Teil 1

Kosmos

Kapitel 1

Vom Ende des Universums

Ein Blick in den Nachthimmel weckt in den meisten von uns eine unbeschreibliche Neugier. Die Sterne mit ihrem flackernden Licht, die hell strahlenden Planeten, der wandelbare Mond, sie alle erzählen uns von einem Leben in anderen Welten. Doch die Erforschung des Universums hat uns schon oft an unsere Grenzen gebracht: an die Grenzen unserer Vorstellungskraft, unserer Technologie oder unserer Naturgesetze. Hier wollen wir nun eine neue Grenze testen: Wir wollen nachsehen, ob wir ans Ende des Universums reisen können. Aber was meine ich damit? Ist die Rede vom räumlichen Ende, also dem Ort, wo das Universum »aufhört«? Gibt es so etwas überhaupt? Oder ist eher das zeitliche Ende gemeint, also der Moment, in dem unser Universum einmal sterben wird? Wenn es sich nach Milliarden von Jahren des Werdens und Vergehens endlich schlafen legt und Zeit und Raum aufhören zu existieren? Nun, tatsächlich meine ich beides. Denn bei der Suche nach dem Ende des Universums musste ich feststellen, dass das Räumliche und Zeitliche eng miteinander verknüpft sind.

Die Reise zum Rand

Um herauszufinden, wo das Universum aufhört, müssen wir zunächst wissen, welche Form es hat. Stellt euch das vor wie bei unserem Planeten: Jemand, der glaubt, die Erde sei eine Scheibe, wird auf ewig in dieselbe Richtung laufen, in der Hoffnung, den Rand zu finden. Wenn er dann irgendwann wieder an seinem Ausgangspunkt ankommt, wird er frustriert feststellen: Die Erde kann keine Scheibe sein, und ihre tatsächliche Form macht es unmöglich, ihr »Ende« zu erreichen. Wie verhält es sich nun mit dem Universum? Wenn ich mich heute in ein Raumschiff setze und auf ewig in eine Richtung fliege, komme ich dann wieder dort an, wo ich meine Reise begonnen habe? Oder erreiche ich irgendwann tatsächlich den Rand des Kosmos? Das hängt, wie gesagt, von seiner Form ab – die wiederum Aufschluss darüber gibt, wie alles einmal enden wird. Die Form des Universums diktiert nämlich, wie sich die Materie und alle Kräfte darin verhalten. Driftet alles auf ewig auseinander, bis selbst der letzte Atomkern auseinandergerissen ist und es nur noch das »Nichts« gibt, so weit das Auge reicht? Oder fällt die Materie womöglich wieder in sich zusammen, in einer Art Anti-Urknall? Lasst uns gemeinsam in ein imaginäres Raumschiff steigen und dorthin fliegen, wo unsere Naturgesetze zusammenbrechen. Machen wir uns – gewappnet mit den Methoden der Wissenschaft – daran, die Grenzen unserer Vorstellungskraft zu sprengen!

Die Suche nach dem äußersten Rand des Kosmos gestaltet sich extrem schwierig, so viel kann ich schon mal verraten. Denn jedes Mal, wenn wir mit den immer besser werdenden Teleskopen nachschauen, ist das Universum irgendwie größer geworden. Lange Zeit glaubte man, es sei so groß wie unsere Heimatgalaxie, die Milchstraße. Etwa 100000 Lichtjahre im Durchmesser, also so groß, dass Licht 100000 Jahre braucht, um vom einen ans andere Ende zu reisen. Und das, obwohl Licht das Schnellste ist, was es im Universum gibt. Mit der Zeit fanden wir aber Sterne und Galaxien, die noch weiter entfernt waren als 100000 Lichtjahre. Den Vogel abgeschossen hat letzten Endes der Amerikaner Edwin Hubble. Nicht nur stellte er in den 1920er-Jahren fest, dass es sich bei einem unscheinbaren Nebelfleck im Sternbild Andromeda um eine eigene Galaxie handelt, nein, er gab deren Entfernung von der Erde mit sage und schreibe einer Million Lichtjahren an.1 Mit dieser Entdeckung wurden wir Menschen auf der Erde unbedeutender (und in Wahrheit ist die Andromeda-Galaxie noch viel weiter entfernt, nämlich etwa 2,5 Millionen Lichtjahre). Die Milchstraße war plötzlich nicht mehr die einzige Galaxie, es gab noch unzählige weitere, teilweise tausendfach größere als unsere Heimatgalaxie.2 Und als wäre das nicht genug, stellte Hubble auch noch fest, dass sich das Weltall ausdehnt. Es wird also nicht nur immer größer, weil wir immer mehr Sterne und Galaxien in immer größerer Entfernung entdecken, sondern weil es tatsächlich expandiert, in alle Richtungen gleichzeitig. Und es expandiert, weil … ja, warum eigentlich?

Mithilfe von Hubbles Entdeckungen konnte zum einen berechnet werden, wie schnell sich alles voneinander entfernt. Aber man konnte die Uhr auch umdrehen und feststellen, dass ganz, ganz früher, vor etwa 14 Milliarden Jahren, buchstäblich alles, was es gibt, mal auf einem winzig kleinen Punkt zusammengelegen hat. Alles an Energie und sämtliche Materie – das Zeug, das sich später mal zu Sternen, Schwarzen Löchern, Galaxien, Nebel und Kometen formen wird –, zusammengequetscht auf einem unvorstellbar winzigen Punkt: einer Singularität. Dann fing das alles irgendwann an, sich wahnsinnig schnell auszudehnen, und seitdem wird der Kosmos immer größer. Okay, aber … hört er nicht auch mal wieder auf, sich auszudehnen? Irgendwann muss doch mal gut sein, oder?

Das Supernova Cosmology Project

Über siebzig Jahre lang war die akzeptierte Meinung in der Welt der Astronomie: Die Expansion, die Hubble entdeckt hatte, müsste durch die Schwerkraft aller Materie im Weltall langsam abgebremst werden. Um diese Theorie zu überprüfen, wurde in den 1990er-Jahren das ambitionierte Supernova Cosmology Project gegründet.3 Und nein, das ist nicht der Name der Psychedelic Rockband deines Musiklehrers. Das war ein Zusammenschluss internationaler Astronominnen, Astrophysiker sowie Wissenschaftler anderer Fachrichtungen, die versuchten, die Abbremsungsgeschwindigkeit der kosmischen Expansion zu messen. Zu diesem Zweck fingen sie an, explodierende Sterne zu beobachten. Klar, wäre auch der erste Ort gewesen, wo ich nachgeschaut hätte. Sterne, die am Ende ihres Lebens stehen, enden oft in einer Supernova, einer Explosion der Extraklasse. Dabei leuchtet der sterbende Stern millionen- bis milliardenfach stärker als zuvor: Er strahlt so hell wie die gesamte Galaxie, in der er sich befindet. Diese Sternenexplosionen würden, so hofften die Forschenden, Rückschlüsse auf die Expansionsrate des Universums erlauben.

Das Supernova Cosmology Project (SCP) interessierte sich insbesondere für Supernovas (oder Supernovae, wenn ihr besonders fancy und intellektuell klingen wollt)4 des Typs Ia. In den 1980er-Jahren hatte man nämlich festgestellt, dass sich Typ-Ia-Supernovas besonders gut dafür eignen, Entfernungen im All zu messen. Sie treten vor allem auf, wenn sehr kleine, alte Sterne mit etwa 1,4 Sonnenmassen, auch bekannt als Weiße Zwerge, explodieren. Diese Explosionen gelten als »kosmische Zollstöcke«5 oder »Standardkerzen«, da ihr Helligkeitsverlauf immer gleich ist. Man kann messen, wie hell eine Typ-Ia-Supernova uns auf der Erde erscheint, und den Wert mit ihrer tatsächlichen Helligkeit (die ja immer konstant ist) vergleichen. Anhand dieser Differenz lässt sich bestimmen, wie weit die Sternenexplosion von uns entfernt ist: Je dunkler die Supernova am Himmel wirkt, desto weiter weg muss sie sich zugetragen haben. Dann sieht man sich ihr Licht noch auf einem Spektrometer an, zerlegt es also in seine Bestandteile, und schaut, wie stark es sich ins Rote verschoben hat. Die Rede ist hier vom Phänomen der Rotverschiebung. Diese gilt als Indikator für die Expansionsrate des Kosmos, da eine Lichtquelle auf uns umso röter wirkt, je weiter sie sich von uns wegbewegt hat.6 Je röter die Supernova also ist, desto weiter wurde sie durch die Expansion des Kosmos von uns »weggeschoben«. Und: Da das Licht der Supernovas teilweise Tausende, Millionen oder sogar Milliarden Jahre gebraucht hat, um bei uns anzukommen, können wir zum Zeitpunkt ihrer Entdeckung auch sagen, wie schnell sich das Universum in der Vergangenheit ausgedehnt hat. Sehen wir, wie ein Stern in einer Entfernung von einer Million Lichtjahren explodiert, wissen wir: Diese Explosion ist vor einer Million Jahren passiert, selbst wenn ihr Licht uns erst jetzt erreicht. Tragen wir diese Daten auf einem Graphen ein, lassen sich schnell ein paar Regelmäßigkeiten erkennen: Auf die horizontale x-Achse setzen wir die Rotverschiebung beziehungsweise die Expansionsrate, auf die senkrechte y-Achse die scheinbare Helligkeit – also die Helligkeit, die wir wahrnehmen – beziehungsweise die Entfernung der Standardkerze von unserer Erde. Nun erkennt man eine proportionale Abhängigkeit: Je weiter ein Objekt von uns weg ist, desto stärker ist die Rotverschiebung. Um in Erfahrung zu bringen, wie schnell sich der Kosmos früher mal ausgedehnt hat, müssen wir uns also nur Standardkerzen in verschiedenen Entfernungen anschauen. Eine Typ-Ia-Supernova in einer Million Lichtjahren Entfernung verrät uns, wie stark die Expansion des Kosmos vor einer Million Jahren war. Eine Supernova in einer Milliarde Lichtjahren Entfernung zeigt uns, wie die Expansion vor einer Milliarde Jahren war, und so weiter. So kann man feststellen, wie schnell sich der Kosmos früher ausgedehnt hat – und wie schnell er das heute noch tut.

Mit dieser Messmethode hofften die Forschenden vom Supernova Cosmology Project herauszufinden, wie stark sich die Ausdehnung schon abgebremst hatte, wann das Universum also erwartungsgemäß aufhören würde, sich auszudehnen und vielleicht sogar wieder kleiner zu...