur 2 × 10-15 [m] und ist damit rund zehntausendfach kleiner als das Atom.

Das elektrisch negativ geladene Elektron (e-) "umkreist" dabei das positive Proton (p+) in relativ großem Abstand, so dass das Atom nach außen hin elektrisch neutral erscheint. Würde man ein solches Atom auf einen Durchmesser von 100 [m] "aufblasen", so wäre der Atomkern nur 1 [cm] groß, kaum sichtbar. Das Elektron, rund 2000- fach leichter als das Proton, umgibt den Atomkern in Form einer Wolke. Wir könnten niemals aufgrund der Unschärferelation sagen, wo gerade sich das Elektron aufhält. An diesem einfachen Beispiel sehen wir jedoch leicht, dass der größte Teil eines Atoms aus - Nichts besteht! Ein kleiner, aber relativ schwerer Kern, der fast allein für die Masse des Atoms verantwortlich ist, ist umgeben von einem Vakuum, und erst in großem Abstand sehen wir eine Elektronenwolke, Orbitale genannt, in der sich irgendwo mit großer Wahrscheinlichkeit das Elektron aufhält.

Siliziumatome Nun ist Wasserstoff das einfachste chemische Element, die anderen der bisher 118 bekannten Elemente werden aufgebaut, indem sich immer mehr Protonen im Kern ansiedeln (und dabei von neutralen Neutronen "stabilisiert" werden), die in der Atomhülle von einer äquivalenten Anzahl Elektronen zum Ladungsausgleich umgeben sind. In nebenstehender TEM- Aufnahme (Transmissionselektronenmikroskop) sehen wir Siliziumatome in einem Kristall dieses Elements. Ein Kreis entspricht dabei je zwei Atomen.

Sie haben richtig geraten, wenn Sie meinen, dass wir immer noch nicht in die allerkleinsten Bereiche der Natur vorgestoßen sind! Als der griechische Philosoph Demokrit das Atom benannte (á-tomo, das Unteilbare), war dies für die damalige Zeit eine herausragende Leistung menschlichen Geistes. Auch heute noch gilt, dass ein Atom durch chemische Methoden nicht weiter geteilt werden kann.

Die Physiker haben jedoch eine Art "Messer" erfunden, mit dem man auch Atome teilen kann. Man wusste z.B., dass bestimmte schwere Elemente wie Uran oder Plutonium durch Beschuss mit einem Neutron in zwei Atom"hälften" zerfielen. Dabei wurden dann wiederum Neutronen freigesetzt. Bringt man genügend Material eines solchen Elementes zusammen (kritische Masse), so verläuft der Prozess autark, wir haben es mit einer Kettenreaktion zu tun. Weil dabei große Energiemengen freigesetzt werden, will der Experimentator nicht gerne selbst in der Nähe sein, deshalb teilt er die kritische Masse in zwei Hälften auf, die dann irgendwo mittels einer chemischen Sprengladung zusammengeführt werden. Der Beschuss mit nur einem Neutron ist dann ausreichend, um der Natur gewaltig ins Handwerk zu pfuschen - erstmalig geschehen durch die Hiroshima- Bombe!

Es gibt allerdings auch friedlichere Lösungen dieses Prinzips, verwirklicht in unseren nicht sehr geliebten Atomkraftwerken. Indem man darauf achtet, die freigesetzten Neutronen alsbald einzufangen und die entstehende Wärme abzuführen ist eine sanfte Spaltung der Atomkerne durchaus nutzbringend.

Aber wir wollen ja nicht nur Atome zertrümmern, sondern möglichst noch ihre "Bauteilchen". Ist das überhaupt noch möglich? Im Falle des Elektrons wohl nicht mehr, es wird heute allgemein als fundamentales Teilchen betrachtet. Protonen und Neutronen dagegen können wir durchaus noch auf den Pelz rücken!

Protonen und Neutronen sind nicht elementar, sondern theoretisch noch weiter teilbar. Schon 1964 vorausgesagt, konnten die Hochenergiephysiker in ihren Teilchenbeschleunigern die wirkliche Existenz der so genannten Quarks nachweisen, aus denen Protonen und Neutronen bestehen. Der Name hat nichts mit Milchprodukten zu tun, sondern ist eher zufällig.

Man kennt 6 verschiedene Quarks mit den seltsam anmutenden Namen up, down, charme, strange, bottom und top, von den Physikern humorvoll als Geschmack (flavour) bezeichnet (wahrscheinlich dachten sie dabei doch an Erdbeer- oder Vanillequark). Sie unterscheiden sich nicht nur durch ihre elektrische, sondern auch durch eine "Farbladung" (rot, grün, blau). Zu jedem Quark existiert auch ein Antiquark, welches dann antirot, antigrün oder antiblau ist.

Leider sind Quarks keine freien Teilchen, sie kommen niemals einzeln vor. Vielmehr werden sie von so genannten Gluonen (engl. glue= Klebstoff) derart zusammen gehalten, dass es nicht möglich ist, ein einzelnes Quark isoliert zu beobachten.

Aufbau des ProtonsIhre Existenz lässt sich nur nachweisen, indem man z.B. ein Proton immer wieder mit Elektronen beschießt und dann je nach Aufprallstelle unterschiedliche Reaktionen ausgelöst werden, die durch die verschiedenen Eigenschaften der Quarks bedingt sind. Ein Proton besteht aus 2 up- und einem down- Quark, beim Neutron ist es umgekehrt. Tatsächlich ist der Aufbau z.B. des Protons noch weitaus komplizierter, können doch die Gluonen ihrerseits kurzfristig zu Quark- Antiquarkpaaren werden, weshalb ein Proton eigentlich eine brodelnde "Suppe" aus Quarks, Quark- Antiquarkpaaren und Gluonen darstellt.

Wie "groß" ist eigentlich solch ein Quark? Nun, es ist noch tausendmal kleiner als das Proton, misst also rund 10-18 [m] im Durchmesser. In derselben Größenordnung treffen wir wieder auf ein uns schon geläufiges Teilchen, das Elektron. Würden wir ein Quark auf 1 [mm] Größe bringen, hätte das Proton einen Durchmesser von 1 [m] und ein Atom wäre bereits 100 [Km] groß!

Bis heute geht man davon aus, dass die Quarks und Elektronen die fundamentalen Bauteilchen der Materie sind, sie lassen sich nicht weiter zertrümmern. Ganz sicher ist man sich allerdings noch nicht, eventuell sind Quarks aus noch kleineren Subteilchen zusammengesetzt, die bisher unbekannt sind. Die Zukunft wird es zeigen!

Ja verflixt, dürfte mancher sagen, jetzt muss aber langsam Schluss sein mit der Reise in immer kleinere Welten. Gerade deshalb, weil doch vielleicht Quarks nicht weiter teilbar sind? Leider haben wir aber das Ende der Skala noch nicht erreicht!

Zum Schluss unseres Ausflugs in die Welt des Kleinsten müssen wir jetzt nämlich den gewaltigsten Sprung überhaupt vornehmen: In die Quantenwelt. Wir stoßen an die unterste Grenze der Physik, die durch die so genannte Plancklänge definiert ist, einer "Strecke" von nur noch 10-35 [m]. Etwas sinnvoll Kleineres gibt es nun nicht mehr. Doch was könnten wir überhaupt erwarten, auf diesen Skalen sehen zu können (wirklich sehen kann man hier nun in der Tat nichts mehr, hier versagt selbst die ausgefeilteste Technik)?

Wir aber besitzen ein imaginäres Supermikroskop und betrachten den "leeren" Raum zwischen den uns nun schon bekannten Teilchen. Dieses Vakuum ist nicht einfach leerer Raum, uns fallen sofort ungezählte Teilchen auf, die plötzlich aus dem Nichts entstehen! Es sind virtuelle Teilchenpaare, bestehend z.B. aus je einem Elektron und Positron oder einem Photon und Antiphoton. Um zu existieren, leihen sich diese Teilchen die zu ihrer Entstehung notwendige Energie quasi vom Vakuum und geben sie alsbald wieder zurück, indem sie sich gegenseitig wieder vernichten. Die Zeichnung verdeutlicht den Vorgang:

Wir sehen hier keinen "glatten", leeren Raum, sondern vielmehr eine Art brodelnden "See", in dem ständig Teilchenpaare entstehen und wieder vergehen. Virtuelle Teilchen, und seien sie auch noch so groß, kann man im Gegensatz zu reellen nicht sehen oder "vermessen". Denn bei einem solchen Vorgang würden sie allein durch die Beobachtung so viel an Energie gewinnen, dass sie sofort zu einem reellen Teilchen und entfliehen würden. Diesen brodelnden See nennen wir auch Quantenschaum und können uns diesen auch als ein ständigen Fluktuationen ausgesetztes Vakuum vorstellen. Dem Vakuum wohnt eine gewisse Energie inne, die an einer Stelle in einem Moment positiv, im nächsten Augenblick aber schon wieder auf negative Werte abgerutscht sein kann - dargestellt durch die virtuellen Teilchenpaare. Aus diesem ständigen Auf und Ab, Kommen und Gehen ergibt sich eine schaumartige Struktur.

Wenn wir schon so "tief abgerutscht" sind auf die Ebene der Plancklänge, dann müssen hier auch noch kurz die Strings angesprochen werden. Trifft diese Theorie zu, dann bestehen nämlich alle Teilchen aus feinsten Fädchen.
Offener StringHoch gespannt schwingen sie hin und her wie eine angezupfte Gitarrensaite, daher auch ihr Name. Je nachdem, wie schnell und in welcher Art sie schwingen, stellen sie die verschiedenen Teilchen dar wie wir sie schon kennen: Elektronen oder Quarks, Gluonen und alle anderen Teilchen.

StringschleifeStrings können als offene Fädchen auftreten, jedoch auch als geschlossene Schleifen. Korrekterweise spricht man nicht von der, sondern von den Stringtheorien, denn es gibt davon mehrere Unterarten. Zusammengefasst werden sie in der so genannten M- Theorie, wonach wir es nicht mehr mit schwingenden Saiten, sondern mit branes, auch Brane genannt (abgeleitet von Membran) zu tun haben. Nachteil all dieser Theorien ist, dass zu ihrer Beschreibung mindestens 7 zusätzliche Dimensionen, die völlig unsichtbar winzig klein aufgerollt sein sollen, benötigt werden. Noch eklatanter ist, dass diese Theorien keine nachprüfbaren Vorraussagen machen können. Am Ende könnte dennoch daraus eine Theorie der Quantengravitation resultieren, mit deren Hilfe wir z.B. Schwarze Löcher viel besser verstehen könnten.

Kehren wir nun zunächst einmal kurz zum Anfang des ersten Teils zurück. Dort wollten wir mit dem Auto zum Polarstern fahren, einem ziemlich sinnlosen Unterfangen von 5 649 068 Jahren. Doch diese bereits beeindruckende Zahl soll uns den Weg in die richtig großen Dimensionen unserer Heimat weisen - unserem Universum.

Unser Auto Bleiben wir zunächst im Auto sitzen und nehmen uns eine übersichtliche Strecke vor - eine Umrundung der Erde. Der Umfang unseres Planeten von rund 40 000 [Km] stellt kosmisch gesehen eine Winzigkeit dar, auch wenn es bereits sehr schwer fallen dürfte, sich diese Distanz vor dem geistigen Auge vorzustellen! Mit unserem Auto bewältigen wir diese Umrundung in "nur" rund 308 Stunden, das sind knapp 13 Tage Nonstop und natürlich ohne Berücksichtigung von Hindernissen wie Gebirgen oder Meeren. Im Düsenjet geht's schon schneller: Bei etwa 900 [Km/h] schafft er eine Runde in nur noch 44 Stunden. Wehe aber, wir wollten die Erde erwandern. Bei gutem Schritt erkämpfen wir 5 [Km] in der Stunde und müssen ganze 333 Tage und Nächte ohne jede Pause laufen. Blasen und Hühneraugen dürften die Folgen solcher Vorhaben sein...

 

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Versuchen wir jetzt, unser Sonnensystem zu erobern. Zum nächstgelegenen Himmelskörper, dem Mond, ist es astronomisch ja nur ein Katzensprung - rund 384 000 [Km]. Wie lange brauchen wir mit dem Auto? 123 Tage Nonstop - das ist immerhin ein Viertel Jahr! Selbst mit dem Jet fallen noch 18 Tage reine Flugzeit an - wir brauchen also etwas Schnelleres, wenn wir weiter hinaus ins Sonnensystem wollen.

Doch gemach, zunächst einmal müssen wir überhaupt die Erde verlassen können! Um das zu erreichen, ist nämlich eine bestimmte Geschwindigkeit erforderlich, die Fluchtgeschwindigkeit. Nur wenn sie erreicht oder überschritten wird, kann die Gravitation der Erde überwunden werden. Wollen wir gar das Sonnensystem verlassen, ist eine noch höhere Geschwindigkeit notwendig, weil wir auch die Anziehung von Sonne und Planeten zu überwinden haben. Die unterschiedlichen Fluchtgeschwindigkeiten nennt man auch kosmische Geschwindigkeiten:

* Erste kosmische Geschwindigkeit
Diese Geschwindigkeit muss erreicht werden, soll eine Rakete senkrecht bis zum doppelten Radius des Planeten aufsteigen. Auf der Erde sind das 7,9 [Km/s]
* Zweite kosmische Geschwindigkeit
Die eigentliche Fluchtgeschwindigkeit, die erreicht werden muss, will man das Schwerefeld eines Körpers verlassen. Erde: 11,2 [Km/s]
* Dritte kosmische Geschwindigkeit
Die Geschwindigkeit, die ein von der Erde startender Körper zum Verlassen des Sonnen- Gravitationsfeldes benötigt: 42 [Km/s]. Nutzt man die Bahngeschwindigkeit der Erde aus, kann die Geschwindigkeit auf 16,6 [Km/s] reduziert werden.
* Vierte kosmische Geschwindigkeit
Diese Geschwindigkeit muss eine von der Erde, in Bewegungsrichtung der Sonne um das Milchstraßenzentrum abgefeuerte Rakete haben, wenn sie die Galaxis verlassen will: 100 [Km/s]

Nach Überwindung dieser Probleme können wir nun unsere (imaginäre) Rakete auftanken und den Kosmos erobern. Eine Saturn V beispielsweise, die für die Apollo- Mondlandungen benutzt wurde, erreichte 39 000 [Km/h] als "Reisegeschwindigkeit". Durch die Beschleunigungs- und Abbremsphasen dauerte die Reise zum Mond jedoch immerhin noch rund 95 Stunden. Das ist jedenfalls schneller als unser Auto. Doch wir wollen uns nicht länger mit dem Mond aufhalten, sondern "richtige" Entfernungen zurücklegen!

Wir sind stolze Besitzer eines hypermodernen Raumschiffes, das beliebige Geschwindigkeiten erreichen kann und dazu nicht einmal beschleunigen muss. Da wir sofort mit fast Lichtgeschwindigkeit fliegen, passieren wir in nur 3 Minuten bereits den Mars, der mit 55 Millionen [Km ]zufällig seinen erdnächsten Punkt eingenommen hat. Mit dem Auto würde man diese Strecke in 17 600 Tagen bewältigen, immerhin 48 Jahre...

Was wir auf unserer folgenden Reise vernachlässigen sind die relativistischen Effekte! Unsere Borduhr würde, von der Erde aus gesehen, viel langsamer gehen. Und eigentlich müsste sich die Raumzeit in Flugrichtung vor uns zusammen stauchen, wodurch wir deutlich geringere Strecken zurücklegen müssten. Das alles übersehen wir zunächst einmal großzügig...

Da uns etwas langweilig ist, versuchen wir uns einen Maßstab unseres Sonnensystems auszudenken, um die Distanzen leichter zu verstehen. Wir verkleinern einfach alles um den Faktor 1 Milliarde. Aha, die Sonne hat jetzt einen handlichen Durchmesser von 1,4 Metern. Unsere gute Erde ist nur noch 13 Millimeter groß und umrundet die Sonne in 150 [m] Entfernung. Auf den Riesenplaneten Jupiter stossen wir nach 750 Metern und den 2 Millimeter großen Pluto erst nach 6 [Km]. Bis zum nächsten Stern, Proxima Centauri, muss unser Modell auf 40 000 [Km] ausgedehnt werden...

Inzwischen sind 50 Minuten vergangen und wir passieren mit fast Lichtgeschwindigkeit den Gasriesen Jupiter, der sich gerade seinem Apogäum (erdfernster Punkt) von 967 Millionen [Km] nähert. Nachdem wir nun 1 Stunde und 20 Minuten seit unserem Start unterwegs sind, füllt Saturn unseren Bildschirm aus. Wir haben jetzt bereits 1 425 000 000 [Km]zurückgelegt. Wie lange würde wohl das Auto hierzu benötigen? 1251 Jahre Nonstop...!

Erst am Abend unseres ersten Reisetages, nach knapp 7 Stunden, fliegen wir am äußersten Planeten des Sonnensystems, Pluto, vorbei. Er entfernt sich bis zu 50 [AE] (Astronomische Einheiten) von der Erde, das sind 7 484 935 000 [Km]. Im Auto wären wir nach 6570 Jahren längst zu Mumien geworden! Nun wird es etwas langweilig, wenn auch das Schiff immer wieder von Erschütterungen geplagt wird. Das ist eine Folge der ständigen Kollisionen mit Kometen und kleineren Trümmerstücken, denn wir durchfliegen gerade den Kuiper- Gürtel. Erst nach 69 Stunden Flugzeit (500 [AE]) haben wir ihn hinter uns gebracht. Die ständigen Einschläge der Bruchstücke hören dennoch nicht auf, denn wir müssen nun auch noch die Oortsche Wolke überstehen. Wir können uns nun aber bequem zurück lehnen und unsere Freizeit genießen, zu sehen gibt es vorerst nicht mehr viel. In 2,4 Jahren werden wir dann endgültig die äußersten Regionen des Sonnensystems erreicht haben. Wohlgemerkt, wir fliegen ohne Unterbrechung mit fast Lichtgeschwindigkeit! Unser Auto müsste da schon etwas länger fahren, 19 717 953 Jahre!

Langsam wird es wirklich langweilig im Schiff. Wir sind jetzt schon fast 4 Jahre seit unserem Start unterwegs und durchkreuzen überwiegend nichts als leeren Raum.

System Alpha Centauri Nun endlich gibt es etwas zu sehen! Vor uns erscheinen, schnell größer werdend, 3 Sterne. Es sind die der Erde nächstgelegenen Mitglieder des Systems Alpha Centauri. Zunächst stoßen wir auf Proxima Centauri, einem dunklen, roten Zwergstern mit nur 11 % der Sonnenmasse, der 4,2 Lichtjahre von der Erde entfernt ist. Etwas weiter weg, in 4,4 Lichtjahren Erddistanz, sehen wir Alpha Centauri A, ein sonnenähnlicher Stern, der aber heller wie die Sonne strahlt. Begleitet wird er von einem dunklen Stern, der nicht einmal halb so hell wie die Sonne ist, obwohl seine Masse 90 % der Sonnemasse beträgt.

Unser Schiff ist ja hypermodern und mit allem erdenklichen Luxus ausgestattet. Als nächstes Ziel unserer Expedition haben wir das Milchstraßenzentrum anvisiert. Weil die Reisedauer nun doch stark unsere Nerven strapazieren wird und aller Komfort des Schiffes keine Abwechslung mehr bietet, lassen wir uns in einen Tiefschlaf versetzen. Der Bordrechner ist schon programmiert und wird uns pünktlich aufwecken...

Leider sehen wir nicht das wunderbare Schauspiel, wenn unser Schiff an unzähligen großen und kleinen, jungen und alten Sternen, an Planetensystemen, in prächtigen Farben leuchtenden Gasnebeln vorbeizieht. Nur der Bordcomputer zeichnet alles zu Archivierungszwecken auf.

Milchstraßenzentrum Eines Morgens öffnen wir verschlafen die Augen und gehen zur Steuerungszentrale. Deutlich sind leichte Erschütterungen des ganzen Schiffs zu spüren. Erschrocken geht unser Blick zum Kalender: Wir haben fast 25 000 Jahre geschlafen! Ein Blick durch unsere Außenoptik, die automatisch auf den Röntgenbereich umgeschaltet hatte, lässt uns den Grund der Schiffserschütterungen erkennen: Wir sind nahe dem Milchstraßenzentrum. Explodierende Sterne und deren Druckwellen, Gammastrahlen und Röntgenblitze durcheilen den Raum. Unkontrolliert umherirrende Neutronensterne fordern die Navigationsautomatik bis fast an ihre Grenze. Und fast magisch wird unser Blick auf das gigantische Mahlwerk im Zentrum gelenkt: Das rotierende Schwarze Loch von rund zweieinhalb Millionen Sonnenmassen! Allein sein Ereignishorizont hat einen Durchmesser von fast 8 Millionen [Km], den wir natürlich nicht sehen können. Wir sehen aber den blendendweißen Feuerball zerrissener und hoch erhitzter Materie (etwa Bildmitte), die das Loch als Akkretionsscheibe umgibt. Wir beschließen ziemlich schnell, diesen ungastlichen Ort umgehend zu verlassen.

Fast haben wir es vergessen: das mit 130 [Km/h] fahrende Auto hätte bis zum Milchstraßenzentrum 207 Milliarden Jahre benötigt...

Inzwischen haben wir eingesehen, dass es sinnlos wäre wieder zur Erde zufliegen. Dort kennt uns inzwischen niemand mehr. So nehmen wir uns vor, die Andromeda- Galaxie zu besuchen. Um die Flugzeit zu verkürzen, schalten wir jetzt Einsteins Gesetze wieder ein und genießen fortan die Vorzüge der Raumstauchung, die uns den Weg in Flugrichtung deutlich verkürzt. Eine kurze Berechnung mit dem Bordcomputer zeigt, dass durch unsere Geschwindigkeit von 99,999999 % der Lichtgeschwindigkeit die Strecke von rund 2,2 Millionen Lichtjahren auf nur 220 Lichtjahre schrumpft. Eine Prüfung der Triebwerke zeigt, dass sogar 99,99999999% Licht möglich sind: Die Distanz zur Andromeda beträgt dann nur noch 22 Lichtjahre! Das reicht uns gerade für ein kurzes Nickerchen in der Tiefschlafkammer...

Andromeda- Galaxie Gut erholt begeben wir uns nach einem ausgiebigen Frühstück an die Monitore: Da schwebt sie vor uns, die Andromeda- Galaxie mit ihren 6 Begleitern, alles kleine Zwerggalaxien. Unsere Heimat, die Milchstraße, sah eigentlich genauso aus, jetzt erkennen wir sie nur noch als blasses kleines Fleckchen. Während wir die Galaxie aus einiger Distanz betrachten, tönen aus dem Funkempfänger seltsam anmutende Klänge. Es sind wohl künstliche Signale, von unzähligen fremden Intelligenzen produziert, die in der Andromeda beheimatet sind. Kontakt wollen wir jedoch lieber nicht zu ihnen aufnehmen, denn jetzt haben wir den festen Entschluss gefasst, uns das ganze Universum anzusehen. Milchstraße und Andromeda- Galaxie gehören beide zur Lokalen Gruppe , einem kleinen Galaxienhaufen. Nun wollen wir aber einmal einen richtig großen Haufen aus der Nähe zu Gesicht bekommen!

Die nächste Etappe unserer Reise führt nun in wirklich kosmische Distanzen. Während die bisherigen Ausflüge nur "Steinwürfe" waren, werden wir jetzt die riesigen Leerräume des Universums durchqueren müssen. Wir hatten ja viel Freizeit, und die wurde genutzt, um den Antrieb besser kennen zu lernen und zu optimieren. Jetzt können wir noch viel näher an die "Lichtmauer" heran und unsere Reisezeit in angenehme Abschnitte lenken.

Virgo- Cluster Unser nächstes Ziel heißt Virgo- Haufen, es ist der uns nächstgelegene Galaxienhaufen. Aus dem Bordarchiv entnehmen wir, dass er aus rund 2500 Galaxien besteht, die sich in einem Abstand von 50 Millionen Lichtjahren zur Erde befinden. In seinem Zentrum stehen die Galaxien so nahe, dass Kollisionen oder Beinahezusammenstöße an der Tagesordnung sind. Spiralgalaxien, wie unsere Milchstraße oder die Andromeda haben hier kaum eine Überlebenschance. Für unsere Reise hierhin, die wir nun schon hinter uns haben, brauchten wir dank Einsteinscher Physik nur noch 50 Jahre, da wir die Geschwindigkeit auf 99,9999999999% der Lichtgeschwindigkeit steigern konnten. Tja, da Auto? Es müsste 4 × 1014 Jahre fahren...

Der Virgo- Haufen (Virgo= Sternbild Jungfrau) bildet zusammen mit der Lokalen Gruppe und einem weiteren Galaxienhaufen im Sternbild Haar der Berenike (Coma- Haufen, Coma Berenices) einen so genannten Supercluster, den Lokalen Superhaufen. Der Virgo- Haufen, der selbst schon eine Ausdehnung von 10 Millionen Lichtjahren hat, bildet dabei mit seiner riesigen Masseansammlung das Zentrum des Superhaufens. Durch seine Gravitation wird die Lokale Gruppe mit etwa 100 bis 400 [Km/s] dort hingezogen. Die Galaxien des Virgohaufens haben durch die große Massekonzentration im Zentrum enorme Eigengeschwindigkeiten von bis über 1500 [Km/s]. Zwischen den Galaxien finden sich viele Einzelsterne und Planetarische Nebel, die wohl durch die Wechselwirkung der Galaxien untereinander verloren gingen.

Unsere Geschwindigkeit hatten wir natürlich gedrosselt, um die Schönheit der riesigen Galaxienansammlung aus gehöriger Distanz in Ruhe zu bewundern. An diesem Schauspiel kann man sich fast nicht satt sehen und es geht einem durch den Kopf, wie viel bewohnte Planeten es dort draußen wohl geben mag. Schließlich detektieren unsere Empfangsgeräte auf allen Wellenlängen einen undefinierbaren Wirrwarr künstlicher Signale in der Nähe fast jeder Galaxie...

Doch wir wollen uns ja weiter steigern und beschließen, nun auch eine noch größere Struktur im Universum aufzusuchen, den Sculptor Supercluster. Wir lassen schon einmal die Triebwerke warm laufen, denn dieser Superhaufen ist rund 1 Milliarde Lichtjahre von der Erde entfernt! Dabei hat er die gigantische Ausdehnung von 250 Millionen Lichtjahren.

Unsere Geschwindigkeit haben wir jetzt auf den fantastischen Wert von 99,999999999999999% der Lichtgeschwindigkeit steigern können, bei diesem Tempo ist für uns die restliche Strecke von 950 Millionen Lichtjahren nur noch lächerliche 30 Lichtjahre lang. Bevor wir uns nochmals "kurz auf's Ohr legen", interessieren uns nochmals die großen Strukturen im Kosmos und wir blättern deshalb im Bordarchiv.

Wir lesen:

Die große Mauer Bis etwa 1989 waren die Galaxiensuperhaufen die größten bekannten Strukturen im Universum, sie werden getrennt durch riesige, Millionen von Lichtjahren große Blasen leeren Raums, die man voids nennt. Erst im genannten Jahr gelang es den Astronomen Margaret Geller und John Huchra anhand von Rotverschiebungen eine dreidimensionale Galaxienkarte zu erstellen. Sie fanden dabei eine gigantische Struktur, einen Galaxienbogen von 500 Millionen Lichtjahren Länge. Bei einer Tiefe von 200 Millionen Lichtjahren ist diese ungeheure Materieansammlung, welche Die große Mauer getauft wurde, nur 15 Millionen Lichtjahre dick. Wir sehen im unteren Bild das so genannte Geller- Huchra- Männchen, eine Anordnung der bis dahin insgesamt 1732 gezählten Galaxien in etwa menschenähnlicher Gestalt. Die "Arme" bilden dabei die Große Mauer. Darüber sehen wir den Sloan Great Wall (siehe auch weiter unten), eine auf 11 243 Galaxien erweiterte Darstellung der Großen Mauer.

Großer Attraktor Schon 1986 wurde eine ähnliche Materieansammlung erkannt, der Große Attraktor. Er liegt zwischen 150 und 250 Millionen Lichtjahren von der Erde entfernt in Richtung der Sternbilder Hydra und Centaurus. Diese Masse zieht unzählige Galaxien über Millionen von Lichtjahren an. Was wir hier als leuchtende Materie in Form von Galaxien sehen, macht nur einen Bruchteil der Masse aus, etwa 5 bis 10- Mal mehr dürfte in der unsichtbaren Dunklen Materie verborgen sein. Die im Bild zu sehenden Galaxien sind Teil eines Clusters mit Namen ACO 3627, der sich nahe dem Zentrum des Großen Attraktors befindet. Dieser auch als Norma Cluster bekannte Haufen war lange nicht untersucht, weil der Staub in der Scheibe der Milchstrasse den größten Teil seines Lichts verschluckt

Vielleicht können wir auf unserem Flug noch größere Strukturen ausfindig machen? Jetzt wird es aber erst einmal Zeit für die Schlafkammer!

Eine kleine Ewigkeit später...

Völlig erschöpft und schlaftrunken entsteigen wir unserer Tiefschlafkammer. Mit einem ersten Blick in die Kommandozentrale erkennen wir sofort: Irgendetwas stimmt hier nicht! Der Sculptor- Cluster, den wir uns eigentlich ansehen wollten, liegt bereits weit hinter uns. Allem Anschein nach hat die Automatik versagt und uns viel zu spät geweckt. Es ist aber nicht mehr zu ändern: Wir sind nun schon 8 Milliarden Lichtjahre von daheim entfernt. Ein Blick auf den Monitor der Außenoptik lässt uns das Missgeschick jedoch schnell vergessen und uns fast eine Gänsehaut über den Rücken laufen:

Die jüngsten Galaxien

it freundlicher Genehmigung von: NASA, ESA, S. Beckwith (STScI) und HUDF Team

Der Anblick ist einfach fantastisch! Wir sehen direkt auf Tausende von Galaxien, die fast so alt sind wie das Universum selbst. Unsere Analysatoren bestätigen die Vermutung: Diese Galaxien sind gerade mal zwischen 1 und 2 Milliarden Jahre alt! Wenn wir dort hinfliegen, und das ist jetzt unser Ziel, sind wir etwa 11 oder 12 Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt. Unser Auto? Es müsste 10 × 1016 Jahre fahren, um so weit zu kommen. Um genau zu sein:

9 968 914 647 000 000 Jahre!

Der entfernteste Quasar Wir durchsuchen den Galaxiendschungel nach einem für uns interessanten Objekt und stoßen auf den entferntesten Quasar, den je ein Mensch von der Erde aus erblickte. Er trägt die Bezeichnung GB1508+5714 und ist 12 Milliarden Jahre von der Erde entfernt. Ein solch junges Objekt wollen wir uns doch einmal aus der Nähe ansehen! Und die nächsten 4 Milliarden Lichtjahre sind bei unserer noch weiter gesteigerten Reisegeschwindigkeit fast eine Kleinigkeit. Also machen wir uns wieder auf den Weg...

Wir haben unser letztes Ziel erreicht, sind fast 12 Milliarden Lichtjahre durchs Universum gereist und sehen jetzt den sehr jungen Quasar GB1508+5714 vor uns im Raum stehen. Es ist eine junge Galaxie, in deren Zentrum ein riesiges Schwarzes Loch umgebende Materie förmlich an sich reißt. Ganze Sterne werden zerrissen und unbarmherzig in den Mahlstrom aus ultrahoch erhitzter Materie gezogen.

Gerade, als wir errechnen, dass wir die unglaubliche Distanz von über 113 Trilliarden, 1.13 × 1023 [Km] zurückgelegt haben, das sind

113 526 432 000 000 000 000 000 [Km],

fällt uns auf, dass wir einem Irrtum unterlegen sind. Das was wir hier sehen, kann unmöglich der Quasar sein! Das Bild, welches die irdischen Astronomen aufgenommen hatten, zeigte den Quasar ja in einem Alter von etwas mehr als 1 Milliarde Jahre. Jetzt aber, wo wir hier sind, ist er 12 Milliarden Jahre älter! Und vor allem, er hatte 12 Milliarden Jahre Zeit, sich weiter durch die Expansion des Alls von der Erde zu entfernen. Der Quasar, den wir suchten, ist längst auf und davon und aus unseren Blicken entschwunden. Was unsere Außenoptik zeigt, ist ein völlig unbekanntes Objekt...

Was nun? Am Ende unserer Reise mangelt es an lohnenswerten Zielen. Zur Erde zurückkehren? Nein, das wäre völlig sinnlos, denn sie ist längst im Glutball der zum Roten Riesen aufgeblähten Sonne vergangen. Sie existiert nicht mehr, und die Sonne ist nur noch ein sich langsam abkühlender Weißer Zwerg.

Wir könnten vielleicht beginnen, die Sterne des Universums zu katalogisieren? Bei der geschätzten Anzahl von über 10 Trilliarden eine kaum zu bewältigende Aufgabe.
Die Hoffnungslosigkeit unserer Lage wird uns jetzt richtig bewusst. Im Bordarchiv finden wir noch einige Angaben, wie es mit dem Universum weitergehen wird: in etwa 1014 Jahren werden die letzten Sterne im All verlöschen - es wird absolut finster. In 1032 Jahren könnten die Protonen zerfallen - die Atome lösen sich auf. In jedem Fall aber werden sich die Galaxien in 1064 Jahren auflösen. Die stabilsten Objekte im All, die Schwarzen Löcher, verdampfen in 10600 Jahren...

Wir wollen gar nicht weiter darüber nachdenken, diese Zeiträume sind einfach unvorstellbar groß. So beschließen wir, die Rakete nochmals zu starten und in einer hübschen Galaxie einen bewohnbaren Planeten zu suchen, auf dem wir den Rest unserer Tage verbringen können...

Die nachstehende Tabelle wurde freundlicherweise von Werner Braun zur Verfügung gestellt. Sie gibt uns eine fantastische Übersicht - in Zahlen ausgedrückt - in welch grandioser Welt wir leben. Danke für die mühevolle und umfangreiche Zusammenstellung!

Um seine Aphorismen zu sehen, bitte auf den Link klicken und im Suchfenster seinen Namen eintragen. Leider ist mein langjähriger Mail- Freund 2006 an einer unheilbaren Lungenkrankheit verstorben. Mit dieser Zusammenstellung hat er sich selbst ein kleines Denkmal gesetzt!

Größe USA DEUTSCHLAND Beschreibung

 

[H2SO4]

10-51
- -

Oktilliardstel


Ein Photon hat weniger als 10-51 Gramm Ruhemasse

10-29
- - Quadrilliardstel Theoretische Größe des Weltalls beim Urknall oder Big Bang: 10-29 [mm]
10-27 - - Quadrilliardstel Quark, Elektron und Positron haben je 0,9 × 10-27 Gramm Ruhemasse
10-24 septillionth Quadrillionstel

(yocto-)
Ein Proton, H-Atom und Neutron haben je 1,67 × 10-24 Gramm Ruhemasse
10-21 sextillionth Trilliardstel

(zepto-)
Zeit, die Licht braucht um ein Proton zu durchqueren: 3 × 10-23 Sekunden
10-18 quintillionth Trillionstel

(atto-)
Ein Quark misst 10-18 Meter (je 3 Quarks bilden 1 Neutron oder Proton)

Die durchschnittliche Stromstärke einer Körperzelle beträgt 4 trillionstel Ampere
10-15 quadrillionth Billiardstel

(femto-)
Ein Virus wiegt 10 Femtogramm = 10 Billiardstel Gramm (und besteht aus 6000 bis 70.000 Atomen.)

Ein Quark oder Elektron misst 10-15 [mm]
10-12 trillionth Billionstel

(pico-)
Durchmesser eines Atomkerns: 10-14- 10-15 Meter= 1/100 Billionstel Meter
Eine Bakterie wiegt 1 Billionstel Gramm (=1 picogramm)
Ein Proton/Neutron misst 10-12 [mm]
In 3 Picosekunden legt das Licht einen Millimeter zurück
10-9 billionth Milliardstel

(nano-)1 Nanometer =

1 Milliardstel Meter =

1 Millionstel [mm]
Der Durchmesser des Atomkerns beträgt 10-11 - 10-12 [mm] (1/100 Milliardstel [mm] bis 1 Billionstel [mm])
10-6 millionth Millionstel

(micro-)

(1 Nanometer ist 1 Millionstel [mm])
Ein Atom misst rund 10-7 [mm] (= 1 Zehnmillionstel [mm])
Durchmesser DNS/DNA: 2 Millionstel [mm] (1 Chromosom besteht aus DNS, 3% der DNS sind Gene)
In einer 300 Millionstel Sekunde legt das Licht einen Meter zurück
10-5 hundred thousandth Hunderttausendstel Ein Virus misst 1 bis 30 Hunderttausendstel [mm] (10-5 bis 3 × 10-4 [mm])
Die kleinste Bakterie misst 2/100.000 [mm] (besteht aus 2,5 Milliarden Atomen)
Ein Hunderttausendstel Gramm: 1 Trillion Atome
Für einen km braucht das Licht eine Dreihunderttausendstel Sekunde
10-4 ten thousandth Zehntausendstel Die maximale Größe eine Virus beträgt 3 Zehntausendstel [mm]
Die Wellenlänge des Lichts beträgt 0,0005 [mm] (= 5 Zehntausendstel [mm])
Ein Rauchpartikel misst 3 Zehntausendstel [mm]
10-3 thousandth Tausendstel

(milli-)

1 Tausendstel [mm] = 1 Mikrometer
Eine normale Bakterie misst durchschnittlich 1/1000 [mm]

Ein rotes Blutkörperchen mißt 8/1000 [mm]

Eine Zelle mißt durchschnittlich 1/1000 [mm]
10-2 hundredth Hundertstel

(zenti-)
Ein Spermium misst 0,05 [mm] = 5/100 [mm]

Lametta ist 0,022 [mm] dick
10-1 tenth Zehntel

(dezi-)
Ein Haar misst rund 1 Zehntel bis 5 Hundertstel [mm] (= 1 Million Atome Breite)

Ein Haar von 0,1 [mm] Breite entspricht 1 Million Atomen oder 1000 bis 10 000 Viren oder 100 Bakterien nebeneinander

Die kleinste Milbe misst 1 Zehntel [mm]

Eine Amöbe misst rund 0,2 [mm]
100 one Eins Der größte Mensch war 2,72 Meter groß, der kleinste Erwachsene (eine Frau) 59 [cm]

Wäre ein Haar von 0,1 [mm] 1 km breit, dann entspräche 1 [mm] einem Atom
101 ten Zehn Der größte Dinosaurier (Supersaurus) wurde bis 40 [m] groß. Er war bis heute das größte Tier. Der heute lebende Blauwal bringt es "nur" auf 33 [m], wiegt aber mehr als der Supersaurus
102 hundred Hundert Der schwerste Mann wog 635 Kilogramm, die schwerste Frau 476 Kilogramm
103 thousand Tausend Die Erdumdrehung am Äquator beträgt 1670 [Km/h]
104 tenthousand Zehntausend Der größte bekannte Galaxienhaufen (Coma-Haufen) umfaßt 10 000 Galaxien

Ein durchschnittlicher Mensch wird keine 30 000 Tage alt (= 82,1 Jahre)
105 hundredthousand Hunderttausend Die Erde dreht sich mit 107 000 [Km/h] um die Sonne (940 Mio. [Km] Bahnumfang)
106 million Million Ein Jahr hat 31,536 Millionen Sekunden. (3 × 107 )

 

[H2SO4]

Das Licht ist 10 Millionen mal schneller als ein Auto mit 110 [Km/h]

Der Virgo- Galaxienhaufen ist 100 Millionen Lichtjahre groß (Es gibt wohl Haufen bis zu 1 Mrd. [Lj])

Die Milchstraße reist mit 2 160 000 [Km/h] Richtung Virgohaufen

Die Sonne hat einen Durchmesser von 1,4 Mio. [Km] und ist 150 Mio. [Km] entfernt

Zehn Millionen Atome nebeneinander entsprechen 1 [mm]

Eine Million Minuten entsprechen 1,9 Jahren

Eine Million Sekunden entsprechen 11,5 Tagen

Eine Million Stunden entsprechen 114 Jahren

Ein Jahr hat 31,5 Millionen Sekunden

Ein [mm] Materie entspricht rund 10 Millionen Atomen nebeneinander
109 billion Milliarde Der Durchmesser des Sonnensystems beträgt 12 Mrd. [Km] (1 Mio. mal Erddurchmesser)

Das Licht reist pro Stunde über 1 Mrd. [Km], pro Tag 26 Mrd. [Km] und im Monat 788 Mrd. [Km]

Eine durchschnittliche Galaxie besteht aus 100 Milliarden Sternen

Das Alter des Universums beträgt mindestens 13,7 Mrd. Jahre

Vor rund 3,8 Milliarden Jahren Entstehung des Lebens auf der Erde

Auf der Erde gibt es 1,4 Milliarden Kubikkilometer Wasser

Die größte bekannte Sonne, Epsilon Aurigae, hat einen Durchmesser von 3,7 Mrd. [Km]

Eine Milliarde Sekunden entsprechen 31,7 Jahren
1012 trillion Billion

(= 1 Million Millionen)
Alter des Universums: 5 Bio. Tage oder 120 Bio. Stunden (= 13,7 Mrd. Jahre

1 Lichtjahr sind 9,4605 Bio. [Km]

Proxima Centauri, der nächste Stern, ist 39,7 Bio. [Km] entfernt

In 100 Billionen (1014) Jahren sind alle Sonnen des Universums erloschen

Ein menschliches Spermium besteht aus 2 Billionen Atomen

Der Mensch hat ungefähr 100 Billionen Zellen.(umstritten, auch 10 Billiarden möglich)
1015 quadrillion Billiarde Alter des Universums: 7,2 Billiarden Minuten oder 432 Billiarden Sekunden

1000 Lichtjahre sind rund 10 Billiarden [Km]

Die Milchstraße (Durchmesser 100 000 Lichtjahre) misst 946 Billiarden [Km] (rund 1 Trillion).

Es gibt circa 10 Billiarden Ameisen auf der Erde

Eine Amöbe besteht aus 500 Billiarden Atomen
1018 quintillion Trillion

(= 1 Milliarde Milliarden)
1 Million Lichtjahre sind 10 Trillionen [Km]

1 [mm3] = 100 Trio. Atome (Sandkorn, Stecknadelkopf...)

Ein Hunderttausendstel Gramm = 1 Trillion Atome

In 1 Trillion Jahren gibt es nur noch Schwarze Löcher, Schwarze Zwerge und Neutronensterne im Universum

Ein Mensch ist 1 Trillion mal größer als ein Elektron
1021 sexillion Trilliarde Anzahl der Sterne im bekannten Universum: 1022 = 10 Trilliarden

1 [g] (=1 [cm3]) Wasser hat 100 Trilliarden Atome

1 Milliarde Lichtjahre sind 10 Trilliarden [Km]

Durchmesser Weltall: 300 Trilliarden [Km]

Damit ist das uns bekannte Universum 300 000 mal so groß wie die Milchstraße und über 2 Trillionen mal so groß wie der Durchmesser der Erde

Avogadrozahl: 6 × 1023 = Zahl der Atome in 12 Gramm Kohlenstoff

Auf der Erde gibt es mindestens 500 Trilliarden Sandkörner

Auf der Erde gibt es 1,4 Trilliarden Liter Wasser

Auf der Erde gibt es über 10 Trilliarden Insekten
1024 septillion Quadrillion

(= 1 Billion Billionen)
Der Durchmesser des Weltalls (30 Mrd. [Lj])= 285 Quadrillionen Meter

10 Gramm Wasser = 1 Quadrillion Atome(=1024)

1 Kilogramm oder 1 Liter Wasser = 100 Quadrillionen Atome

Die Erde wiegt 6 Quadrillionen Kilo

1 Quadrillion Meter sind 100 Millionen Lichtjahre

Die Weltmeere bestehen

aus rund 45 Quadrillionen Tropfen Wasser
1027 octillion Quadrilliarde Der Durchmesser des Weltalls (30 Mrd. [Lj])= 285 Quadrilliarden [mm]

Der Mensch (70 Kilogramm) besteht aus 7x1027 = 7 Quadrilliarden Atomen

In 1 Quadrilliarde Jahren ist unsere Milchstraße nur noch ein einziges Schwarzes Loch
1030 nonillion Quintillion Auf der Erde gibt es rund 1 Quintillion Bakterien

Die Lebensdauer eines Protons beträgt im Schnitt zehn Quintillionen Jahre

Die Sonne wiegt 2 Quintillionen [Kg]

Die höchste Temperatur, die es je gab, war 1,4 × 1032 [K] (beim Urknall)
1033 decillion Quintilliarde Die Sonne wiegt 2 Quintilliarden Gramm
1036 undecillion Sextillion 2,85 Sextillionen Atome nebeneinander entsprechen 30 Mrd. [Lj] (Durchmesser Universum) In 10 Sextillionen

Jahren sind alle Protonen zerfallen
1039 - - Sextilliarde Die Milchstraße wiegt 250 Sextilliarden Kilogramm
1042 - - Septillion Die Sonne erzeugt pro Sekunde 2 x 1044 Neutrinos (oder evtl. 200 Sextillionen)

In der Erdatmosphäre sind 1044 Luftatome

Zahl aller möglichen Schachzüge: 2 Septillionen (oder sogar 30 Septilliarden)
1045 - - Septilliarde - -

 

[H2SO4]

1048 - - Oktillion Die Erde besteht aus 6 × 1049 = 60 Oktillionen Atomen
1051 - - Oktilliarde Die Masse des Universums beträgt 1,44 × 1053 Kilogramm (144 Oktilliarden [Kg])
1054 - - Nonillion Die Masse des Universums beträgt 1,44 × 1056 Gramm
1057 - - Nonilliarde Die Sonne besteht aus 1057= 1 Nonilliarde Atomen
1060 - - Dezillion - -
1063 - - Dezilliarde - -
1066 - - Undezillion Die Milchstraße besteht aus 1068= 100 Undezillionen Atomen
1069 - - Undezilliarde - -
1072 - - Duodezillion - -
1075 - - Duodezilliarde - -
1078 - - Tredezillion Das (bekannte) Weltall besteht aus 1079 = 10 Tredezillionen Atomen
1081 - - Tredizilliarde - -
1084 - - Quattuordezillion - -
1087 - - Quattuordezilliarde Geschätzte Zahl der Photonen im All: 1089 (100 Quattuordezilliarden)

1089: Zahl der Neutrinos (1 Milliarde mal Zahl der Protonen)
1090 - - Quindezillion - -
10100 googol Googol

(10 Sexdezilliarden)
In 1 Googol Jahren sind alle Schwarzen Löcher zerstrahlt in Elektronen, Positronen und Photonen
10120 - - Vigintillion - -
10126 - - Unvigintillion 10128: Hypothetische Zahl der Elementarteilchen, wenn Universum voller Elementarteilchen wäre (also ohne Leerräume)
10600 - - Zentillion In 10500 Jahren könnte (Theorie Asimov) aus Quantenfluktuationen wieder neue Materie entstehen, vielleicht ein neues Universum)
10googol - - Googolplex ? ? ?
- - Wenn unser Sonnensystem (Durchmesser 12 Mrd. [Km]) 1 [mm] groß wäre, wäre unsere Milchstraße (950 Billiarden [Km]) 80 [Km] groß

Die nächste Sonne Proxima Centauri in 4 Lichtjahren (40 Bio. [Km]) wäre dann 3,45 [m] entfernt

Wäre die Milchstraße auf 1 [Km] reduziert, dann wäre das Sonnensystem 0,0125 [mm] groß!)

Reduziert man die Milchstraße auf 1 [mm], wäre das Universum eine Kugel von 300 Metern Durchmesser

Der Durchmesser der Milchstraße entspricht 80 Millionen Mal der unseres Sonnensystems

Topologie

Wenn man sich intensiver mit dem Universum befasst kommt man unweigerlich zu der Frage: Welche Gestalt mag es haben? Diese Frage ist jedoch, wenn überhaupt, nicht einfach zu beantworten, denn schließlich können wir unsere kosmische Heimat nicht mal eben von "außen" betrachten.

Doch gemach, befassen wir uns zuerst kurz mit einem Begriff, dem der Topologie. Denken wir uns dazu alle Unebenheiten und Meere der Erde weg und marschieren einfach von unserem Haus aus los. Zwar erscheint uns die Erde wie eine Ebene, aber irgendwann stehen wir wieder vor unserem Haus, das wir aber jetzt von hinten sehen. Aha, kombinieren wir messerscharf, die Erde ist also eine Kugel! Mit diesem Wissen gehen wir jetzt ins Universum hinaus. Uns steht eine Rakete zur Verfügung, die mit beliebiger Geschwindigkeit fliegen kann (natürlich nur in Gedanken, Einstein würde uns ansonsten auslachen!). Wenn wir sie also auf die Reise schicken, so wird sie eines Tages wieder exakt am Ausgangspunkt ankommen. Der Kosmos könnte also ebenfalls kugelförmig sein! Allerdings ist er dann keine 3- dimensionale Kugel wie die Erde (mit einer 2- dimensionalen Kugeloberfläche), sondern eine 4- dimensionale Hyperkugel. Übrigens beträgt die Anzahl Dimensionen der Oberfläche eines n- dimensionalen Körpers immer n - 1. Bei einer 3- dimensionalen Kugel hat demnach die Oberfläche 2 Dimensionen, die Hyperkugel hat eine 3- dimensionale Oberfläche.

Könnte nun ein kosmischer Töpfer die ganze Erdkugel auf seine Drehscheibe legen und munter mit der Arbeit beginnen, so würde er vielleicht zunächst alles ein wenig platt drücken und aus der Erde einen hübschen Pfannkuchen formen. Zieht er nun die Seitenränder hoch, entsteht vielleicht ein Becher oder eine Vase...oder er formt einfach einen Würfel.
Genau das macht die Topologie, einem Gebiet der Mathematik. Sie untersucht, wie durch Dehnen oder Stauchen, Verbiegen oder Verdrillen eines Körpers dessen geometrische Eigenschaften nicht verändert werden. So ließe sich aus der Erde ein Becher formen, und doch bliebe die Geometrie erhalten. Wir könnten an einem beliebigen Punkt auf der Becheroberfläche starten und würden irgendwann am Ende unserer Wanderung wieder am Ausgangspunkt eintreffen. Der kosmische Töpfer könnte nun die unterschiedlichsten Formen aus der Erde herstellen, hohe oder niedrige, dick- oder dünnwandige Becher usw. Es sind also sehr viele Topologien denkbar, die alle miteinander verwandt sind. Das Gebiet der Topologie umfasst noch viel mehr mathematische Bereiche, aber das soll uns hier nicht weiter tangieren.

Eine Kaffeetasse ließe sich beispielsweise in eine Torusform überführen, ähnlich einem Fahrradschlauch oder einem Doghnut. Auch hier bleiben die geometrischen Eigenschaften vollständig erhalten:

Verwandte Topologien

Interessant ist dabei, dass möglicherweise sogar das ganze Universum ein Torus sein könnte. Dazu aber weiter unten mehr.

Die Hypersphäre

Welcher Topologie folgt nun unser Universum? Nun, im "einfachsten" Fall hätten wir es mit der oben erwähnten Hyperkugel zu tun. Wir können uns ein solches Gebilde nicht mehr vorstellen, weil es vierdimensional ist. Dennoch wäre dies die simpelste und deshalb wohl auch naheliegenste Lösung. Die Kugel ist die natürlichste Form im Universum, denn immer wenn genügend Materie zusammen kommt, bildet sich eine Kugel. Sterne, Planeten und die meisten Monde beweisen es uns. Wenn ein solcher Körper rotiert, bildet sich allerdings ein Rotationsellipsoid aus, d.h. die Kugel bekommt einen größeren Äquatordurchmesser und einen kleineren Polradius. Fälschlicherweise hatte ich selbst einmal vermutet, dass dann auch das ganze Universum ein solches "Ei" sein könnte, weil es rotiert. Auch Gödel ist seinerzeit von letzterer Annahme ausgegangen. Doch Gebilde, die in einer Expansion begriffen sind wie der Kosmos (was Gödel damals noch nicht wissen konnte), können nicht gleichzeitig rotieren.

Doch zurück zum Kugelkosmos. In seiner "Kindheit" war das All unvorstellbar klein, wir sprechen bei seiner Ausdehnung von einem Bereich einer Plancklänge (genauer gesagt [Lp]3). In diesem winzigen Volumen soll der Urknalltheorie nach alle Energie des Universums (womit auch die gesamte Materie gemeint ist) vereint gewesen sein. Ein solcher Winzling war damit ein quantenphysikalisches Objekt und konnte eigentlich nur die Form einer Kugel besessen haben, wenn auch nur einer sehr kleinen. Wir gehen davon aus, dass alle uns bekannten Quantenteilchen kugelförmig sind. Pyramidische Protonen, zylindrische Quarks oder quaderförmige Elektronen wären sicherlich ein physikalischer Klamauk, wenn auch unter diesen Formen eine topologische Verwandtschaft bestünde. Falls aber die Stringtheorien zutreffen, wird die Geschichte doch komplizierter, denn demnach sind die Teilchen durch schwingende Fädchen bzw. Membrane charakterisiert.

Nun gibt es eigentlich kaum ein vernünftiges Argument welches uns glauben ließe, dass der Kosmos bei seiner jetzt folgenden Expansion diese Topologie nicht beibehalten sollte. Wir können also getrost - vorerst - weiterhin von der Hyperkugel ausgehen. Zwei Einschränkungen müssen wir dennoch in Kauf nehmen:

* Die Verteilung von Masse/Energie im Universum ist nur auf sehr großen Skalen gesehen gleichmäßig. In kleineren Maßstäben gibt es durchaus große Masseansammlungen, wie z.B. der Große Attraktor. Diese Zusammenballungen können die Expansion in einer Richtung etwas verlangsamen, wodurch unsere schöne Hyperkugel die eine oder andere "Delle" bzw. "Beule" in massearmen Gegenden bekommen dürfte.
* War das Universum ganz im Anfang ein noch völlig homogenes Objekt, so stellten sich im Laufe seiner Entwicklung aber Fluktuationen ein: feine Schwankungen der Energiedichte führten nach und nach zur Ausbildung von Strukturen, die wir noch heute aus der Hintergrundstrahlung ablesen können. Sie könnten auch die Topologie beeinflusst haben und unseren Kosmos wie ein annähernd kugelförmiges Schaumbad aussehen lassen.

Von der Topologie unterscheiden müssen wir die Geometrie, die aber von der Topologie abhängig ist. Wie wir heute wissen, ist diese Geometrie in unserer näheren und weiteren Nachbarschaft, ja im ganzen All euklidisch. Das bedeutet beispielsweise, dass wir ein viele Lichtjahre großes Dreieck ins All zeichnen können und als Winkelsumme immer exakt 180° messen würden. Wäre das Universum deutlich sphärisch (positiv) oder sattelförmig (negativ) gekrümmt, dann müsste diese Summe spürbar größer bzw. kleiner sein. Den Messungen der WMAP- Sonde (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) zufolge ist die Geometrie in unserem Kosmos aber euklidisch. Das bedeutet schlichtweg, dass wir in einem flachen, offenen, ewig expandierenden Kosmos leben. Unsere schöne Kugelform ist damit wohl hinfällig und wir dürfen uns nun das Universum als eine ebene Fläche vorstellen, wie ein Blatt Papier, nur halt nach allen Seiten unendlich ausgedehnt.

Das Trichteruniversum

Bereits durch das Cobe- Experiment hatte man feine Unregelmäßigkeiten im Mikrowellenhintergrund entdeckt. Diese winzigen Temperaturschwankungen entsprechen Dichtefluktuationen, die sich wellenförmig im Universum ausbreiteten. Wellen aber lassen sich auch "Obertöne" zuordnen, ähnlich einer gezupften Gitarrensaite, welche durch die Obertöne ihren charakteristischen "Sound" erhält. Die "Obertöne" der Dichtewellen sind durch WMAP ziemlich genau bekannt und aus ihrer Analyse ließ sich die euklidische Geometrie des Kosmos ableiten. Auch hatte man in der Hintergrundstrahlung entdeckt, dass auf großen Skalen keine größeren Strukturen als etwa einer Ausdehnung von 60° zu finden waren, weder "heißere" noch "kältere" Flecken. Dr. Ralf Aurich sowie Prof.Dr. Frank Steiner von der Universität Ulm meinen nun, dass dieser Umstand sehr gut zu einem Universum passt, welches eine Art von gebogener Trichterform aufweist, bezeichnet als Picard- Topologie. In diesem Modell hat das Universum ein endliches Volumen, von 1032 Kubiklichtjahren, ist also nicht unendlich groß. Als das Universum 380 000 Jahre alt war, der Zeitpunkt, an dem die Hintergrundstrahlung freigesetzt wurde, war es zu klein, um größere Fluktuationen zu erzeugen als die heute beobachteten. Ein solch exotisches Modell wäre wirklich sehr befremdlich. Auf der sich verjüngenden Seite würde das Horn unendlich lang gezogen, hätte aber aufgrund seiner immer enger werdenden Ausdehnung nur ein endliches Volumen. Das andere Ende weitet sich dagegen auf, jedoch nicht unbegrenzt. Ein durch das All rasender Astronaut würde hier nicht aus dem Trichter herausfliegen können, sondern "am Ende" des Horns auf einen Punkt stoßen, an welchem er sich automatisch in entgegengesetzter Richtung bewegt.

Trichteruniversum Nicht nur die beobachtete Größe der Strukturen in der Hintergrundstrahlung ist für Aurich/Steiner ein Beleg für ihr Modell, sondern noch ein weiterer. In einem flachen Universum sollten die kleinsten Strukturen im Strahlungshintergrund kreisförmig erscheinen. Sie haben jedoch eher die Form von Ellipsen. Das wäre auch erklärlich in einem trichterförmigen Kosmos, denn durch seine Krümmungen würde ein kleiner betrachteter Abschnitt in etwa die Form eines Kartoffelchips annehmen, wäre sattelförmig negativ gekrümmt. Einen Haken gibt es allerdings: Würde man sich irgendwo im sich verjüngenden Trichter in diesem Hornuniversum aufhalten, könnte man seinen eigenen Hinterkopf bewundern. Wir wären jedoch viel zu weit von solch exotischen Orten entfernt. Bevor wir nun vorschnell ein Urteil über diese Topologie fällen, warten wir besser noch ab, ob nicht der neue, noch viel präzisere Satellit Planck exaktere Daten der Hintergrundstrahlung liefern wird. Vielleicht gibt es doch noch größere Strukturen und die kleinen sind dann eher rund als elliptisch...oder unser Universum ist wirklich platt wie eine Flunder.

Der Kosmos als Fußball

Ein französisch- amerikanisches Team von Kosmologen um Jean Pierre Luminet hat ebenfalls die WMAP- Daten ausgewertet. Auch sie stützen sich darauf, dass die größten Strukturen in der Hintergrundstrahlung eine maximale Ausdehnung von 60° aufweisen. Das Standard- Urknallmodell geht von einem flachen, euklidischen Universum aus, welches sich bis in alle Ewigkeit ausdehnt und damit möglicherweise unendlich groß wird. Wenn dem so ist, müssten Strukturen der Hintergrundstrahlung auch beliebig groß sein können. Nicht so im Luminetschen Universum: es ist endlich und es kann deshalb auch keine Fluktuationen in der Temperatur der Hintergrundstrahlung geben, die größer als das Universum selbst wären.

Das Universum ein Fußball? Und wie sieht nun dieses Universum aus? Den Fußballfreunden wird hiermit Recht gegeben: Die ganze Welt ist ein Fußball! Diese Topologie, ein so genannter dodekaedrischer Poincare- Raum hätte in der Tat Ähnlichkeit mit einem Fußball. Das Universum würde uns erscheinen wie aus 12 nahtlos miteinander verbundenen, gewölbten Fünfecken, Pentagone genannt. Allerdings ist die Fußballähnlichkeit nur eine scheinbare, denn auch diese Topologie ist vierdimensional! Ein solcher Poincare- Raum also ist ein in eine vierte Dimension hinein gekrümmter Raum und bildet eine Art Hypersphäre. Die dreidimensionale Oberfläche, vorstellbar halt als "großer Fußball", ist der Pentagon- Dodekaeder, zusammengesetzt aus 12 Pentagonen. Etwas verzwickter als ein Fußball ist ein solches Dodekaeder- Universum dann aber doch, es ist aus 120 Polygon- Dodekaedern zusammengesetzt. Das Luminetsche Universum weist eine positive Krümmung auf, es hat also eine endliche Größe und ist geschlossen.



Oder doch ein Doghnut?

 

[H2SO4]

Wie schon eingangs bei der Umformung der Kaffeetasse angedeutet, könnte unser Kosmos auch eine torusförmige Topologie angenommen haben. Das kann aber nur dann zutreffen, wenn wir entgegen der aktuellen Sachlage in einem geschlossenen Universum leben, weil ein Torus eine räumlich geschlossene Topologie verkörpert. Auch das Volumen einer derartigen Konfiguration ist stets endlich. Max Tegmark von der University of Pennsylvania sieht in der maximalen Größe der Temperaturschwankungen von 60° in der Hintergrundstrahlung ebenfalls eine nur endliche Größe des Universums.

TorusWie bei einer Gitarrenseite eine Schwingung nicht größer als ihre Länge sein kann, ist auch keine größere Dichtewelle möglich als die seinerzeitige Ausdehnung des Universums. Weil Tegmark zudem Hinweise fand, dass sich die meisten Temperaturschwankungen entlang einer Linie finden, geht er von einer torusförmigen Topologie aus. Das würde bedeuten, dass wir in eine beliebige Richtung des Weltraums reisen könnten und irgendwann automatisch wieder an unseren Startpunkt zurück kehren würden. Entgegen dem kosmologischen Prinzip, wonach der Kosmos, großräumig betrachtet, in allen Richtungen gleich (homogen und isotrop) erscheint, wäre das in einem Ringuniversum nicht der Fall. Zumindest wäre das All nicht in allen Richtungen gleich groß. Wie Tegmark berechnete, könnte man am schnellsten wieder zu seinem Startpunkt zurück kommen, wenn man in Richtung des Sternbildes Jungfrau reiste.

Die Frage nach der Topologie des Universums ist sicherlich eine der größten wissenschaftlichen Herausforderungen, die sich uns stellen. So interessant oder gar exotisch manches der angesprochenen Modelle auch anmuten mag, eine konkrete Aussage ist heute noch nicht möglich. Vielleicht kann durch den neuen Planck- Satelliten ein weiteres Mosaiksteinchen im Wissensgebäude aufgedeckt werden, aber das ist abzuwarten. Gewichtige Argumente wie die beschleunigte Expansion der Raumzeit und die gemessene euklidische Geometrie deuten derzeit auf einen offenen, flachen Kosmos hin, der wohl ewig expandieren wird.

Leben im All

Die Greenbank- Formel

Wohl die meisten Menschen dieser Erde werden kaum jemals einen Gedanken daran verschwenden, ob irgendwo im All, vielleicht sogar in unserer näheren Nachbarschaft, Planeten von anderen Lebewesen besiedelt sind. Viel zu sehr sind sie mit ihren eigenen Problemen beschäftigt, wobei man einräumen muss, dass es in der Tat noch immens viele Probleme auf der Erde zu lösen gilt.
Doch wäre es wohl mehr als vermessen anzunehmen, wir seien die einzigen Lebewesen im schier grenzenlosen Universum! Zwar bilden sich viele Zeitgenossen ein, dass die Menschheit der Mittelpunkt des Universums und die Krone der Schöpfung ist. Doch wer sich ein wenig mit der Entwicklung des Universums beschäftigt wird schnell erkennen, dass die Voraussetzungen zur Entstehung von Leben überall im Kosmos vorhanden sind.

Allein unsere Milchstraße besteht aus etwa 100 bis 200 Milliarden Sternen. Nimmt man einmal an, nur 10% dieser Sterne seien Hauptreihensterne mit ungefährer Lebensdauer und ähnlicher Größe wie die Sonne. Gehen wir weiterhin davon aus, dass nur 1% von ihnen Planeten besitzen (obwohl sich die Anzahl der Sterne mit entdeckten Planeten fast täglich erhöht). Selbst wenn nur 1% dieser Planeten eine Umlaufbahn innerhalb der Ökosphäre aufweisen, könnte es in unserer Galaxie 1 bis 2 Millionen Planeten mit möglicherweise entwickeltem Leben geben.
Dies ist zwar eine nur sehr simpel gehaltene, überzogen optimistische Abschätzung, ergibt jedoch eine beachtliche Zahl. Und es gibt im Kosmos ungezählte Milliarden von Galaxien....

Im Jahre 1961 wurde von Dr. Frank Drake (Green Banks, Virginia, heute Direktor des SETI- Projektes) eine Formel entworfen, mit der sich deutlich realistischer die Anzahl Zivilisationen in einer Galaxie abschätzen lässt.
Dr. Frank Drake Diese Formel basiert auf einer einfachen Multiplikation von Faktoren, von denen allerdings nur einer recht genau bekannt ist (Sternentstehungsrate R, in der Milchstraße 15 Sterne im Jahr). Alle übrigen Faktoren sind Schätzwerte, die nur subjektiv die optimistische oder pessimistische Einstellung des Anwenders wiedergeben.
Diese GREEN-BANK-FORMEL lautet:

N = R * Fp * Ne * Fl * Fi * Fc * L

Die Bedeutung der einzelnen Faktoren, sowie verschiedene Abschätzungen können folgender Tabelle entnommen werden:

Symbol Bedeutung optimistisch vorsichtig pessimistisch

R
Entstehungsrate sonnenähnlicher Sterne/Jahr

15


2


0.5

Fp
Wahrscheinlichkeit eines Planetensystems (%)

30


10


1

Ne
Anzahl Planeten in der Ökosphäre

2


1


0.5

Fl
Planeten mit entwickeltem Leben (%)

50


20


1

Fi
Planeten mit intelligentem Leben (%)

10


5


1

Fc
Planeten mit entwickelter Technik (%)

10


5


1
L Lebensdauer einer technischen Zivilisation (Jahre)

1 Million


10 000


100

N
Zahl der vorhandenen kommunikationsfähigen Zivilisationen in unserer Galaxie

45.000


1


0

Man kann anhand dieser Berechnung also durchaus davon ausgehen, dass vielleicht einige Hundert Planeten in unserer Milchstraße Leben tragen, möglicherweise intelligentes, welches sogar die Kommunikation mit anderen suchen könnte.

Da sicher jedermann eine etwas abweichende Meinung zu obiger Abschätzung hat, ist hier die Möglichkeit zu einer eigenen Berechnung gegeben (bitte aktivieren Sie Javascript in Ihrem Browser!). Zusätzlich wurde noch ein Faktor für die Anzahl Galaxien im Kosmos eingefügt, so dass die Anzahl bewohnter Planeten im All abgeschätzt werden kann (man schätzt deren Gesamtzahl auf bis zu 1 Billion).

Dezimalzahlen bitte mit einem Punkt eingeben.

R - Entstehungsrate von Sternen in der Galaxie (Anzahl pro Jahr) R =
Fp - Anzahl Sterne mit Planeten (Prozent) Fp = %
Ne -Anzahl Planeten in der Ökosphäre Ne =
Fl - Prozentsatz Planeten mit entwickeltem Leben Fl = %
Fi - Prozentsatz Planeten mit intelligentem Leben Fi = %
Fc - Prozentsatz Planeten mit entwickelter Technik Fc = %
L - Lebensdauer einer kommunizierenden Zivilisation (Jahre) L =
G - Anzahl Galaxien (es gibt ca. 500 Milliarden (5 × 1011) bis 1 Billion (10 12) Galaxien!) G =
N = R * Fp * Ne * Fl * Fi * Fc * L * G
N - Anzahl kommunizierender Zivilisationen N =

Sollte im Ergebnis "NaN" erscheinen, ist ein unzulässiges Zeichen (Buchstabe) eingegeben worden oder eine Angabe fehlt.

 

[H2SO4]

Ökosphäre

Damit sich auf einem Planeten Leben entwickeln kann, müssen verschiedene Grundvoraussetzungen erfüllt sein.
Zunächst muss der Stern eine ausreichende Lebensdauer von mindestens 5 bis 10 Milliarden Jahren haben. Das kann er nur, wenn er eine Masse im Bereich von 0,5 bis 1,5 Sonnenmassen aufweist. Ist seine Masse geringer, wird die Ökosphäre (der Bereich der Umlaufbahnen um den Stern, bei denen auf einem Planeten gemäßigte Temperaturen herrschen) sehr schmal, weil der Stern nur wenig Energie abstrahlt. Hier einen Planeten anzutreffen ist deshalb relativ unwahrscheinlich. Sterne mit mehr als 1,5 Sonnenmassen verbrauchen ihren Kernbrennstoff sehr rasch und haben deshalb nicht die erforderliche Lebenserwartung. Der Anteil der mit unserer Sonne vergleichbaren Hauptreihensterne in der Milchstraße ist allerdings mit 70% bis 80% recht hoch.

Befindet sich ein Planet innerhalb der Ökosphäre, so werden auf seiner Oberfläche Temperaturen im Bereich von etwa -25 bis +60°C herrschen. Nur diesen Bereich kann man als lebensverträglich bezeichnen, weil komplexe organische Moleküle wie Proteine oder Nukleinsäuren, lebenswichtige Substanzen, ohne Zersetzung bestehen können. Zwar gibt es auf der Erde beispielsweise Viren, die ein "Bad" in flüssigem Stickstoff problemlos überstehen, oder solche, die sich auch von kochendem Wasser nicht beeindrucken lassen. Doch für die Entwicklung höherer Lebensformen sind solche Temperaturen höchstwahrscheinlich eher unverträglich.

Wasser

Eine weitere Bedingung für die Entwicklung von Leben ist mit Bestimmtheit das Vorhandensein von Wasser (H2O). Ohne Wasser wird kaum Leben möglich sein, denn es ist ein ideales Lösungsmittel und darüber hinaus zu einem hohen Anteil am Aufbau der meisten Zellen beteiligt. Es ist gibt kein anderes Lösungsmittel, welches das Wasser ersetzen könnte. Das WassermolekülVermutlich im Wasser begann die Entwicklung des Lebens auf der Erde, denn nur hier fanden die ersten lebensbildenden Moleküle Schutz vor der gnadenlosen, zellvernichtenden UV- Strahlung der Sonne. Wasser dient in jedem Körper als Transportmittel für die unterschiedlichsten Substanzen, auch zum Abtransport von Körpergiften. Und nicht zuletzt ist es ein hervorragendes Kühlmittel, wenn wir es bei hohen Temperaturen verdunsten (Schwitzen). Bedingt durch die so genannte Anomalie des Wassers - im Gegensatz zu anderen Flüssigkeiten dehnt es sich beim Gefrieren aus - kann es allerdings bei tiefen Temperaturen die Zellen auch zerstören.

Luft

Ohne Gas auf einem Planeten in Form einer Atmosphäre wird sicher auch kein Leben entstehen können. Diese Atmosphäre darf aber keine zu hohen Anteile an lebensschädigenden Gasen enthalten, wie beispielsweise Ammoniak (NH3), Kohlenmonoxid (CO) oder gar Cyanwasserstoff (HCN), Substanzen, die in den Wolken der Interstellaren Materie nachgewiesen worden.

Ein bestimmter Anteil an Kohlendioxid (CO2) wird aber benötigt, um einerseits den Kohlenstoff als Basis jeder organischen Verbindung zu liefern, andererseits vermögen Pflanzen als erste Lebensformen CO2 zu assimilieren. Durch den Prozess der Photosynthese wandeln sie das Gas in organische Verbindungen wie Zucker und Stärke um, wobei sie gleichzeitig Sauerstoff freisetzen. Sauerstoff dient atmenden Lebewesen wiederum zur Oxidation aufgenommener Nahrung und damit der Energiefreisetzung. Darüber hinaus bildet Sauerstoff unter Einwirkung der UV-Strahlung des Sterns das heute so berüchtigte Ozon (O3), welches bei genügender Konzentration in höheren Atmosphärenschichten diese energiereiche, lebensschädigende Strahlung absorbiert. Erst dann kann das Leben auch das Land erobern.

Erde

Sicher müssen auf einem Planeten auch viele der chemischen Elemente, meist in Form von Mineralien, vorhanden sein. Einige der bekannteren, am Aufbau von Organismen beteiligten sind: Eisen (Fe), Calcium (Ca), Kobalt (Co), Magnesium (Mg), Natrium (Na), Kalium (K), Mangan (Mn), Selen (Se), Chlor (Cl), Fluor (F), Iod (I), Schwefel (S), Phosphor (P) und so weiter. So muss ein Planet sein um Leben zu tragen: Erde, Wasser, Luft.Ein Mischungsverhältnis, wie es auf der Erde besteht, wäre sicherlich ideal. Viele dieser Substanzen sind in komplizierter Weise in die Funktionen der Lebewesen eingebunden. Als Beispiel soll hier nur das Eisen erwähnt sein, welches in den roten Blutzellen den Sauerstofftransport besorgt.
Undenkbar hingegen ist Leben auf einem Planeten, der sehr homogen zusammengesetzt ist, beispielsweise nur aus Eisen oder Gold besteht (obwohl der Autor sehr gern die Koordinaten des letzteren Planeten kennen würde...)

Futter

Damit Leben bestehen, wachsen und sich fortpflanzen kann, muss in irgendeiner Form Energie freigesetzt werden können. Das sollte grundsätzlich mit einer Nahrungsaufnahme verbunden sein. Allein durch Aufnahme von mineralischen Substanzen ist wohl kein höher entwickeltes Leben möglich, obwohl bekannterweise Mineralien unter anderem als Spurenelemente lebensnotwendig sind. Diese Verbindungen liegen meist als Oxid vor, können also nicht weiter oxidiert werden. Energiefreisetzung ist aber nur durch eine Oxidation zu vollziehen, die Reduktion von Substanzen hingegen ist mit einer Energieaufnahme verbunden. Die Energie zur Erhaltung der Körperwärme, der Bewegungen, kann daher nur durch Aufnahme organischer Substanz gelingen. Pflanzliche oder tierische Nahrung ist daher erforderlich, denn diese ist oxidierbar. Auf jedem belebten Planeten wird sich deshalb vermutlich auch in irgendeiner Form eine Nahrungskette bilden müssen, vom kleinsten Einzeller bis zum hoch entwickelten Organismus.

Entstehung des Lebens

In Laborexperimenten kann man die Bedingungen, wie sie in der frühen Erdatmosphäre geherrscht haben, nachvollziehen (siehe hierzu auch Das Miller- Experiment). Bildet man über Wasser eine Atmosphäre aus Stickstoff und Kohlendioxid, und simuliert mit elektrischen Entladungen Blitze, die damals äußerst häufig waren, so führt dies zur Bildung von Aminosäuren, den ersten Bausteinen des Lebens. Die Entstehung des Lebens auf der Erde könnte sich so zugetragen haben. Durch die hohe UV- Einstrahlung sind die meisten dieser Moleküle wieder zerstört worden. Nur wenige konnten in Gewässern von einigen Metern Tiefe "überleben", weil die UV- Strahlung dort ihre Wirkung verlor. Allerdings ging Miller in seinem damaligen Experiment von falschen Voraussetzungen aus, denn die Erdatmosphäre hatte damals eine ganz andere Zusammensetzung. Dennoch ist es überraschend, wie leicht sich die Grundbausteine des Lebens herstellen lassen.

Leider weiß man bis heute nicht, wie sich die entstandenen Molekülansammlungen zu komplexen, lebensfähigen Strukturen, etwa Zellen, organisierten. Das kann man auch in Laborexperimenten nicht nachvollziehen. Jedoch vermutet man, dass die Selbstorganisation entsprechender organischer Moleküle unter geeigneten Bedingungen aufgrund allgemeiner physikalischer Gesetze eine zwangläufige Folge ist. In diesem Fall wird sich auf sehr vielen Planeten Leben entwickeln. Wenn aber die Selbstorganisation der Moleküle reiner Zufall war, ist die Wahrscheinlichkeit für belebte Planeten nur sehr gering. Jedoch kennt man heute eine Reihe komplexer organischer Moleküle, die ihre Fähigkeit zur Selbstorganisation deutlich bewiesen haben.

Eine andere Möglichkeit der Entstehung von Leben ist dadurch gegeben, dass Moleküle aus der Interstellaren Materie auf einen Planeten gelangen. Die hier vorhandenen Verbindungen, z.B. Aminosäuren, sind ebenfalls zum Aufbau von komplexen Strukturen geeignet. Auch in der Frühphase eines Planeten, in der ein reger Niedergang von Meteoriten zu erwarten ist, könnten solche Verbindungen auf die Oberfläche gelangen. Gehen sie in Gewässer nieder, ist aufgrund oben genannter Bedingungen die Bildung lebensfördender Moleküle durchaus wahrscheinlich.

Lebensformen

Welch ungeheure Vielfalt an Lebensformen die Evolution hervorbrachte, ist wohl jedem bewusst, der sich schon einmal mit der Flora oder Fauna der Erde beschäftigte. Welche grandiosen Möglichkeiten gar in der Milchstraße, oder im gesamten All bestehen, kann sich nicht einmal unsere Phantasie ausmalen. Einige Beispiele von "Lebenskünstlern", die sich extremsten Bedingungen angepasst haben, mögen diese manchmal eigentümlichen Wege der Natur verdeutlichen:

* "Eisenfresser", das sind Bakterien, die mit Vorliebe Eisen zernagen (sie sind vornehmlich für das Rosten von Eisen verantwortlich)
* Kieselalgen, ihre Zellen bestehen zu einem hohen Anteil aus Silizium
* Anaerobe Fäulnisbakterien, sie zersetzen den Schlamm in Kläranlagen und gedeihen nur unter Luftabschluss
* Tiefseefische, in 5, ja sogar 10 000 m Tiefe ertragen sie einen Druck, der jedes andere Lebewesen sofort zerquetschen würde
* In manchen Wüsten leben Krebse, deren Eier 1000 Jahre im trockenen, heißen Sand ausharren können und dann nach einem Regenfall wieder zum Leben erwachen

Anhand dieser Beispiele soll hier aber nicht behauptet werden, dass auch höhere Lebensformen sich unter solchen Bedingungen entwickeln könnten. Man sollte es dennoch nicht gänzlich ausschließen.

In der Vergangenheit wurde auch diskutiert, Die Helix des Seidenfibroinob nicht Verbindungen des Siliziums Grundlage von lebensfähigen Substanzen sein könnten. Ähnlich wie Kohlenstoff ist Silizium in der Lage, langkettige und verzweigte Wasserstoffverbindungen (Silane) oder Wasserstoff- Sauerstoff- Verbindungen (Siloxane) zu bilden, wobei in solchen Molekülen auch noch andere Elemente enthalten sein können. Diese Fähigkeit ist Voraussetzung zur Bildung hochkomplexer Moleküle, wie beispielsweise der DNS (Desoxiribonukleinsäure).

Als ein Beispiel für die Komplexität organischer Verbindungen mag in nebenstehender Abbildung das Molekül des Seidenfibroins dienen. Dargestellt ist die alpha- Helix eines alpha- Keratins, solche Verbindungen sind Bestandteile der Fasersubstanz der Kokonfäden der Seidenraupen, kommen auch in Horngeweben wie Federn, Nägeln, Hufen und Schuppen vor.

Das Silizium ist allerdings nicht in der Lage, solch hoch komplizierten Verbindungen, geschweige denn gar Ribonukleinsäuren oder das DNS- Molekül, Träger aller Erbsubstanz, zu bilden. Man kann daher höchstwahrscheinlich höhere Lebensformen auf Siliziumbasis ausschließen.

Extraterrestrisches Leben

Die größte Wahrscheinlichkeit auf belebte Planeten zu stoßen, wird man bei Sternen der Spektralklassen F, G und K haben. Das sind Sterne zwischen 0,5 und 1,5 Sonnenmassen, die einen recht hohen Anteil an der Gesamtzahl aller Sterne aufweisen. Innerhalb der Ökosphäre eines solchen Sterns auf einen belebten Planeten zu treffen, ist nach obigen Abschätzungen gar nicht so abwegig. Es kann allerdings in keiner Weise vorhergesagt werden, wie hoch die Anzahl der von höheren Lebensformen besiedelten Planeten sein wird.

Ob sie wirklich so aussehen?Um nach extraterrestrischen Intelligenzen zu suchen, muss man voraussetzen, dass diese die Naturgesetze, insbesondere die physikalischen Gesetze kennen und auch anwenden. Ab einer bestimmten Entwicklungsstufe werden sie sicherlich die Kommunikation durch elektromagnetische Wellen betreiben (Funkverkehr). Möglicherweise versuchen sie sogar, sich durch gezielte Aussendungen im Radiobereich bemerkbar zu machen. Das wäre sehr sinnvoll, denn Radiowellen werden von Interstellarer Materie kaum abgeschwächt. Vielleicht handeln sie aber wie wir Menschen und kommunizieren ausschließlich untereinander, weil sie sich für den "Rest der Welt" kaum interessieren.

Seit einiger Zeit suchen Wissenschaftler den Himmel regelmäßig mit Radioteleskopen nach Signalen ab, die nicht natürlichen Ursprungs sein können (welche Vorgänge im Kosmos zur Aussendung von Radiosignalen führen, wird auf dieser Homepage ausführlich erläutert). An diesem SETI- Projekt (Search for Extraterrestrical Intelligence) kann sich jeder beteiligen, der einen Computer mit Internetanschluss besitzt. Man lädt sich ein als Bildschirmschoner ausgelegtes Auswertungsprogramm herunter, welches in den Rechnerpausen die übermittelten Daten nach genannten Signalen durchsucht. Viele tausend Menschen sind hier eingetragen, denn der erste, der die "Aliens" entdeckt, wird sicherlich in die Geschichte eingehen. Wer weiß, welche Geheimnisse das All noch birgt?

Intelligente Lebensformen werden im Laufe ihrer Entwicklung ihren Energiebedarf steigern. Dies hat beim Menschen vom Lagerfeuer bis zum Atomkraftwerk geführt. Doch ist es denkbar, dass bei weiterer Entwicklung der Energiebedarf einer Zivilisation so hoch ansteigt, dass sie zu dessen Deckung sogar einen Stern "anzapft". Man sollte daher ungewöhnliche Energieumsetzungen an kosmischen Gebilden beobachten können. Bisher wurde aber noch kein Ereignis entdeckt, das auf solch einem unnatürlichen Vorgang beruht.

Superzivilisationen

Schon im Jahr 1964 stellte der sowjetische Astrophysiker Nikolai Kardaschow eine Berechnung an, nach der man außerirdische Zivilisationen an ihrem Energieverbrauch erkennen sollte. Er ging dabei von der Überlegung aus, dass die Menschheit seinerzeit (1964) einen Energieverbrauch von rund 1013 Watt (10 000 Gigawatt) hatte und dieser jährlich um etwa 1% ansteigt.

Aufgrund dieser Annahme, übertragen auf andere Intelligenzen mit ähnlichem Entwicklungsstand, benötigt eine Zivilisation nach 3200 Jahren die gesamte von einem Stern abgestrahlte Leistung. Nach 5800 Jahren ist der Energiebedarf auf die Strahlungsleistung einer ganzen Galaxie angewachsen. Kardaschow teilte die extraterrestrischen Intelligenzen in 3 Klassen ein:

 

[H2SO4]

1. Energiebedarf einer Zivilisation, welcher der von ihrem Stern empfangen Strahlung entspricht (ca. 1013 Watt)
2. Dieser Typ "Superzivilisation" setzt die Gesamtleistung ihres Sterns um (ca. 1026 Watt)
3. Die dritte Klasse letztendlich benötigt die Strahlungsleistung einer ganzen Galaxie (ca. 10 34 Watt)

Auch die Informationsmenge wächst stetig an. So wird sich die Anzahl zu verarbeitender Daten in 2000 Jahren um den Faktor 1080 steigern. Würde man das in Bit ausdrücken, so wäre die Anzahl größer als die aller Atome im Universum! Eine solche Informationsflut kann nicht mehr in materiellen Speichern untergebracht werden.

Ein weiteres Merkmal einer Zivilisation ist die Bevölkerungsentwicklung: Heute benötigt jeder Mensch ca. 10 Tonnen Material pro Jahr für seinen Lebensunterhalt. Dazu zählen neben Nahrung und Kleidung auch der Materialaufwand für Energien (z.B. Heizung), Dinge des täglichen Bedarfs und Luxusartikel. Bei einem jährlichen Zuwachs von 4% würde die Menschheit in 2000 Jahren die Materie von 10 Millionen Galaxien verbrauchen!

Alle diese Berechnungen sind natürlich nur rein hypothetischer Natur und entbehren jeder reellen Grundlage. Jedoch ist es nicht von der Hand zu weisen, dass hoch entwickelte Zivilisationen tatsächlich einen extrem hohen Energiebedarf haben, den es eines Tages vielleicht zu entdecken gilt!

Panspermie oder Spontane Zeugung?

Einige Fragen werden sich sofort jedem stellen, der sich mit der Geschichte des Lebens beschäftigt:

1. Wie begann das Leben auf der Erde?
2. War dies ein einmaliges Ereignis, oder wird es sich millionenfach im Universum wiederholen?
3. Ist die Evolution, bis hin zum Menschen, Zufall, oder eine Folge der ständigen Weiterentwicklung des Alls?
4. Werden wir uns weiterentwickeln und sogar einmal den Weltraum erobern, oder sind wir zum Untergang verdammt?

Wir wollen nun versuchen, eine Antwort auf die erste Frage zu finden. Zur zweiten, der ernsthaften Suche nach extraterrestrischen Lebenszeichen, werden seit Jahren weltweite Anstrengungen unternommen (siehe weiter unten: SETI- Projekt). Ob es hierauf Antworten gibt wird erst die Zukunft zeigen. Falls ja, ist damit auch die dritte Frage beantwortet. Eine Lösung der letzten Frage ist uns jedoch nicht möglich. Fragen wir uns also, wie das Leben begann.

Es gibt zwei grundlegende Theorien:

Die erste besagt, dass es Leben schon immer gab im Universum, dies ist die sogenannte Panspermie- Hypothese. Die andere Möglichkeit wird durch die Spontane Zeugung beschrieben, nach welcher Leben auf der Erde aus lebloser Materie entstanden ist. Hier spielen möglicherweise Kometen und Meteoriten eine bedeutende Rolle, dazu aber später mehr. Die Bezeichnung Panspermie geht auf den schwedischen Naturwissenschaftler Svante Arrhenius zurück, der diesen Begriff bereits 1908 einführte. Hiernach soll das Leben in Form von Keimen auf Staubkörnchen zur Erde gekommen sein.

Schon 500 v.Chr. äußerte Anaxagoras, ein griechischer Philosoph, seine Vorstellung, dass tierische und pflanzliche Keime überall im Kosmos vorhanden sind und sich jederzeit bei Auftreten günstiger Bedingungen entfalten können.

Derartige Keime können nun auf verschiedenen Wegen durchs Universum treiben: Nach Arrhenius werden sie durch den Strahlungsdruck der Sterne angetrieben (man spricht dabei von der sogenannten Radiopanspermie). Gemäß der Lithopanspermie, die von Lord Kelvin und Hermann Helmholtz um 1870 benannt wurde, verbreiten sich die Lebenskeime durch Meteoriten.

Allerdings ergeben sich für beide Hypothesen schier unlösbare Schwierigkeiten:

Der Strahlungsdruck der Sterne ist äußerst gering, seit der Entstehung des Universums könnten die Keime höchstens ein paar Tausend Lichtjahre weit gekommen sein! Viel zu wenig, um die Milchstraße, geschweige denn das gesamte Universum zu "bekeimen".

Die Lithopanspermie zeigt eine weitere Schwierigkeit: Tauchen Meteoriten in die Erdatmosphäre ein, verglühen sie vollkommen bis hin zum Gewicht von einigen Gramm. Haben sie eine Masse von mehr als einer Tonne (was in der Frühzeit unseres Planeten sicher keine Seltenheit war!), werden sie beim Aufprall durch die freiwerdende kinetische Energie völlig zerstört. Lediglich im Massebereich von einigen Kilogramm erhitzen sich Meteorite nur in den äußeren Schichten, das Innere bleibt unversehrt, wobei die äußeren Schichten organischer Materie sogar als Hitzeschutzschild dienen, ähnlich wie bei den heutigen Space- Shuttles. Winzige Staubkörner von unter 5 [µm] allerdings rieseln dagegen sanft und "unverletzt" zur Erde hinab.

Aber es gibt noch weitere Probleme hinsichtlich der Panspermie- Hypothesen. Die Bedingungen im freien Weltraum sind extrem lebensfeindlich! Einerseits herrscht neben einem fast absoluten Vakuum eine ausgesprochene Kälte von -273 [°C] (= 0 [K]). An anderen Orten dagegen, in den heißen Gas- und Staubwolken, müssten die Keime mehrere Millionen Kelvin ertragen. Hinzu kommt noch ein Beschuss mit hochenergetischer UV-, Röntgen- oder Gammastrahlung und mit superschnellen Teilchen wie Protonen oder ±- Teilchen (Heliumkerne). Doch selbst aus diesem Dilemma gibt es einen Ausweg, und zwar durch die Gezielte Panspermie.

Erde Hiernach könnten extraterrestrische Intelligenzen die Erde vor Jahrmillionen besucht und sie gezielt mit Keimen geimpft haben, um zu sehen wie sich der Planet entwickelt. Sie könnten das Leben auch ungewollt zu uns gebracht haben, indem sie einfach ihren mit Keimen verseuchten Abfall zurück ließen...

Spätestens hier erkennen wir die Probleme und Widersprüche der Panspermie- Hypothesen. Wenn sie nämlich zutreffen sollten, dann muss es das Leben schon immer gegeben haben! Oder wir stehen wiederum vor der Erklärungsnot, wie und wann und an welchem Ort es entstand. Wenn es aber Leben schon immer gab, muss auch unser Universum schon immer existiert haben - damit wäre es ein Universum ohne Entwicklung. Gegen letzteres sprechen aber alle unsere Beobachtungen und Erkenntnisse. Wir wissen, dass wir in einem sich stetig weiterentwickelnden Kosmos leben, der vor knapp 14 Milliarden Jahren "geboren" wurde. Die Hypothesen der Panspermie verlieren deshalb ihre Bedeutung, will man der tatsächlichen Entstehung des Lebens auf den Grund gehen. Daher wollen wir uns nun mit der Theorie der Spontanen Zeugung auseinandersetzen und die Lange Geschichte des Lebens verfolgen.

Am Anfang war ...

Unsere Geschichte beginnt nicht mit dem Urknall. Der Urknall war kein Ereignis, denn um ein solches zu beschreiben, benötigt man Raum und Zeit, die uns geläufige Raumzeit existierte aber noch nicht. Wir wissen nichts über dieses Nichtereignis, vielleicht war der Anfang auch ganz anders, wie im Beispiel Ekpyrotisches Universum beschrieben. Also beginnt unsere Geschichte 10-43 nach dem Urknall, als das Universum eine Größe von 10-35 [m] und eine Temperatur von 1032 [K] hatte. Alle Naturkräfte ("Wechselwirkungen") sind miteinander verschmolzen ("Große Vereinheitlichung"), es ist vollkommen symmetrisch. Seine Ausdehnung ist so winzig, dass es der Quantenunschärfe unterliegt und erst im Alter von 10-35 aus dem Quantenbereich heraustritt. In diesem Zeitraum besteht der Kosmos aus einer Ursuppe von Photonen, Quarks und Antiquarks, W- und Z- Bosonen (die 100 mal schwerer als ein Proton sind) und den superschweren X- Bosonen mit der 1015fachen Masse eines Protons. Bei seiner Expansion kühlt sich das All weiter ab und die X- Bosonen können nicht mehr erzeugt werden, dafür betreten andere Bosonen die Bühne. Higgs- Bosonen, bislang noch nicht nachgewiesene Teilchen, welche der Materie zu ihrer Masse verhelfen.

Durch die zunehmende Abkühlung findet ein Phasenübergang von einem symmetrischen Universum in ein solches mit gebrochener Symmetrie statt: die zuvor vereinigten Wechselwirkungen trennen sich voneinander. Man kann sich das am Beispiel unterkühlten Wassers vorstellen. Trotz einer Temperatur unterhalb von 0 [°C] ist es noch flüssig. Schlagartig kann es aber zu Eis kristallisieren, wobei Kristallisationswärme freigesetzt wird. Ähnliches machen auch die Higgs- Bosonen, welche noch bis 10-32 nach dem Urknall unterkühlt sein können und sich dann in bestimmter Weise ausrichten. In der Zeit zwischen 10-35 und 10-32 aber wird noch keine Energie freigesetzt, und genau das bewirkt die exponentielle Expansion des Kosmos, die Inflationsphase setzt ein und bläht das All um den Faktor 1050 auf.

Nach 10-32 wird die Energie des Phasenübergangs, die Kristallisationswärme, freigesetzt, wodurch eine ungeheure Zahl von neuen Teilchen, Photonen, Quarks und Antiquarks, erzeugt werden. Gleich darauf beginnt die größte Schlacht im Universum, denn die Teilchen und Antiteilchen annihilieren, vernichten sich gegenseitig zu Photonen. Aber die Quarks sind im Vorteil: sie sind den Antiquarks zahlenmäßig überlegen, und zwar um den Faktor ein Milliardstel! Aus diesen, bis 1 nach dem Urknall übriggebliebenen Quarks besteht alle Materie im Kosmos, und natürlich auch wir. Das Universum ist jetzt nur noch 10 Milliarden [K] heiß und ein dichter Brei aus Protonen, Neutronen, Elektronen und Photonen. 10 lang setzen nun Kernreaktionen ein, die etwa 25% der Materie in Heliumkerne umwandeln und einen geringen Prozentsatz an Lithium.

Kühle Zeiten brechen an

Für einen langen Zeitraum, 300 000 Jahre, war es das erst einmal. Es geschieht (fast) nichts in dieser Zeit. Jetzt aber ist das All auf 5000 [K] abgekühlt und die Elektronen können sich mit den Protonen und Heliumkernen verbinden und die ersten Wasserstoff- und Heliumatome bilden. Die Photonen wechselwirken nicht mehr ständig mit diesen Teilchen und der Kosmos wird durchsichtig. In den nächsten 100 Millionen Jahren kehrt wieder "Ruhe" ein, das Universum kühlt sich bis auf 200 [K] ab.
War das alles?

Ein Blick in das junge UniversumDen bisher tiefsten Blick in die Vergangenheit zeigt uns dieses Bild, das vom Boomerang- Teleskop 1998 im Millimeter- Wellenlängenbereich von einem Stratosphärenballon aus gewonnen wurde. Wir sehen Strukturen des heißen Plasmas, das den Kosmos im Alter von ungefähr
300 000 Jahren erfüllte, als Fluktuationen der Temperatur.

Molekülwolken

Jetzt können sich die H- Atome zum Wasserstoffmolekül H2 zusammenlagern und, so erstaunlich das klingt, diese Moleküle kühlen die dichten Bereiche der Wolke ab! Sie kollidieren nämlich mit den noch vorhandenen Wasserstoffatomen, und die hierbei freiwerdende (Gravitations-) Energie wird in Form von Infrarotphotonen abgestrahlt. Die Wasserstoffwolke kühlt sich bis auf 200 [K] ab und es bilden sich Klumpen, die durch die Eigengravitation zusammengehalten werden.

Molekülwolke Barnard 68Molekülwolken wie diese mit der Bezeichnung Barnard 68 im Sternbild Schlangenträger sind so dicht, dass sie alles Licht dahinterliegender Sterne verschlucken. Sie enthalten zudem viele Moleküle schwerer Elemente und Staub, das kühlt die Wolken wesentlich effektiver - sie haben nur eine Temperatur von 10 [K]. Dieser Kühlungsmechanismus aber hat eine schwerwiegende Bedeutung für die weitere Entwicklung! Denn wenn durch die zunehmende Dichte der Wolke die Temperatur steigt, wird auch der Druck größer, und ohne Kühlung könnte sie niemals weiter kollabieren, weshalb es keine Sterne im Kosmos geben würde. Doch es gibt noch einen weiteren wesentlichen Aspekt.

Der englische Astrophysiker James Jeans (1877 bis 1946) hat berechnet, dass die Masse einer Wolke, damit sie unter der eigenen Schwerkraft kollabieren kann, abhängig ist von der Temperatur T und der in der Wolke herrschenden Dichte p:



Hierin bedeuten rG = Grenzradius und mG = Grenzmasse einer Wolke. Nach diesem Jeansschen Kriterium kollabiert eine Wolke bei Überschreitung dieser Grenzgrößen.

Bei den 10 [K] kalten Molekülwolken der Milchstraße reicht eine Masse von einer Sonnenmasse aus, um die Kontraktion einzuleiten. Die primordialen (urzeitlichen) "warmen" Wasserstoffwolken benötigen nur aufgrund der höheren Temperatur hierzu aber 1000 Sonnenmassen! Was bedeutet dies nun alles?

Die ersten Sterne

Die viel schlechtere Kühlung der reinen Wasserstoffwolken sorgt dafür, dass sich größere Massen ansammeln. Bei zunehmender Dichte kollidiert ein H2- Molekül bereits wieder mit einem H- Atom, bevor es noch ein IR- Photon aussenden konnte. Das erhöht die Bewegungsenergie der Teilchen und damit die Temperatur - eine Kontraktion wird verzögert. Aus allen diesen Aussagen folgt, dass die ersten Sterne sehr massereich gewesen sein müssen. Bereits 100 bis 250 Millionen Jahre nach dem Urknall "erhellte" diese erste Sterngeneration den Kosmos, es waren wahrhaftige Kolosse von mehreren hundert, ja bis zu 1000 Sonnenmassen! Damit waren sie auch superschnelle Brüter, in deren Zentren die ersten schweren Elemente des Universums fusioniert wurden (der Astronom bezeichnet schlicht alle Elemente schwerer als Wasserstoff und Helium als Metalle, was eigentlich ein physikalisch- chemischer Unsinn ist! Dennoch wird dieser Begriff auch hier verwendet.). Sie werden sehr viel Energie freigesetzt haben, allein ihre Oberflächentemperatur dürfte 100 000 [K] betragen haben. Daher haben sie das All nicht wirklich erhellt, ihre Energie wurde überwiegend im UV- Bereich abgestrahlt und hat mit Sicherheit allen Wasserstoff und alles Helium ionisiert.

Die Lebenserwartung der ersten Sterne konnte naturgemäß nicht groß sein. Sie gingen derart verschwenderisch mit ihren Brennstoffvorräten um, dass sie schon nach 3 Millionen Jahren in unvorstellbar heftigen Explosionen die ersten Metalle ins All bliesen.

Supernovaüberrest Cassiopeia AWie dieser Supernovaüberrest, Cassiopeia A, haben seit vielen Milliarden Jahren ungezählte Sterne schwere Elemente in ihrem Innern erbrütet und nach einem relativ kurzem Leben diese in den Kosmos zurückgegeben. Hier explodierte ein Stern vor 10 000 Jahren, rote Farben der Gasfetzen weisen auf Schwefel hin, blaue auf Sauerstoff.

urückgegeben an das interstellare Medium, konnten diese Metalle, die nun auch in Form feinster Staubkörner erschienen, die großen Molekülwolken der nächsten Generation viel besser kühlen. Es konnten deshalb auch nur noch relativ massearme Sterne entstehen, die nun aber langlebig waren.

Einige der ersten Sterngiganten kollabierten an ihrem Ende sicher zu Schwarzen Löchern, von denen leicht mehrere miteinander verschmelzen konnten. So bildeten sich die Keime der supermassiven Schwarzen Löcher in den Galaxienzentren, deren ungeheure Aktivität uns noch heute in Form der Quasare fasziniert.

Heute ist das ganze Universum erfüllt mit chemischen Brutstätten - den Sternen. Wir haben in [Energieumwandlung der Sterne] gesehen, wie diese riesigen Gasbälle aus dem einfachsten Element, dem aus nur einem Proton und einem Elektron bestehenden Wasserstoff alle bekannten Elemente bis hin zum Eisen in ihren Zentren fusionieren. Als "Nebenprodukt" erwärmen sie dabei ihre Umgebung und strahlen ihr Licht in den Raum. Massereiche Sterne enden in gewaltigen Supernovaexplosionen, wobei sie noch schwerere Elemente als Eisen bilden und an die Interstellare Materie zurückgeben. Zudem produziert jeder Stern einen mehr oder weniger starken, von seiner Masse und seinem Entwicklungsstadium abhängigen Sternwind, der die interstellaren Räume mit verschiedenster Materie bereichert.

Silikatkörnchen

 

[H2SO4]

In der Umgebung der Sterne und in ihren äußeren Atmosphären herrschen Bedingungen, die es zulassen, dass sich Elemente zu Verbindungen zusammenlagern. Wasser (H2O), Kohlenmonoxid (CO), Methan (CH4), Cyan (CN) oder Ammoniak (NH3) sind nur einige wenige Beispiele. In den großen Molekülwolken gar findet man bis zu 90 verschiedene Moleküle, die meisten von ihnen zählt man sogar zu den organischen Verbindungen (Verbindungen des Kohlenstoffs). Eine wichtige Rolle in der kosmischen Synthese von Verbindungen spielen alte Sterne, die das Rote- Riesen- Stadium erreicht haben: Sie schleudern winzige, nur 1/10 Mikrometer große Silikatkörnchen ins All. Diese begeben sich jetzt auf eine lange Reise und haben Hunderte von Millionen Jahre Zeit, chemische Reaktionen durchzuführen. Es sind die kleinsten Laboratorien im Universum! Aber wie könnte so etwas funktionieren?

Interplanetarischer Staub Solch ein Staubkörnchen erzählt uns noch heute von den Anfängen unseres Sonnensystems. Nur 1/10 so groß wie ein menschliches Haar, besteht dieses Körnchen aus Silikaten und trägt Kohlenstoffverbindungen mit sich. Dieses hier wurde eingefangen von einem extrem hochfliegenden U2- Flugzeug. NASA's STARDUST- Mission hat 2004 den Schweif des Kometen Wild 2 durchflogen und 2006 erfolgreich eine Fülle von weiteren Proben dieses interplanetarischen Staubes zur Erde gebracht.

Bevor die Silikatkörnchen den Bereich des Sterns endgültig verlassen, überziehen sie sich mit einer Eisschicht aus gefrorenem Wasser, Methan und Ammoniak, Verbindungen, die man in der Sternumgebung findet. Nun beginnt ihre lange Reise, und für ewige Zeiten passiert nichts. Aber irgendwann nähert sich unser Körnchen einem anderen Stern und wird mit dessen UV- Strahlung konfrontiert. Durch die so zugeführte Energie können sich die Moleküle aufspalten und sogenannte Radikale bilden, recht reaktionsfreudige Molekülgruppen wie z.B. OH, CH3 oder NH2. Wieder der Kälte des Weltraums ausgesetzt, sind sie recht inaktiv, können aber in den langen Zeiträumen der Reise langsam zur Oberfläche wandern. Unser Körnchen kommt wiederum in den Bereich eines anderen Sterns, oder es stößt in einer Molekülwolke mit anderen Partikeln zusammen. Es erwärmt sich dabei und die Radikale reagieren heftig miteinander! CH3 und NH2 bilden jetzt Methylamin, CH3NH2, und OH und CH3 lagern sich zu Methanol (Methylalkohol) CH3OH zusammen. Unser Mikrolabor hat seine ersten Synthesen vollzogen!

Doch schon wieder ist unser Silikatkörnchen der Weltraumkälte ausgesetzt, die Reaktionen frieren ein. Aber irgendwann, nach Äonen, wird es durch ein Ereignis erneut erwärmt, die Reaktionen setzen wieder ein und am Ende ist das winzige Körnchen mit einer bunten Mischung aus verschiedensten organischen und anorganischen Verbindungen überzogen. Wir finden Formaldehyd H2CO, Blausäure HCN, Verbindungen des Phosphors (der später sehr wichtig wird für die Bildung der DNS) wie CP oder CN und viele andere mehr. Ja, man hat sogar nachweisen können, dass der meiste Kohlenstoff im Weltraum in Form sogenannter polyzyklischer aromatischer Kohlenwasserstoffe gebunden ist, bereits recht großer Moleküle.

Kohlenstoff

Kohlenstoff mit seinen 4 Außenelektronen ist prädestiniert für die Bildung langkettiger oder ringförmiger Moleküle, die aus Hunderttausenden von Atomen bestehen können. Er stellt die Basis der organischen ("belebten", im Gegensatz zur "unbelebten" anorganischen) Chemie dar, weil kein anderes chemisches Element in der Lage ist, eine solche Vielfalt von Verbindungen einzugehen. Wir kennen heute mehrere Hunderttausend verschiedene organische Verbindungen, die neben dem (häufigsten) Wasserstoff (H) auch Sauerstoff (O), Stickstoff (N), Phosphor (P), Schwefel (S) und viele andere mehr enthalten können. Einige Namen sind Ihnen sicher geläufig: Aminosäuren, Proteine, Vitamine, Desoxiribonukleinsäure (DNS), Hämoglubin (eine Verbindung mit Eisen, der rote Blutfarbstoff), Chlorophyll (das "Grün" der Pflanzen)...man könnte Tausende weitere natürlichen Ursprungs aufzählen. Unzählige synthetisch erzeugte organische Verbindungen verschönen, erhalten oder verlängern unser Leben in Form von Farben, Kunststoffen, Medikamenten. Es würde den Rahmen dieser Seite völlig sprengen, wollte man diese Vielfalt näher beschreiben!

Vielfach wurde in der Science Fiction- Literatur beschrieben, wie auch in Fachkreisen ernsthaft diskutiert, dass Leben auch auf einer komplexen Siliziumchemie basieren könnte.

Doppelhelix der DNA Vielleicht in Kombination mit Ammoniak (NH4OH), nach Wasser dem zweitbesten Lösungsmittel. Dazu muss man aber bedenken, dass Silizium längst nicht in der Lage ist, dermaßen komplexe Verbindungen aufzubauen wie der Kohlenstoff. Erwähnt sei hier die DNA (siehe nebenstehende Skizze) als Träger der Erbinformation, ohne die eine Fortpflanzung bzw. Vervielfältigung von Individuen kaum denkbar wäre. Silizium kann solch komplexe Strukturen kaum bilden, und schon gar nicht in der fast unübersehbaren Vielfalt wie der Kohlenstoff! Es ist noch nicht einmal denkbar, dass "primitivstes" Leben in Form von Einzellern aus Silizium gebildet werden könnte.

Das Reiseziel - vom Körnchen zum Kometen?

Unser Staubkörnchen hat jetzt eine Reise von Hunderten Millionen Jahren hinter sich gebracht. Möglich, dass es jetzt in eine interstellare Gas- und Staubwolke gelangt, in der sich bereits Myriaden anderer Silikatkörnchen aus allen Teilen der Galaxie eingefunden haben. Im Zentrum dieser Wolke hat sich inzwischen ein Protostern gebildet, der auch schon von einer protoplanetaren Staubscheibe umgeben ist. Unser Körnchen wird, wie Milliarden andere auch, vielleicht von einem Kometen eingefangen und damit zu einem regelrechten Impfkeim.

Ein Kometeneinschlag ist ein gravierendes Ereignis Eines Tages fällt dieser Komet auf einen Planeten und bringt mit seiner Fracht neben Wasser eine Fülle von fertigen organischen Verbindungen auf die Oberfläche. Die präbiotische ("Vorlebens"-) Phase des Planeten ist initiiert! Im Laufe der Zeit fängt der Planet immer mehr Kometen ein. Man konnte ausrechnen, dass in der Frühphase unseres Planeten alles Wasser durch ein Bombardement aus solchen "schmutzigen Schneebällen", wie man Kometen auch nennt, herangeschafft wurde.

Allerdings werden große Körper wie Kometen, die leicht einen Durchmesser von 1000 [Km] erreichen können, bei ihrem Aufprall völlig zerstört, so dass auch die organischen Moleküle den Absturz nicht "überleben". Kleinere Meteoriten bis zu einigen Gramm Masse verglühen in der Atmosphäre, bei größeren aber werden nur die äußeren Schichten stark erhitzt, so dass die innere "Fracht" unzerstört erhalten bleibt. Feiner Staub (Mikrometeorite), wie unser Körnchen und der auch im Kometenschweif zu finden ist (die Erde durchkreuzt mehrmals jährlich solche Schweife, die wir dann als Meteoritenschauer sehen), schwebt jedoch unbeschadet zur Erdoberfläche. So könnte auch unser Körnchen einfach auf die Erde gelangt sein, immerhin rieseln noch heute täglich rund 8 Tonnen solchen Staubes auf unseren Planeten herunter. Auf diese Weise konnte schon in der Frühzeit des Planeten dessen Oberfläche leicht mit 1 Milliarde Tonnen oder mehr organischen Materials geimpft werden. Er ist inzwischen schon soweit abgekühlt, dass Wasser zu Meeren kondensieren kann.

Komet Hale-BoppKometen, wie hier Hale- Bopp, haben entscheidende Einflüsse auf die Entwicklung des Lebens genommen. Sicher hatten sie einen großen Beitrag geleistet, die Oberfläche unseres Planeten allein durch ihre Schweife mit organischer Materie zu versorgen. Mit hoher Wahrscheinlichkeit haben sie auch alles Wasser zur Erde geschafft. Auch in späteren Zeiten, als das Leben bereits weit vorangeschritten war, nahmen diese kosmischen Bomben Eingriffe in die Entwicklung.

Beginn des Lebens

Während dieser Abkühlphase regnet es wahrhaft sintflutartig, die Atmosphäre ist mit Luftfeuchtigkeit geschwängert wie in einer Waschküche. In den Regentropfen löst sich der größte Teil des Kohlendioxids der Atmosphäre, welches später mit dem Kalzium der Gesteinsoberfläche die unlöslichen Kalksedimente bildet. Durch diese Auswaschung bleibt dem Planeten ein mörderischer Treibhauseffekt, wie wir ihn etwa von der Venus kennen, erspart.

Mitten in dieses Szenario lädt der Komet seine kosmische Fracht ab, entweder direkt durch Einschlag oder in Form von Meteoriten oder Mikrometeoriten. Neben der Impfung des Planeten mit diesem organischen Material wirkt aber vielleicht noch ein anderer Mechanismus. In der feuchtwarmen frühen Atmosphäre finden sich Methan, Ammoniak und Wasserstoff, und es gewittert heftig! Schon vor etwa 50 Jahren hat man (Stanley Miller, siehe weiter unten) eine solche Uratmosphäre im Labor erzeugt und sie elektrischen Entladungen ausgesetzt. Dabei entstanden recht schnell verschiedene organische Verbindungen, unter anderem Aminosäuren, Bestandteile der Proteine. In den Meeren, vielleicht auch in Seen, Bachläufen oder sogar Pfützen, die alle für eine konstante Temperatur sorgen und Schutz vor der wilden Atmosphäre bieten, vollzieht sich jetzt das Wunder. Organische Moleküle lagern sich zu größeren Strukturen und Verbänden zusammen und beginnen, sich selbst zu reproduzieren. Es sind gerade 700 Millionen Jahre vergangen, nachdem der Planet sich gebildet hat (eine im kosmischen Maßstab lächerlich kurze Zeitspanne), und schon beginnen die ersten einzelligen Organismen - Bakterien - mit der Eroberung des Planeten. Das Leben nimmt seine unaufhaltsame Entwicklung. Eingestehen müssen wir uns allerdings bis heute, dass wir nicht das Geringste darüber wissen, welche Umstände den vielen verschiedenen Molekülen das einhauchte, was wir Leben nennen.

Das Miller- Experiment

Stanley Miller führte 1953 folgendes Experiment durch:

Miller- Experiment In einen Glaskolben, der mit Methan, Ammoniak und Wasserstoff gefüllt war, leitete er Wasserdampf ein und setzte diese künstliche, der irdischen Uratmosphäre nachempfundene Mischung elektrischen Entladungen von 60 000 Volt aus. In einer Kühlfalle sammelte er die entstandenen Reaktionsprodukte und analysierte nach einigen Tagen die erhaltene Mischung. Er fand unter anderem folgende Zusammensetzung:

Diverse Carbonsäuren 13.0%
Glycin 1.05%
Alanin 0.85%
Glutaminsäure Spuren
Asparaginsäure Spuren
Valin Spuren

sowie weitere Verbindungen. Je nach Zusammensetzung seiner Uratmosphäre erhielt er eine Fülle von Aminosäuren, Kohlenhydrate, Fettsäuren usw. Damit war klar, dass aus einfachen anorganischen Molekülen komplexe organische Verbindungen entstehen können, die durchweg eine wichtige Rolle im Aufbau des Lebens spielen.

Neuere Experimente unter ähnlichen Bedingungen von Carl Sagan zielten daraufhin ab, die Atmosphäre des Saturnmondes Titan zu simulieren, weil diese bereits einige organische Verbindungen enthält. Neben Stickstoff als Hauptbestandteil findet man in dieser Atmosphäre Blausäure (HCN, aus 5 Molekülen dieser Verbindung kann man Guanin oder Adenin synthetisieren, zwei Purinbasen, welche als Leitersprossen in der Doppelhelix Verwendung finden), weiterhin einige % Methan und in Spuren Äthan, Propan, Acetylen, Methylacetylen, Cyanacetylen, Dicyanacetylen und CO und CO2.

In seinen Versuchen fand Sagan 59 verschiedene Substanzen, darunter 27 Nitrile sowie Polyene, polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe und Aminosäuren.

Weitere Laborarbeiten unternahm Francois Raulin (Paris). Nach seinen Erkenntnissen könnte sich die präbiotische Chemie in zwei Stufen aufteilen:

1. In einer aus Methan, Stickstoff und Wasserdampf bestehenden Uratmosphäre bilden sich leicht durch die UV- Bestrahlung und elektrische Entladungen (Blitze) reaktive organische Moleküle wie Nitrile (RCN, R= Radikal, eine beliebige reaktive Gruppe) und Aldehyde (RCHO).

2. Im Wasser der Ozeane, in Seen oder Pfützen reagieren diese Vorläufersubstanzen weiter zu Aminosäuren, Purinbasen und Zucker.

Ein wenig Chemie

Die Aminosäuren (richtiger heißen sie Aminocarbonsäuren) können z.B. entstehen aus einem Aldehyd, Ammoniak und Blausäure:

Synthese von Aminosäure

Diese Reaktionen finden technisch Anwendung in der so genannten Strecker- Synthese.

Aminosäuren mit der allgemeinen Struktur H2N-RCH-COOH bilden unter Wasserabspaltung Proteine:

(n)H2N-RCH-COOH ---> (n) -HN-RCH-CO-HN-RCH-CO- + (n) H2O

Von diesen Aminosäuren finden lediglich 20 verschiedene im irdischen Leben Verwendung. In Meteoriten konnte man dagegen 90 Aminosäuren nachweisen, von denen 8 im irdischen "Einsatz" sind.

Stickstoffhaltige Basen gehen auf eine Polymerisation von Nitrilen (R-CN) in wässriger Lösung zurück. Hier können sich aus HCN die Purinbasen Adenin und Guanin bilden, während aus dem Cyanacetylen
HC2 - CN Pyrimidbasen wie Cytosin, Uracil und Thymin entstehen.

Purine

Zucker können aus Aldehyden dargestellt werden. So könnte aus dem in der "Ursuppe" vorhandenen Formaldehyd HCHO (einer Verbindung, die man bereits in den großen Staub- und Gaswolken beobachtet) Ribose und die Desoxiribose entstehen:

Ribose- MolekülSchon 1861 (Butlerow) bzw. 1886 (Loew) konnte man aus einer Calciumhydroxidlösung mit Paraformaldehyd bzw. Formaldehyd ohne großen Aufwand bei Raumtemperatur eine "süßliche Verbindung" synthetisieren. Die einfachsten Zucker sind Monosaccharide, Pentosen wie die Ribose, Glucose oder Fructose. Nebenstehend ist die Struktur des
(D (-)) Ribose- Moleküls dargestellt.

Ersetzt man eine oder mehrere OH- Gruppen durch H, so spricht man von Desoxizuckern, wie der Desoxiribose, die am Aufbau der Desoxiribonucleinsäure (DNS) beteiligt ist.

Diese Zucker (S) bilden mit den stickstoffhaltigen Basen (B) die Grundbausteine, welche mit der Phosphorsäure H3PO4 (p) so genannte Nukleotide mit der Struktur (pSB) bilden. Diese Nukleotide lagern sich leicht zu Ketten zusammen:

Nukleotidkette

Nun ist der Weg nicht mehr weit bis zur Doppelhelix der DNS! In dieser sind zwei Nukleotid- Ketten durch Paare der stickstoffhaltigen Basen miteinander verbunden, man sagt, die Basen stellen die Sprossen einer Leiter dar. Folgender Ausschnitt aus der DNS verdeutlicht dies:

Ausschnitt aus DNS
Hier sind zwei Ketten durch Basenpaare B B miteinander verbunden. Diese Paare dienen quasi als Sprossen in der Leiter der Doppelhelix.

 

[H2SO4]

Es ist durchaus denkbar, dass eine solche Entwicklung auf der Erde stattgefunden hat. Problematisch ist an diesem Modell allerdings, dass solche Reaktionen in den Meeren kaum möglich gewesen sein dürften, denn die großen Wassermengen führen zu einer schnellen Verdünnung der Konzentration vorhandener Verbindungen. Aber es gab sicherlich auch geschützte Orte wie kleinere Seen oder Pfützen, die sich vielleicht sogar in Höhlen oder Grotten befanden. Nach einer neueren Hypothese (Cairns-Smith) könnte sich die präbiotische Chemie auch auf tonhaltigen Böden abgespielt haben, wobei der Ton als Katalysator wirkt. Somit umgeht man elegant auch die Hydrolyse, der Aufspaltung von Molekülen in Ionen in wässriger Umgebung.

Seit Millers Experiment wissen wir, dass die meisten Grundbausteine des Lebens unter recht einfachen Bedingungen "produziert" werden können. Hierzu zählen die oben genannten Aminosäuren, Purin- und Pyrimidbasen sowie Zucker, welche die Bausteine von RNS und DNS darstellen. Miller ging in seinem Versuch aber von falschen Voraussetzungen aus. Für seine Experimente verwendete er Methan, Ammoniak, Wasserstoff und Wasser. Jedoch glaubt man heute, dass auf der frühen Erde kaum Ammoniak vorhanden gewesen sein kann, denn dieses wäre durch die hohe UV- Strahlung (mangels Sauerstoff gab es noch keine schützende Ozonschicht, die ja aus Sauerstoff gebildet wird) sehr schnell zerstört worden. Und Wasserstoff als leichtestes Element würde sich umgehend in den Weltraum verflüchtigen. Wahrscheinlich gab es auch nicht allzu viel Methan, eher glich die irdische Atmosphäre der unserer beiden Nachbarplaneten Venus und Mars, die aufgrund fehlender Bioaktivität bis heute weitgehend unverändert erhalten blieb. In der Uratmosphäre überwiegten damit Kohlendioxid, Stickstoff und Wasserdampf.

Doch alle genannten Verbindungen kann man auch aus einfachsten Molekülen wie Blausäure, Formaldehyd und Wasser zusammen"basteln", wie sie sicherlich von Meteoriten oder Kometen zur Erde gebracht wurden. Doch selbst wenn die oben gezeigten Synthesen bis hin zur DNS führten, reicht das nicht aus, um zu "leben"! Das erste Leben muss durch eine Hülle, eine "Zelle" vor äußeren Umwelteinflüssen geschützt werden, weil sonst die Moleküle und die in ihnen enthaltenen (Erb-) Informationen fortgespült würden. Solche Zellmembranen bestehen aus Fettsäuren, zu deren Entstehung aber Temperaturen von etwa 450 [°C] erforderlich sind. Wir wissen nicht, wie sich diese gebildet haben könnten. Vielleicht lag der Beginn des Lebens daher nicht in den Meeren oder Seen, sondern entstand eher in Nischen wie z.B. heißen, unterseeischen Quellen. Hier treten Gase wie Methan aus, ein Vorteil ist auch die hohe Temperatur (wir kennen heute Bakterien, die man nur in solchen Umgebungen findet). Mineralische Salze könnten hier für eine genügende reduzierende Wirkung sorgen, um eine präbiotische Chemie zu initiieren. Möglicherweise sind auch Viren die ersten Bewohner der Erde gewesen, Verbände von nur wenig mehr als 1000 Molekülen. In jedem Fall muss auch innerhalb der Zelle die chemische "Energieversorgung" sichergestellt sein, was durch Enzyme, einer Unterfamilie der Proteine, gelingt. Informationstragende Moleküle schließlich, wie die RNS (Ribonukleinsäure) oder DNS (Desoxiribonukleinsäure) übertragen wichtige Informationen ("Erbgut") auf Tochterzellen. Unsere heute bekannten Moleküle sind viel zu kompliziert, als dass hiermit das Leben hätte beginnen können. Es muss auch einfacher gegangen sein!

Die Vervielfältigung von Molekülgruppen mit der Fähigkeit, "Fehler" zu machen (das nennt man Evolution!) könnte so entstanden sein:

1. Die in der Atmosphäre vorhandenen, oder durch Kometen/Meteoriten zur Erde gelangten einfachen organischen Moleküle entwickeln in Wasser an geschützten Orten eine präbiotische Chemie. Möglicherweise spielen unterseeische, vulkanische Aktivitäten eine Rolle, oder tonhaltige Böden wirken als Katalysator.
2. Als nächstes entsteht eine einfache "Kopiermaschine", die Informationen an Tochterzellen weitergibt. Entstandene Fehler führen zur Weiterentwicklung (Mutationen). Durch Ton oder eine erste Proteinmembran geschützt, entwickelt sich eine Prä- RNS- Welt
3. Es bildet sich die RNS- Welt: Einfache Ribonukleinsäuren, welche ihr eigenes Enzym ("Ribozym") darstellen, entstehen durch Katalyse, Informationen werden gespeichert und weitergegeben, die Evolution führt zur Entwicklung von funktionellen Membranen, erste Protozellen entstehen.
4. Jetzt treten die ersten Mikroorganismen auf. Vor etwa 2,3 Milliarden Jahren teilen sie sich in 3 verschiedene Entwicklungswege: Archäobakterien, Eubakterien und Eukaryoten. Später gehen Zweige der Eubakterien, Mitochondrien und Chloroplasten eine Symbiose mit den Eukaryoten ein. Das hat vor 0,7 Milliarden Jahren zur Entwicklung von Pflanzen, Tieren und Pilzen geführt

Durch intensive Forschung auf dem Gebiet unserer ungeheuer komplexen Biochemie wissen wir heute, dass Leben auf immer einfachere Weise möglich ist, immer weniger komplizierte Moleküle erforderlich sind. Wir wissen, dass die Proteine und Nukleinsäuren nicht von Anbeginn vorhanden sein mussten, um die Funktionen Katalyse bzw. Informationsweitergabe zu erfüllen. Die RNS kann beide Funktionen übernehmen und somit Leben auf einfachster Stufe ermöglichen. Somit brauchen wir uns heute nicht mehr zu fragen, was zuerst da war, die DNS oder die Proteine. Eine einfache RNS genügte. Somit brauchen wir auch nicht mehr zu fragen, wer zuerst da war, die Henne oder das Ei!

Wir haben auf unserer langen Reise durch die Zeit gesehen, dass alle Zutaten für eine kosmische Biochemie überall und reichlich im Universum vorhanden sind. Und überall, in jeder der vielleicht 500 Milliarden (oder mehr) Galaxien des Alls sorgen Milliarden von Sternen ständig für weiteren Nachschub an Kohlenstoff, Sauerstoff, Stickstoff und allen anderen Elementen, den "Zutaten", aus denen jede Mikrobe und letztendlich auch wir alle bestehen. Wir sind nichts anderes als Sternenstaub! Es sollte daher prinzipiell an jedem (geeigneten) Ort im All möglich sein, dass sich unter günstigen Bedingungen Leben - auch intelligentes - entwickeln kann. Aber leider bietet nicht jeder Ort diese günstigen Bedingungen. Im Gegenteil!

Ein geeignetes Zuhause

Dass Planetensysteme um andere Sterne keine Seltenheit, sondern eher die "Regel" sind, wissen wir heute. Fast täglich entdeckt man neue, wenn auch bislang meist solche von Jupiters Ausmaßen oder noch größer. Doch es ist nur noch eine Frage der Zeit, bis wir auch Planeten von Erdgröße nachweisen. Das ist die erste Bedingung, die erfüllt sein muss, damit Leben entstehen kann: es braucht einen festen Boden unter den Füßen, einen Planeten also. Damit dieser entstehen kann, muss die Urwolke, aus der Stern und Planeten sich bilden, einen hohen Gehalt an gesteinsbildenden Elementen/Verbindungen aufweisen. Auf einem Gasplaneten wie Jupiter sind die Bedingungen für Leben denkbar schlecht, eine feste Oberfläche und die Anwesenheit von Wasser sollten daher gegeben sein. Hinzu kommt, dass sich der Planet innerhalb einer Ökosphäre aufhält, einer Umlaufbahn, die es dem Wasser gestattet in flüssiger Form vorzuliegen. Hätte die Erde eine nur um 5% kleinere Umlaufbahn, so wäre alles Wasser gasförmig aufgrund eines venusähnlichen Treibhauseffektes.

Als nächstes benötigen wir eine stabile Umlaufbahn, die bei den recht häufigen Doppelsternen oder gar Mehrfachsystemen kaum gegeben ist. Durch die ständigen Bahnstörungen würden die Planeten irgendwann in ihre Sonnen stürzen, zumindest aber könnten sich keine gleichmäßigen klimatischen Verhältnisse einstellen. Es sollte also ein Planetensystem um eine einzelne Sonne sein, in welchem die Umlaufbahnen nahezu kreisförmig sind. Der Stern sollte zudem nicht viel mehr als zwei Sonnenmassen aufweisen, damit seine Lebensdauer genügend lang ist. Unter 0,5 Sonnenmassen wird er dann wohl zu wenig Licht und Wärme spenden.
Ein Mond als Trabant des Planeten wäre ein weiterer Vorteil, denn er wirkt sich stabilisierend auf die Rotation aus. Zumindest ein großer Gasplanet übernimmt mit seiner Gravitation die Aufgabe, Kometen und andere Bruchstücke und Kleinkörper einzufangen, um unseren Planeten nach und nach immer besser vor Einschlägen zu schützen.

Nun müssen wir noch die örtlichen Gegebenheiten betrachten! Ein Planetensystem in der Nähe des galaktischen Zentrums hätte sicher "keine ruhige Minute". Instabile Umlaufbahnen der dicht stehenden Sterne, ein ständiges Bombardement mit hochenergetischen UV-, Röntgen- oder Gammastrahlen gilt es hier zu überstehen. Denn das zentrale Schwarze Loch, welches fast in jeder Galaxie zu finden ist, kann durch den Einfang eines Planeten oder Sterns sehr aktiv werden und mit plötzlichen Strahlungsausbrüchen überraschen. Miteinander kollidierende Sterne, häufige Supernovaexplosionen oder schnell rotierende Pulsare erschweren zusätzlich jeden Aufenthalt in dieser Zone.

Die massereichen, dichten Dunkelwolken der Spiralarme sind bestimmt auch nicht der richtige Ort für belebte Planeten. Die sehr intensive Strahlung vieler massereicher und daher kurzlebiger Sterne ist nicht sehr einladend. Geht man dagegen weiter in die äußeren, ruhigeren Bereiche der Spiralarme, so findet man eine stetige Abnahme des Gehaltes an Metallen. Die Bildung von Planeten (Gesteine!) ist hier kaum noch möglich. Es gibt daher, analog zur planetaren Ökosphäre, auch eine solche galaktischen Ausmaßes.

Die Ökosphäre einer GalaxieAußerirdische, wenn sie intelligent und auf der Suche nach bewohnten oder bewohnbaren Planeten wären, würden damit gezielt in einem bestimmten Gürtel der Milchstraße im Abstand zwischen 15000 und 40000 Lichtjahren vom Zentrum suchen. Hier ist die Wahrscheinlichkeit am größten, etwas "Brauchbares" zu finden, auf lebensfreundliche Bedingungen zu treffen (die Sonne ist 28 000 Lichtjahre vom Zentrum entfernt). Im nebenstehenden Bild ist die Ökosphäre einer Galaxie als grüner Bereich angedeutet. Sicher würden sie ihre Suche auch nicht in elliptischen Galaxien beginnen, denn hier sind die Sternbahnen eher zufällig und ungeordnet und daher kaum geeignet, Planeten stabile Bedingungen zu bieten.

Sind wir allein?

Trotz aller Einschränkungen, die wir hier für "lebensbejahende" Orte im Universum und unserer Milchstraße machen mussten, sollte allein in unserer Galaxie eine millionenfache Chance für die Entwicklung von Leben bestehen. Aufgrund dieses Wissens suchen Hunderttausende Wissenschaftler und Laien weltweit im Rahmen des Projekts SETI nach dem Beweis für außerirdisches Leben. Am Ende dieser Bemühungen wird hoffentlich - vielleicht schon morgen - der erste Kontakt zu "E.T." stehen!

Das Ende der Saurier - unser Anfang? Es ist allerdings auch nicht völlig auszuschließen, dass wir die einzigen intelligenten Lebewesen sind. Verdanken wir doch unsere Existenz sehr wahrscheinlich einer zufälligen Katastrophe, nämlich einem Meteoriteneinschlag vor etwa 65 Millionen Jahren, der den weltbeherrschenden Dinosauriern ein Ende setzte. Erst von da ab dominierten die Säugetiere das Geschehen und entwickelten sich schließlich bis zum homo sapiens. Solche Katastrophen sind mindestens 3 Mal in der Geschichte der belebten Erde geschehen, und jedes Mal gab es große Änderungen in der Entwicklung von Fauna und Flora. Sind wir also ein Zufallsprodukt, oder führt die Entwicklung des Lebens "automatisch" zu intelligenten Lebensformen? Wir wissen es nicht.

Mit freundlicher Genehmigung von Don Davis, NASA

Wie schon eingangs erwähnt, wissen wir absolut nichts darüber, was zu dem Wunderwerk des Urknalls geführt hat. Genauso wenig wissen wir wie es dazu kam, dass komplexe organische Moleküle plötzlich begannen, sich zu organisieren, größere Strukturen zu bilden und sich zu vermehren. Es ist uns völlig unbekannt, wie das Leben entstand. Nachweislich gab es jedenfalls schon vor 3,8 Milliarden Jahren erste Einzeller auf der Erde. Es kann sein, dass es Leben schon immer gab und durch Meteorite in Form von Sporen oder Bakterien zur Erde kam. Es kann sein, dass Außerirdische die frühe Erde besuchten und Keime auf den Hinterlassenschaften eines Picknicks zurück ließen. Aber das ist alles eher unwahrscheinlich, solche Deutungen sind zu einfach, ebenso wie die Schöpfungsgeschichte. Denn wir wissen heute, dass es eine Evolution gibt! Nicht nur die des Lebens, sondern auch eine des gesamten Kosmos. Entstanden aus einer zufälligen Quantenfluktuation, entwickelte sich das All zu immer komplexeren Strukturen - zu Gaswolken, Sternen, Galaxien, Galaxienhaufen und Superhaufen, und diese Entwicklung hält weiterhin an. Die Entropie - die Unordnung des Universums - nimmt ständig weiter zu. Auch das Leben ging so vor. Aus den ersten Einzellern entwickelten sich Kolonien von Zellen, in denen jede einzelne sich immer mehr auf bestimmte Aufgaben spezialisierte und die sich gegenseitig immer besser ergänzten (Symbiose). Das Leben fand durch ständige Mutationen zu immer komplexeren Strukturen, verfolgte so bessere Wege zur Anpassung an äußere Bedingungen. An der Spitze dieser Entwicklung stehen wir und sehen heute, dass ein ganzes Universum entstehen musste, damit wir unsere Blicke zum Sternenhimmel erheben können und versuchen verstehen zu lernen, wie das Universum funktioniert. Dieses bisher erreichte Verständnis sollte in dieser "kurzen", langen Geschichte des Lebens ein wenig geschildert werden.

War das vielleicht der Anfang?

Wir wissen nichts über den "Startschuss", der unser Universum und das Leben entstehen ließ. Ob es vielleicht so gewesen ist?

Planeten:

Der Mechanismus, welcher zur Entstehung von Planeten aus einer ursprünglichen Staub- und Gaswolke führt, ist bis zum heutigen Zeitpunkt noch nicht eindeutig geklärt.

Aber durch die neuesten Beobachtungsdaten vor allem der Weltraumteleskope Hubble und Chandra an sternumgebenden Staubscheiben wird das nachfolgende Modell weitgehend gestützt, welches die Entstehung des Sonnensystems beschreibt. Dennoch ist die Bildung von Planeten ein "riskantes Unterfangen", wie nebenstehende Aufnahmen des Hubble- Teleskops zeigen. Staubscheiben von Sternen im Orion, in denen augenscheinlich Planetenentstehung begonnen hat, werden vom intensiven UV- Licht der Zentralsterne überflutet.

Wie aus solchen Beobachtungen hervorgeht, ist die Bildung von Planeten keine Seltenheit, wir wissen ja von inzwischen über 200 aufgespürten extrasolaren Planeten, deren Zahl sich fast täglich vergrößert. Man kann in vielen Sternentstehungsstätten, wie z.B. T Tauri, Staubscheiben beobachten woraus sich ableiten lässt, dass die Entstehung unseres Sonnensystems nicht ein einmaliges Ereignis ist, weder in der Milchstraße noch im Universum insgesamt.

Staubscheibe um T Tauri In einigen Millionen Jahren wird nach dem Zünden der Kernfusionen im System T Tauri (Stier) ein neuer sonnenähnlicher Stern erstrahlen. Bis dahin erschließt sich uns hier ein Beobachtungslabor, in welchem komplizierte gravitative Prozesse vielleicht Planeten entstehen lassen, Jets ins All schießen und die Staub- und Gaswolke sich weiter verdichtet oder vom Sternwind ins All geblasen wird.

Die Planeten unseres Sonnensystems weisen alle nahezu kreisförmige Umlaufbahnen auf, und diese liegen auch ungefähr in einer Ebene. Wie kann das sein?

Es gibt hierzu eine natürliche Erklärung: Die Sonne und ihre Planeten entstanden gemeinsam aus einer einzigen, gravitationsinstabilen Gas- und Staubwolke. Wenn aus einer solchen Wolke ein massearmer Stern wie die Sonne entsteht, geht der Hauptdrehimpuls auf die zirkumstellare Materie über. Das erkennt man daran, dass die Planeten zusammen nur 1/750 der Sonnenmasse aufweisen, die Sonne selbst aber nur 1/200 des Gesamtdrehimpulses. Alle mitentstandenen Planeten haben also die ursprüngliche Drehrichtung der Wolke beibehalten. Bei massereichen Sternen dagegen kommt der Hauptdrehimpuls dem Zentralkörper zu, es werden hier also kaum Planeten anzutreffen sein. Dagegen spricht auch der extrem starke und recht früh einsetzende Sternwind dieser Spezies, der alle umgebende Materie fortweht.

Die interstellare Wolke hatte also einen bestimmten Drehimpuls (welcher ursprünglich von der Rotation der Galaxie stammt) und außerdem ein schwaches Magnetfeld. Ihre chemische Zusammensetzung entsprach etwa der mittleren Verteilung der Elemente, wie man sie heute auch noch im Kosmos findet. Weiterer Drehimpuls stammt aus den Stößen der Teilchen untereinander. Wenn zwei Teilchen kollidieren, so werden sie sich nicht stets genau mittig treffen, sondern viel häufiger seitlich zusammen prallen. Hierdurch wird letzten Endes kinetische Energie in Rotation umgewandelt.