Wie das Weltall immer größer wurde – Teil 2

Ich schließe an den Teil 1 an. In diesem Teil geht es darum, dass man nach und nach den Entfernungshorizont auf die Milchstraße und darüber hinaus erweiterte. Machen wir einen Sprung zurück ins 17 Jahrhundert. Das Teleskop war erfunden und setzte sich bald durch. Immer mehr Menschen richtet das Teleskop auf den Himmel und entdeckten immer schwächere Sterne, aber auch Details auf den Planeten. Doch es heißt nicht umsonst „Fixsterne“. Auch die neuen Sterne entpuppten sich meist als statisch, unveränderlich, auch wenn es schon im Altertum Berichte über neu auftauchende Sterne gab, die man „Nova“ nannte. Das einzige, was sich außer den Planeten veränderte, waren Kometen. Sie tauchten plötzlich auf, konnten sehr spektakulär sein und verschwanden wieder. Edmund Halley erkannte als Erster, dass zumindest manche Kometen periodisch wiederkehren und prognostizierte die Wiederkehr eines Kometen, erlebe dies wegen der Umlaufsdauer von 76 Jahren aber nicht mehr. Der nach ihm benannte Halleysche Komet war bis zur Entdeckung des Neptuns das Objekt mit der größten Sonnenferne.

Im 17-tren Jahrhundert konzentrierten sich daher viele Beobachter auf die Entdeckung neuer Kometen, um den Entdeckerruhm einzuheimsen und den Namen zu vergeben – nicht nur den eigenen, sondern auch dem eines Mäzens, der die Forschung finanzierte. Kometen sind sofern sie weit entfernt von der Sonne sind, unscheinbar. Zuerst sieht man nur eine kugelförmige schwache Scheibe, die Koma, erst nahe der Sonne bildet sich der markante Schweif. Also suchten sie den Himmel nach kleinen diffusen Scheiben ab.

Dumm nur, das Astronomen sehr bald andere Gebilde entdeckten die man wegen der unscharfen Kontur „Nebel“ nannte. Man konnte sie vom Aussehen her in verschiedene Kategorien einteilen.

Einige Nebel waren innen hell, kugelförmig, die Helligkeit fiel nach außen ab. Als die Teleskope besser wurden, erkannte man das dies dichte Haufen aus Sternen waren, die Kugelsternhaufen.

Andere sahen im Teleskop wie eine Scheibe aus, leicht zu verwechseln mit Planeten. Diese wurden daher planetarische Nebel genannt. Wieder andere „Nebel“ waren elliptisch, manche hatten eine Spiralstruktur, sie nannte man Spiralnebel. Die meisten anderen Nebel waren irrgulär, in manchen konnte man im inneren Sterne sehen.

Diese Nebel sind nicht neu, schon mit bloßem Auge kann man die Milchstraße als nebeliges Band erkennen, unter günstigen Umständen auch einen verwaschenen Fleck im Sternbild Andromeda und einen weiteren unterhalb des Gürtels des Orions. Die Milchstraße hieß schon damals so, der Name stammt aus der griechischen Mystik. Nachdem Zeus Herakles gezeugt hatte, der, weil die Mutter eine Sterbliche war, nur ein Halbgott war wollte er ihn etwas göttlicher machen und legte ihn seiner Frau Hera an die Brust damit diese ihn säuge. Das Baby saugte aber so fest, das Hera den Säugling von der Brust rriss und die Milch in hohem Bogen sich über den Himmel verteilt – die Milchstraße war geboren. Neben der hübschen Geschichte bewiesen die Griechen auch Weitsicht, denn damit die Milch auch nach Tausenden von Jahren sichtbar ist, dürfte sie nicht verderben, und das ist tatsächlich im Weltall so.

Mit den Teleskopen entdeckte man nun viel mehr dieser „Nebel“ und Beobachter begannen Kataloge anzulegen in denen sie ihre Position vermerkten. Nicht weil sie die Nebel so interessant waren, sondern damit sie sie nicht mit Kometen verwechselten. Der erste Katalog wurde 1771 von „Kometenfreak“ Messier veröffentlicht.

Doch was diese Nebel sind, wusste man lange nicht. Die Naur der Milchstraße wurde dagegen von William Herschel entdeckt. Herschel war Deutscher, arbeitet jedoch als englischer Hofastronom. Er baute die damals größten Spiegelteleskope. Er entdeckte nicht nur den Planeten Uranus, sondern richtete sie auch auf die Milchstraße und konnte erkennen, dass dort nicht nur Nebel waren, sondern auch sehr viele Sterne. Er zählte die Stern in jedem Sektor aus und gewann so das erste Bild der Galaxie. Er erkannte richtig, dass es sich bei der Milchstraße um eine flache Scheibe handeln musste in der wir uns befinden. Herschel nahm aber noch an, dass wir uns im Zentrum befanden – da Staubwolken viel des Lichts zum Zentrum hin abschirmen, kann man nur aus dem Zählen der Sterne nicht ableiten, das wir nicht im Zentrum sondern einem Seitenarm befinden.

Teleskope wurden auch in der Folgezeit größer, doch es bedürfte wie der Erfindung des Fernrohrs einer neuen Technologie um noch weiter ins Universum hinauszusehen. Das war die Fotografie. Die ersten Fotoplatten waren noch lichtunempfindlich, doch sie wurden rasch besser. Vor allem aber konnte man eine Fotoplatte im Brennpunkt eines Teleskops stundenlang belichten, während unser Auge nur den kurzzeitigen Eindruck eines Sekundenbruchteils wiedergeben kann. Mit Fotoplatten sah man daher viel mehr in den Nebeln, die für das Auge eine zu geringe Flächenhelligkeit haben, als dass man kaum Details sehen kann. Die planetarischen Nebel entpuppten sich als Ringe, die Natur der Kugelsternhaufen wurde erkannt. 1914 entdeckte Shapley in Kugelsternhaufen Cepheiden. Cepheiden sind eine besondere Sternklasse, deren Helligkeit periodisch schwankt. Man kannte diese schon aus der Sonnennähe und wusste, dass die absolute Leuchtkraft direkt gekoppelt ist mit der Periode des Pulsierens. Damit waren sie wichtige „Standardkerzen“, man konnte also wenn man die Periode kannte, die absolute Leuchtkraft berechnen. Verglich man diese mit der beobachteten Helligkeit, so war die Entfernung des Sterns bekannt. Shapley erhielt Entfernungen für die Kugelsternhaufen über einige Tausend Lichtjahre und damit war klar, dass diese Kugelsternhaufen sich nicht in der Milchstraßenebene befinden, aber in ihrer Nähe.

Ein Meilenstern für die kommende Forschung war die Einweihung des 2,54 m Teleskops auf dem Mount Wilson, es war erheblich größer als jedes Teleskop seiner Zeit. Die Position auf dem Berg und eine präzise Nachführung machten es zu einem hervorragenden Instrument, das in den nächsten 30 Jahren für die meisten Entdeckungen verantwortlich sein würde. Mit dem Teleskop konnte man in den nächsten Spiralgalaxien Sterne erkennen. Schon vorher vermutete man das unsere Galaxie wie eine dieser Galaxien aussah. Mit der Entdeckung von Sternen war endgültig klar, dass es tatsächlich Ansammlungen von Sternen waren – im Unterschied zu den anderen Nebeln, die sich als Reste von Sternexplosion oder Geburtsstätten von Sternen entpuppten. Doch wie weit waren diese Galaxien weg? Edwin Hubble konnte erstmals die Distanz zu einer der Galaxien bestimmen. Er fand 1924 in der Andromedagalaxie auch einen Cepheiden, und konnte die Entfernung zu ihr so auf damals 3 Millionen Lichtjahre bestimmen. Nachdem man wusste, wonach man suchen musste fand man Cepheiden auch in anderen Galaxien.

Später fand man weitere Möglichkeiten zur Entfernungsbestimmung. Denn ab einer bestimmten Distanz waren auch Cepheiden nicht mehr leuchtkräftig genug um als Sterne sichtbar zu sein. Doch es gibt Sterne, die leuchten noch heller auf. Wenn in einem Doppelsternsystem ein ausgebrannter Stern, ein weißer Zwerg, Materie von seinem Begleiter absaugt, dann kann sich dieses Gas, wenn es genügend Masse ist entzünden und eine thermonukleare Fusion starten. Als Folge leuchtet der Stern für kurze Zeit erheblich heller auf als ein normaler Stern. Dies nennt man eine Nova. Novas sind selten, es muss dazu ein enges Doppelsternsystem geben, bei dem ein Stern zu einem Weisen Zwerg wurde, und es dauert lange bis Materie sich angesammelt hat. Eine Galaxie hat aber so viele Sterne, das im Mittel es eine Nova pro Jahr geben sollte. Auch Novas haben ungefähr die gleiche absolute Helligkeit und können so zur Entfernungsbestimmung genutzt werden. Noch heller, auf stellarer Ebene das hellste was es überhaupt gibt, sind Supernovae. Eine Supernovae ist eine Sternexplosion. Hat ein sehr massereicher Stern seinen Brennstoff verbraucht, so kollabiert der Kern, die äußeren Hüllen stürzen auf den kollabierenden Kern, wobei so hohe Drücke und Temperaturen entstehen, dass es zu spontanen Kernreaktionen kommen kann. Eine Supernovae ist noch erheblich heller als eine Nova, aber auch seltener, je nach Anzahl der Sterne in einer Galaxie sollte es eine nur alle 100 bis 1000 Jahre geben. Damit konnte man die Entfernung zu weiter entfernten Galaxien messen.

Die letzte große Entdeckung war die Rotverschiebung. Man fertigte auch Spektren der Galaxien an, und es fiel auf, dass markante Absorptionslinien um so mehr in den langwelligen („roten“ Spektralbereich verschoben waren, je weiter sie von uns entfernt waren. Es sah so aus, als würden sich alle Galaxien von uns entfernen. Doch inzwischen glaubten die Astronomen nicht mehr daran das unsere Milchstraße im Mittelpunkt des Universums ist, sondern sie kamen schnell auf die wahre Deutung dieses Tatbestandes: der Raum zwischen den Galaxien dehnt sich aus, und so entfernen sich alle Galaxien voneinander, ähnlich wie Punkte auf einem Luftballon der aufgeblasen wird.

Dieses „Urknallmodell“ war nicht unumstritten. Es gab andere Erklärungsmöglichkeiten, so die eines statischen Universums, in dem die Galaxien sich nicht bewegten. Dieses favorisierte Albert Einstein. Eine andere Erklärung war, dass sich das Weltall zwar ausdehnte es aber keinen Urknall gab. Dann musste aber laufend Materie entstehen um die Dichte des Universums aufrechtzuerhalten.

Doch zuerst ergab diese Methode der Entfernungsbestimmung über die Rotverschiebung ein Problem. Die nahen Galaxien, wie die Andromedagalaxie hatten eine Blauverschiebung, eine messbare Rotverschiebung hatten nur weiter entfernte Galaxien, an der Grenze wo man noch Cepheiden nachweisen konnte. Verglich man die Rotverschiebung mit der so bestimmten Entfernung, so konnte man errechnen, wann alle Galaxien in einem Punkt vereinigt waren. Das wäre vor 2 Milliarden Jahren gewesen. Man wusste zu dem Zeitpunkt aber schon das die Erde mindestens 4,6 Milliarden Jahre alt war, das Universum konnte schlecht halb so alt wie die Erde sein. Erst 1942 wurde das Rätsel gelöst Walter Baade konnte am Wilson Observatorium die Photoplatten länger belichten als sonst, da nun alle US-Städte aus Furcht vor japanischen Luftangriffen in Dunkelheit gehüllt waren und bei Mount Wilson störte die Lichtverschmutzung von Los Angeles. Er konnte so in den Galaxien eine zweite Klasse von Cepheiden nachweisen, die viel leuchtschwächer waren. Wie sich zeigte, hatte man die Entfernungen bisher alle anhand einer in der Milchstraße seltenen Untergruppe der Cepheiden bestimmt, die erheblich leuchtkräftiger als die normalen waren. So waren die Galaxien viel weiter entfernt als vorher angenommen und das Alter des Universums stiegt auf 15 Mrd. Jahre.

Mit der nun geeichten Skala konnte man zum einen anhand der Rotverschiebung die Entfernung einer Galaxie messen, selbst wenn diese keine Nova oder Supernova als Entfernungsmarker hatte. Zum anderen implizierte dies, das alle Galaxien einmal in einem Punkt vereint waren – das Urknallmodell war geboren. Doch war es wirklich so? Gab es den Urknall? Lange Zeit war es nur ein Modell, doch dann arbeiteten Anfang der Sechziger Jahre die Physiker Penzias und Wilson an der Entwicklung besserer Antennen für die Satellitenkommnikation für die Bell Labs. Ihre neue Antenne, viel empfindlicher als vorherige Exemplare, hatte aber ein Rauschen, das nicht da sein sollte. Sie taten alles um den Fehler aufspüren, reinigten die Antenne schließlich sogar vom Taubendreck. Doch das Rauschen blieb und es war anders als andere radioastronomische Störungen, die man kannte, konstant. Es gab schon Radioquellen, so die Sonne und Jupiter, doch die bewegten sich über den Himmel. Das Rauschen blieb aber dauerhaft.

Die Lösung kam, als sie einen Artikel lasen, in der jemand berechnet hatte, dass wenn es den Urknall gab, es einen Punkt geben musste, bei dem die Materie sich so weit abgekühlt hatte, das Atome entstehen. Bis dahin gab es ein Gleichgewicht von Lichtteilchen und schweren Teilchen (zu diesem Zeitpunkt waren dies noch Elektronen, Wasserstoff- und Heliumkerne). Das Universum war ein Plasma, es kühlte sich nach dem Urknall aber kontinuierlich ab, da es sich ausdehnte und 100.000 Jahre nach dem Urknall sankt die Temperatur so weit ab, das sich Atome bilden konnten, die Atomkerne fingen Elektronen ein. Von nun an entzogen sich die Photonen dem Gleichgewicht und verloren mit steigender Ausdehnung des Universums immer mehr Energie. Heute so kam der Artikel zu dem Schluss, musste je nach Alter des Universums ein Photon vom Urknall eine Energie haben, die einer Temperatur von wenigen Kelvin entspricht und genau diese Energie hatte das Rauschen, das Penzias und Wilson gemessen. Seitdem haben mehrere Satellitenmissionen wie COBE, WMAP oder Herschel diese Hintergrundstrahlung und vor allem ihre räumlichen Schwankungen genau kartiert und man hat auch bestimmt wie alt das Universum ist: etwa 13,7 Mrd. Jahre. Das Hubble Weltraumteleskop hat zweimal mehrere Tage lang einen eigentlich völlig leeren Bereich fotografiert, die „Deep Sky Fields“ und in jeder Aufnahme fand man tausende von Galaxien die sehr weit von uns entfernt sind, und damit auch sehr alt. Bedingt durch die Rotverschiebung dürften die ältesten Galaxien heller im Infrarotbereich sein, als im sichtbaren. Man erhofft sich so vom James Webb Teleskop wegen dessen stärkerer Auslegung auf den Infraroten Spektralbereich und dem größeren Hauptspiegel einen noch weiter gehenden Blick in die Vergangenheit.

Gleichzeitig steht der Artikel auch für eine neue Ära – bisher entdeckte man etwas und suchte danach nach Erklärungen. Nun machte man Berechnungen, später auch Computermodelle um Theorien zu prüfen oder Vorhersagen zu machen. So waren die schwarzen Löcher anfangs nur eine mathematische Möglichkeit die sich aus der Relativitätstheorie ergab. Mittlerweile setzt man Missionen ein, um solche Vorhersagen zu überprüfen. Die genaue Kartierung des kosmischen Hintergrunds dient auch dazu um Theorien über die frühe Phase des Universums zu verifizieren.

Mittlerweile entdeckte man auch zahlreiche Phänomene, die kleiner als Galaxien waren. Manche wurden von einer Theorie vorausgesagt, andere einfach entdeckt. Bei vielen der neuen Objekte hat der Verstand Probleme sie begrifflich zu verstehen. Die weißen Zwerge als Endstadium leichter Sterne wurden schon erwähnt. Ein weißer Zwerg ist im Prinzip der innerste Kern einer Sonne, extrem dicht und kompakt. Der Kern der Sonne hat einen Großteil der Masse, hat aber nur einen Durchmesser eines kleinen Gasplaneten wie Uranus und Neptun. 1967 entdeckte man mit einem Radioteleskop regelmäßige signale. Sie stammten von Pulsaren. Ist die Masse eines Sternkerns noch größer als bei einem Weißen Zwerg, so ist die Gravitationskraft größer als die Abstoßung zwischen Elektronen und Protonen und die Elektronen werden in die Protonen gepresst und sie werden zu Neutronen. Ein Neutronenstern ist ein riesiger Atomkern. Da ein Atomkern nur ¹/_100.000 des Atomdurchmessers einnimmt, kann man einen Sterne von mehrfacher Sonnenmasse so auf einen Durchmesser von 20 km verkleinern. Ist der Kern noch größer so reichen auch die Kräfte zwischen den Elementarteilchen nicht aus die Gravitationskraft aufzuheben und es müsste die Materie weiter komprimiert werden – ein schwarzes Loch entsteht. Obwohl sie in der Science-Fiction Literatur sehr bald populär waren, waren sich lange Zeit die Astronomen gespalten. Viele glaubten nicht daran, dass man Materie unendlich stark komprimieren kann. Mittlerweile gibt es aber so viele Phänomene die man nur mit schwarzen Löchern erklären kann, das man sie als gesichert ansieht. Die Pulsation der Neutronensterne kommt dadurch zustande, dass wenn man einen Sternkern so stark komprimiert, die Rotationsgeschwindigkeit wegen Erhaltung des Drehimpulses ansteigen muss. Ein solcher Stern rotiert dann in einer Sekunde um die eigene Achse. Aufgrund der hohen Gravitation wird die Strahlung gebündelt und kann nur entlang einer Achse austreten, passiert diese Achse bei der Rotation die Erde, so sehen wir dies als einen Impuls.

Dann entdeckte man Quasare, Quellen die sternförmig erscheinen, aber enorm weit weg sind. Wie sich zeigte waren die Galaxien in ihrer Entstehungszeit in deren Mitte ein schwarzes Loch Sterne verschlang und dabei enorm große Energiemengen freisetzen – die Sonne gibt 1,5 x 10¹⁸ W pro Sekunde ab, einige Quasare 10⁴⁰ Watt, sie sind also so hell wie 10²² Sonnen. Noch mehr Energie, bis zu 10⁴⁵ Watt geben Gammastrahlenausbrüche ab, die aufgrund dessen das sie nur im Gammastrahlenbereich aktiv sind schwer nachweisbar und erforschbar sind. Mittlerweile konnte man sogar Gravitationswellen die bei der Verschmelzung massereicher Objekte wie Neutronensterne oder schwarzen Löchern nachweisen und nicht nur das 1932 von Pauli (damals nur zur Energieerhaltung in einer Gleichung) postulierte Neutrino nachweisen, sondern auch seine Masse bestimmen. Was daran so besonders ist? Für ein Neutrino ist Materie ein so großes Hindernis wie ein Blatt Papier für eine Kanonenkugel. Erst wenn die Materie eine Dicke von einem Lichtjahr hat fängt sie im Mittel 50 % der Neutrinos ab. Entsprechend klein ist die Zahl der Neutrinos, die man in einem irdischen Detektor nachweisen kann und entsprechend gut muss die Messtechnik sein.