13,7 Milliarden Jahre ab dem Urknall

Als 3 Minuten nach dem Urknall nahezu die gesamte Materie des Universums in Form von Helium- und Wasserstoffkernen (samt einer Prise weiterer leichter Atomkerne) entstanden war, tat sich eine Zeitlang wenig. Gewiss, das Weltall dehnte sich weiterhin rasend schnell aus - bis zum heutigen Tage - und dabei kühlte sich die Materie immer mehr ab. Es dauerte jedoch fast noch 400.000 Jahre bis es zu einem abermaligen, wichtigen Ereignis kam: nun gelang es den Elektronen, sich den Atomkernen anzuschliessen und es entstanden die ersten chemischen Elemente Wasserstoff und Helium. Die hochenergetischen Lichtquanten, auch Photonen genannt, hatten dies bislang verhindert. Aber jetzt reichte (wegen der Abkühlung) ihre Kraft nicht mehr aus und sie "entkoppelten" sich aus dem Geschehen, wie die Physiker sagen. Dies hatte eine dramatische Folge: das Universum, welches bisher undurchsichtig war, wurde nun (wegen der frei umher fliegenden Lichtteilchen) transparent, licht und klar.


Die amerikanischen Kreationisten und andere strenggläubige Bibelchristen sehen in diesem Ereignis einen "Beweis" für die Heilige Schrift. Dort steht im ersten Buch Mose, der sogenannten Genesis, gleich zu Beginn: "Am Anfang schuf Gott Himmel und Erde...und es war finster in der Tiefe...und Gott sprach: Es werde Licht! Und es ward Licht." (1. Mos. 1.1-3). Allerdings nehmen sie an, dass dies erst vor 6.000 Jahren geschehen sei. Die Physiker sind sich jedoch darüber einig, dass seitdem mehr als 13 Milliarden Jahre verstrichen sein müssen.


Nun dauerte es einige weitere hundert Millionen Jahre, bis etwas Signifikantes passierte: kleine Inhomogenitäten im allseitigen Gasnebel des Wasserstoffs und des Heliums verstärkten sich allmählich durch die Gravitation, also die anziehende Schwerkraft, und peu à peu entstanden dabei Materieanhäufungen, die sogenannten Galaxien und zum Teil auch Sterne. Da die Materiemenge im All sich nicht mehr veränderte, mussten sich an anderen Stellen gleichzeitig gewaltige Leerräume bilden. Das Universum strukturierte sich also grossräumig um. Nach heutigen Vorstellungen gibt es mittlerweile rund hundert Milliarden Galaxien, wovon man etwa die Hälfte tatsächlich mit den grössten Fernrohren, wie dem satellitengestützten Hubble-Teleskop, zumeist als Pünktchen erkennen kann. Aus der Ferne betrachtet verleihen sie dem Weltall ein "schwammiges" oder "schaumiges" Aussehen. Galaxien arrangieren sich vorwiegend in Gruppen von Hunderten oder sogar Tausenden. Da sie sich natürlich auch gegenseitig anziehen, kommt es zu gigantischen kosmischen Kollisionen, die vielen von ihnen ein "zerrupftes" Aussehen verleihen.


Eine schöne Galaxie ist demgegenüber unsere Heimatgalaxie, die Milchstrasse. Sie trägt diesen Namen, weil sie, von der Erde aus betrachtet, wie ein quer über das Firmament gesetzter, milchiger Pinselstrich erscheint. Sie ist eine zweiarmige Spiralgalaxie und entstand schon in der Urzeit des Weltgeschehens; ausserdem ist sie mit 100.000 Lichtjahren Ausdehnung relativ gross. Sie besteht aus ca. 400 Milliarden Sonnen und - vermutlich - mindestens ebensovielen Planeten. Unser irdisches Sonnensystem liegt, abgeschirmt vom heissen Zentrum, quasi in einem "kuscheligen Hinterhofbereich" der Milchstrasse. Zwar rast die benachbarte Andromeda-Galaxie auf die Milchstrasse mit 120 Kilometern pro Sekunde zu, aber ich kann mich bei meinen Leser dafür verbürgen, dass für uns daraus vorderhand kein Unheil erwachsen wird, selbst wenn wenn wir das Alter des sagenhaften Methusalem erreichen würden.


Die Galaxien sind die "Kinderstuben" der Sterne. Sie beinhalten riesige ausgedehnte Molekülwolken, die aus irgend einem Zufall etwas dichter sind als ihre Umgebung. Wegen der Schwerkraft fallen sie langsam in sich zusammen, was hunderttausend oder auch einige Millionen Jahre dauern kann. Die Gasbälle vergrössern sich immer mehr und verdichten sich dabei. Im Inneren steigt der Druck auf viele Millionen Atmosphären an und, wenn die Temperatur 15 Millionen Grad erreicht hat, kommt es zur Zündung des Fusionsfeuers. Ein Stern ist geboren, der Millionen, manchmal Milliarden Jahre lang als Sonne das Firmament erhellt. Seine Energie erhält er in erster Linie durch die nukleare Fusion der Wasserstoff- und Heliumkerne, wobei weitere Elemente des Periodensystems, bis hin zum Eisen, aufgebaut werden. Die Sternbildung hält bis heute an; man vermutet, dass jede Galaxie etwa 100 Milliarden strahlende Sonnen beheimatet.


Die Sterne sind von sehr unterschiedlicher Grösse und erstaunlicherweise ist die Lebensdauer der kleinen Sterne viel höher als die der grossen. (Unsere Sonne liegt so etwa in der Mitte.) Kleine Sterne gehen mit ihrem Fusionsbrennstoff sparsam um und brennen - bei dezenter Erwärmung ihrer Umgebung - manchmal 100 Milliarden Jahre oder noch länger. Superschwere Sterne erhitzen dagegen weite Areale und bringen es dadurch auf kaum mehr als eine Million Jahre. Dafür beenden sie ihr Leben mit einem höchst spektakulären Knalleffekt als Super-Nova. Sobald sich im Zentrum einer solchen Sonne der finale Eisenkern gebildet hat, erlischt das Fusionsfeuer und die gesamte äussere Hülle des Riesensterns kracht mit ungeheurer Wucht auf die metallene Mitte. Dabei entsteht eine Schockwellenexplosion, welche über mehrere Wochen heller leuchten kann, als die ganze Galaxie. Der zentrale Eisenkern wird zu einer bizarren Kugel von etwa 10 km Durchmesser zusammen gedrückt: ein superschwerer Neutronenstern ist entstanden. Ein einziger Teelöffel seiner Materie würde auf der Erde mehr als eine Milliarde Tonnen wiegen!


Unserer Sonne bleibtdieses Schicksal erspart; sie wird noch einige Milliarden Jahre so herrlich leuchten wie bisher. Dann aber wird sie sich durch enormes Aufblähen ihrer äusseren Schichten in einen sogenannten Roten Riesen verwandeln. Dabei verschlingt sie den nahen Planeten Merkur und vielleicht auch die Venus. Von der Erde aus wird sie als rot glühender Gasball sichtbar sein, der ein Drittel des Himmels einnimmt. Eine beeindruckende Vorstellung, aber leider werden wir Menschen dies nicht mehr wahrnehmen können. Schon lange vorher hat die Hitze unserer aufgedunsenen Sonne unseren Heimatplaneten verbrannt und die Ozeane verdunsten lassen.


Kommen wir nochmal zurück zum Todeskampf der superschweren Sterne. Die Entstehung einer Super-Nova nach Erlöschen des Fusionsfeuers sowie die anschliessende Bildung eines Neutronensterns, ist nicht die einzige Option für deren Exitus. Manchmal hält auch der Neutronenstern den gigantischen Belastungen der herabfallenden Sternhülle nicht mehr stand und es kommt zur Bildung eines Schwarzen Lochs. Dieses einst spekulative Phänomen wird heute von den Astrophysikern durchaus als real angesehen. Man kann es als astronomisches Objekt definieren, dessen Gravitation so hoch ist, dass selbst die Lichtteilchen (Photonen) darin gefangen werden. Ein Schwarzes Loch ist deshalb für das menschliche Auge nicht sichtbar. Ein Raumfahrer würde es bei seiner Navigation durch den Weltraum nicht sehen, bei unvorsichtiger Überschreitung seines Randes (Ereignishorizont genannt) in das Loch hineingezogen werden und - wie bei der mittelalterlichen Folter - auseinander gerissen werden.


Schwarze Löcher befinden sich vermutlich im Zentrum aller Galaxien und haben etwa die geometrische Ausdehnung unseres Sonnensystems. Von der Schwerkraft her repräsentieren sie aber Millionen, vielleicht sogar Milliarden von Sternen. Und diese Monster lassen sich zudem noch immerwährend füttern. Nicht, wie der sagenhafte Minotaurus, dem die Athener zur Besänftigung regelmässig Jungfrauen in sein Labyrinth zuführen mussten, sondern durch Materiegas, das sich in ihrer Nähe befindet. Dieses wird, ähnlich wie beim Wasserabflussrohr der Badewanne, durch die Schwerkraft in das Schwarze Loch eingestrudelt, leuchtet wegen der hohen Geschwindigkeitszunahme nochmal kurz auf und kann dadurch mit irdischen Teleskopen beobachtet werden.


Schwarze Mini-Löcher sollen demnächst an der Kernforschungsanlage CERN bei Genf erzeugt werden, wenn man Kernteilchen bei hoher Energie aufeinander schiesst. Nach Aussage der dortigen Physiker entsteht dadurch aber keine Gefahr für uns Erdbewohner und für unseren Planeten. Skeptische Zeitgenossen halten jedoch die Propagation dieser kleine Löcher für möglich, mit der Folge der Erzeugung eines grösseren Schwarzen Lochs und des Verschlingens unserer Erde. (Sollten wir alle in drei Jahren noch leben, dann haben die CERN-Physiker recht gehabt.)

Seit einigen Jahren beschäftigen sich die Astrophysiker mit einem weiteren merkwürdigen Phänomen unseres Weltalls, der sogenannten Dunklen Materie. Sie haben nämlich durch Nachrechnen festgestellt, dass die sichtbare Materie bei weitem nicht ausreichen kann, um die relativ schnelle Bildung der Sterne und Galaxien in der Urzeit zu erklären. Auch die schönen Spiralarme unserer Milchstrasse müssten längst abgerissen sein, weil sie sich viel zu schnell drehen und die Gravitation für den Zusammenhalt (rechnerisch) nicht ausreicht. So hat man die Hypothese aufgestellt, dass es, neben der sichtbaren Materie, noch eine weitere Kategorie - eben die Dunkle Materie - geben müsse, welche mit ihrer Schwerkraft für den Zusammenhalt des Universums sorgt. Aus der Hypothese ist mittlerweile eine starke Vermutung geworden; man nimmt sogar an, dass es im Weltall mindestens 5 mal mehr dunkle Materie gibt als sichtbare. Leider ist sie mit Teleskopen nicht zu beobachten; sie macht sich aber indirekt durch ihre gravitative Wechselwirkung bemerkbar.

Bis vor einiger Zeit glaubte man noch daran, es könnten die Neutrino-Teilchen sein. Von ihnen gibt es zwar ungeheuer viele, aber sie besitzen nur eine geringe Masse, weswegen sie letzlich als Kandidaten für die Dunkle Materie ausscheiden. Auch die im Weltraum umherirrenden, ausgebrannten - und damit unsichtbaren - Sternruinen hatte man im Verdacht. Aber ihrer sind zu wenige. Derzeit konzentriert sich die Suche auf neuartige atomare Teilchen, die sehr wenig mit ihrer Umgebung wechselwirken, welche aber dennoch eine beträchtliche Gravitation ausüben. Sie werden WIMPs genannt und sollen im LHC-Beschleuniger des CERN, der in Kürze in Betrieb geht, erzeugt und nachgewiesen werden.

Der Nobelpreis ist dem Chefwissenschaftler gewiss.