DER KOSMISCHE REGENBOGEN

Am Anfang war: nichts. So besagt es zumindest die Theorie des Urknalls, aus dem vor fast 14 Milliarden Jahren unser gesamtes Universum entstanden sein soll. Alles, was uns jetzt umgibt – Materie, Raum, ja sogar die Zeit – nahm im Urknall seinen Anfang. Damals hatte das Universum keine Ausdehnung, war also unendlich klein und dabei unendlich heiß und unendlich dicht. Klingt unvorstellbar? Ist es auch, sogar für Astrophysikerinnen wie mich. Und wir sind da echt hart im Nehmen.

Distanzen von Trillionen von Kilometern, Zeitspannen von Milliarden von Jahren und Raum-Zeit-Krümmungen lassen uns nicht mal mit der Wimper zucken – obwohl wir sie so wenig begreifen können wie jeder normale Mensch. Aber wir können dem Nicht-wirklich-Begreifen ein bisschen den Schrecken nehmen, indem wir uns mit der Physik wappnen und diese unbegreiflichen Dinge mit Formeln und Zahlen beschreiben. Das ist auch meine persönliche Strategie, um durch meinen Arbeitsalltag zu kommen, ohne durchzudrehen: Anstatt pausenlos darüber nachzudenken, dass ich aus Sicht des Universums auf einem winzigen Staubkorn Erde um unseren winzigen Funken Sonne kreise, der achterbahnmäßig durch den Strudel der Milchstraße jagt, die wiederum nur eine von Abermilliarden Galaxien ist, berechne ich lieber unseren Geschwindigkeitsvektor relativ zum Zentrum der Milchstraße und beschreibe die Entfernung zu anderen Galaxien mit einer Maßeinheit, die beruhigend kleine Zahlen hergibt1. Ich bin ja schließlich Wissenschaftlerin und damit – zumindest während meiner Arbeitszeit – der Rationalität verpflichtet.

Das Blöde ist nur, dass selbst die Wissenschaft beim Urknall an ihre Grenzen gerät. Unsere Physik ist einfach noch nicht so weit, den Urknall oder das Universum in der Zeit kurz danach zu beschreiben. Ganz zu schweigen davon, was womöglich vor dem Urknall gewesen sein könnte oder ob es überhaupt ein „vor dem Urknall“ gab.

Es gibt zum Beispiel eine Theorie, dass unser jetziges Universum nicht wie beim Urknall aus dem Nichts, sondern aus dem Quantenrückprall eines früheren Universums entstanden ist. Dabei wäre das andere Universum am Ende seines Lebens kollabiert, allerdings nicht ganz bis zum Zustand von „unendlich klein, unendlich heiß, unendlich dicht“, sondern nur bis ganz kurz davor. Dann wäre es an die Grenze der kleinstmöglichen Größe gestoßen und wie ein Flummi in einer gigantischen Explosion als unser Universum zurückgeprallt. Diese Theorie heißt Big Bounce und ist eine Variante des bekannteren Big Bang, allerdings bis jetzt ohne gleichnamige Fernsehserie. Schade – ich stelle mir Sheldon Cooper auf einem Trampolin ganz lustig vor! Aber egal ob Big Bounce oder Big Bang: Fakt ist, dass die jetzige Physik erst 10-43 Sekunden nach der Entstehung unseres Universums greift.

Das heißt: Wir haben eigentlich keine Ahnung, was davor passiert ist und wie das Universum geboren wurde – nicht besonders befriedigend für Menschen, die möglichst alles verstehen und in physikalische Formeln zwängen wollen. Und für mich schon als Kind die Ursache zahlreicher schlafloser Nächte. Mein Gehirn konnte sich mit einem Zustand des absoluten Nichts einfach nicht anfreunden – und kann es ehrlich gesagt bis heute nicht. In der Hinsicht bevorzuge ich den Big Bounce und deren endlose Aneinanderreihung von sich ausdehnenden und dann wieder zusammenfallenden Universen.

Glücklicherweise haben wir zumindest eine gute Vorstellung davon, was nach den besagten 10-43 Sekunden mit dem Universum passierte. Kurz gesagt, es dehnte sich aus und kühlte ab – und das tut es bis heute. Laut Big Bang Theorie gab es dabei kurz nach dem Urknall eine kurzzeitig extrem starke Expansion, während der sich das Universum sehr viel schneller ausdehnte als jetzt. Wie ein Ballon, in den man anfangs mit ganz viel Kraft hineinpustet, bis er sich schlagartig aufbläht (und man selbst erstaunt nach Atem schnappt). Am Ende dieser sogenannten Inflation war das Universum weniger als 10-30 Sekunden alt und schon in etwa so groß wie ein Apfel. Das klingt jetzt erst mal gar nicht so beeindruckend – bis man sich vor Augen hält, dass es vor der Inflation noch viel kleiner war als ein Proton. Bezogen auf meine Wohnung hätte die Inflation aus einem einzigen Staubkorn in Bruchteilen einer trilliardstel Sekunde eine gigantische Wollmaus so groß wie das ganze Sonnensystem gemacht. Immerhin hätte sich dann das Staubsaugen gelohnt.

Kurz nach der Inflation (im Universum, nicht in meiner Wohnung) bildeten sich die ersten Elementarteilchen, danach größere Atombausteine wie Protonen und Neutronen und nach nur ungefähr 10 Sekunden schließlich die ersten, noch instabilen Atomkerne. In seinen ersten Lebensjahren bestand das Universum aus einer sehr heißen, undurchsichtigen Plasmasuppe von Elektronen, freien Protonen, Atomkernen und Lichtteilchen (Photonen).

Nach knapp 400 000 Jahren war es ausreichend abgekühlt, sodass sich stabile Atome bildeten – hauptsächlich Wasserstoff (circa 75%) und Helium (circa 25%) sowie kleine Mengen von Deuterium und Spuren von Lithium und Beryllium. Die Lichtteilchen fingen an, sich von den Materieteilchen zu entkoppeln. Dabei entstand die kosmische Hintergrundstrahlung, auf die ich im Kapitel Orange genauer eingehe. Das Universum wurde langsam, aber sicher durchsichtig, sodass das Licht große Distanzen zurücklegen konnte – und wir heute weit entfernte Sterne und Galaxien beobachten können.

Bis die sich überhaupt bildeten, dauerte es allerdings eine Weile. In der Zwischenzeit dehnte sich das Universum weiter aus und wurde immer kühler – und dunkler. Das Dunkle Zeitalter war angebrochen. Und ja, das ist der hochwissenschaftliche Name für diese Epoche in der frühen Kindheit unseres Universums – wäre das hier ein Film, würde jetzt bedrohlich-unheimliche Musik ertönen. Nach und nach bildeten sich aus kleinsten Dichteschwankungen, die gängigen Theorien zufolge während der Inflationsphase entstanden waren, großräumige Strukturen, die mit der Zeit immer mehr Masse anzogen.

Das ist ein bisschen wie mit Chips – es fängt mit ein oder zwei an und bevor man sich versieht, hat man sich die ganze Packung einverleibt. Zumindest ist das bei mir so. Aber anders als die Masseansammlungen im jungen Universum kann ich gar nicht so viel zu mir nehmen, dass ich unter meinem eigenen Gewicht implodiere. Genau das geschah aber nach ein paar hundert Millionen Jahren im jungen Universum: Die sogenannten Materie-Halos kollabierten und die ersten Sterne wurden geboren, gefolgt von Sternhaufen und den ersten Galaxien. Nach einem langen dunklen Zeitalter ward es endlich wieder Licht. Und unser kosmischer Regenbogen nahm seinen Anfang.

Was für ein Glück – nicht nur für uns Menschen ganz allgemein, sondern auch für die Astronomie! Wir verdanken nämlich fast unser gesamtes Wissen über den Kosmos seiner elektromagnetischen Strahlung, die wir hier auf der Erde empfangen und auswerten können. Strahlung – das klingt für dich vielleicht erst mal irgendwie gefährlich, nach Kernreaktorunglück und so. Aber Strahlung umgibt uns immer und überall. Auch das sichtbare Licht ist eine Form von Strahlung. Dank Strahlung können wir unsere Umgebung sehen, immer und überall ins Internet gelangen und unser Essen erwärmen, wie wir im Laufe der nächsten Kapitel noch sehen werden. Ein Leben ohne Strahlung wäre nicht nur sinnlos, sondern (anders als beim Mops von Loriot) auch nicht möglich. Denn nur durch die Strahlung der Sonne ist es auf der Erde warm genug für Leben – und uns Menschen. Ohne die Sterne und ihre Strahlung wäre das ganze Universum dunkel, kalt und überaus lebensfeindlich.

Aber was ist Strahlung überhaupt? Je nachdem, ob man einen Wahrsager oder eine Medizinerin fragt, bekommt man darauf wohl unterschiedliche Antworten. Als Astrophysikerin sage ich ganz nüchtern: „Elektromagnetische Strahlung bezeichnet die Ausbreitung von Energie in Form von elektromagnetischen Wellen.“2 Diese elektromagnetischen Wellen kann man sich ein bisschen vorstellen wie Wellen auf dem Ozean: Sie haben eine bestimmte Höhe („Amplitude“) und treffen mit einer bestimmten Regelmäßigkeit („Frequenz“) am Strand oder einem Wellenbrecher ein. Anders als die Wellen auf dem Ozean können elektromagnetische Wellen ihre Energie aber praktischerweise auch im Vakuum ausbreiten – sonst würden wir die Strahlung aus dem Kosmos gar nicht empfangen können. Dort sind sie mit einer konstanten Geschwindigkeit unterwegs: mit der durch nichts zu übertreffenden Lichtgeschwindigkeit von etwa 300 000 Kilometern pro Sekunde. Diese konstante Geschwindigkeit ist der Grund, warum wir beim Blick ins Weltall nicht nur weit weg, sondern auch zurück in die Vergangenheit blicken.

Das Licht unseres nächsten kosmischen Begleiters, dem Mond, braucht nur etwas über eine Sekunde, bis es zu uns gelangt. Von der Sonne sind es schon 8 Minuten, vom nächsten Stern gut vier Jahre. Von unserer Nachbargalaxie Andromeda braucht die Strahlung sage und schreibe 2,5 Millionen Jahre, um uns zu erreichen! Wenn wir also irgendwann mal ein Lebenszeichen von außerirdischen Zivilisationen aus einer anderen Galaxie empfangen sollten, besteht durchaus die Möglichkeit, dass sie schon längst wieder ausgestorben sind. Nicht die besten Voraussetzungen für einen interstellaren Austausch. Aber dazu später mehr.

Kommen wir zurück zu unseren elektromagnetischen Wellen und einem notwendigen kleinen...