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Weit entfernte Galaxie

Neuer Ärger mit dem Urknall Was geschah am Anfang des Universums?

Unser Weltall ist vor etwa 15 Milliarden Jahren im Urknall entstanden, so die gängige Theorie der Astronomen. Im März 2014 verkündeten US-Astronomen, sie hätten Hinweise auf die "kosmische Inflation" gefunden, ein extrem schnelles Aufblähen des Universums unmittelbar nach dem Urknall. Diese Inflationstheorie löst zwar einige Probleme, die die Forscher mit dem Aufbau des Weltalls haben. Doch sie lässt sich kaum widerlegen und postuliert Myriaden von Parallelwelten.

Pressekonferenz im März 2014 . Forscher haben angeblich Beweise für die kosmische Inflation gefunden

Pressekonferenz im März 2014 - Forscher haben angeblich Beweise für die kosmische Inflation gefunden.

Montag, 17. März 2014, 12 Uhr Ortszeit in Cambridge im US-Bundesstaat Massachusetts. In einem kleinen Hörsaal der renommierten Harvard-Universität verkünden vier Astronomen den versammelten Journalisten sensationelle Neuigkeiten: Die Forscher haben mit ihrem Bicep2-Teleskop am Südpol schwache Wirbel am Himmel beobachtet, die sie für direkte Spuren des Urknalls halten.

BICEP2-Teleskop - Blick in die Geschichte des Universums

BICEP2-Teleskop - Blick in die Geschichte des Universums

Die Entdeckung läuft weltweit als Topmeldung durch alle Medien: Von einem Einblick in den Moment der Schöpfung ist die Rede und dem Beweis der Inflation, der heute gängigen Theorie für die Entstehung der Welt. Doch schließlich kommt heraus, dass sich das US-Team von simplem Staub im Kosmos hatte in die Irre führen lassen.

Der große Knall

Bislang genaueste Simulationsrechnung liefert neue Einblicke in das Weltall

Bislang genaueste Simulationsrechnung liefert neue Einblicke in das Weltall

Unser Kosmos ist nach gängiger Theorie vor etwa vierzehn Milliarden Jahren aus einem extrem heißen und extrem dichten Zustand hervorgegangen. Nach diesem "Big Bang" oder "Urknall" war das Universum zunächst ein unvorstellbar heißer Brei aus Materie und Strahlung. Der Weltraum dehnte sich aus, der Brei verdünnte sich und kühlte ab.

Erst nach knapp 400.000 Jahren konnten Lichtstrahlen ungehindert durch den Kosmos rasen, ohne stets von heißer Materie verschluckt zu werden. Dieses älteste Licht, das es im Kosmos gibt, ist noch immer am Rande der Welt zu sehen. Egal wohin die Forscher am Himmel auch blicken, überall stoßen sie auf eine äußerst schwache Radiostrahlung.

Die Elektronik im Inneren des BICEP2-Teleskops wird gewartet

Die Elektronik im Inneren des BICEP2-Teleskops wird gewartet

Diese "Mikrowellen-Hintergrundstrahlung" ist das Nachleuchten des Urknalls, das die Astronomen seit vielen Jahren mit immer besseren Instrumenten untersuchen. Durch die Ausdehnung des Weltalls hat es sich zwar extrem abgeschwächt, enthält aber noch immer unschätzbare Informationen über die Anfänge des Kosmos.

Der Knall im Urknall

Während "Inflation" auf der Erde einen sehr negativen Klang hat, ist sie für Kosmologen etwas ganz Wunderbares. Die Inflation ist in gewisser Hinsicht der Knall im Urknall. Erst mit ihr ging es im Kosmos richtig los. Und zwar 10 hoch minus 35 Sekunden nach dem Anfang der Welt: also Null Komma Null Null Null und erst nach 34 Nullen kommt eine Eins Sekunden.

Weit entfernte Galaxie

Eine weit entfernte Galaxie

Verglichen damit dauert ein Wimpernschlag eine Ewigkeit. Damals war alle Strahlung und Materie fast noch in einem Punkt konzentriert. Das Universum hat sich dann schlagartig aufgebläht, von nicht einmal atomarer Größe etwa auf die Ausmaße der Erde. Danach ging die Ausdehnung des Kosmos im "normalen" Tempo weiter.

So erklärt die Inflationstheorie auf ganz einfache Weise, dass der Kosmos in alle Richtungen in etwa gleich aussieht. Zudem erklärt sie, wie Sterne und Galaxien entstanden sind. Zu Beginn der Inflation spielte die Schwerkraft keine Rolle – das Universum war noch so klein, dass allein Quanteneffekte dominierten.

Notwendige Unregelmäßigkeiten

Minimale Schwankungen im Quantenbereich sind während der Inflation zu großen Gebieten mit etwas mehr oder etwas weniger Materie angewachsen. Wären Materie und Strahlung im anfänglichen Einheitsbrei perfekt gleichmäßig verteilt gewesen, hätten sich nie die kosmischen Strukturen ausgebildet. Dann gäbe es heute keine Galaxien, keine Sterne, keine Planeten – und keine Menschen.

Neue Beweise für die Urknalltheorie

Neue Beweise für die Urknalltheorie

Dass das Universum seine Existenz Quantenschwankungen und einer kurzzeitigen extrem schnellen Ausdehnung verdanken soll, erschien anfangs als völlig absurde Idee, die viele Forscher nicht ernst nahmen. Zu vermessen schien der riesige Sprung, den Alan Guth und Andrei Linde gemacht hatten, um mit heutigen physikalischen Gesetzen die völlig unvorstellbaren Zustände beim Urknall zu beschreiben.

Doch im Laufe der Zeit haben sich immer mehr Kosmologen mit dieser Idee angefreundet. Denn die Inflation hat geholfen, viele Probleme der "normalen" Urknalltheorie zu lösen. Zudem hat sie etliche Phänomene vorhergesagt, die tatsächlich beobachtet wurden – etwa, dass das Universum geometrisch flach ist. Das bedeutet, dass überall die uns vertraute Geometrie gilt und im Kosmos die Summe der Winkel eines Dreieck stets 180 Grad beträgt.

Wirbel als Information

Kosmische Wirbel

Kosmische Wirbel

Das Bicep2-Team hat nun in der Hintergrundstrahlung charakteristische Wirbel gesehen. Daran bestehen kaum Zweifel. Allerdings ist unklar, woher diese Wirbel stammen. Die Natur hält mindestens zwei mögliche Erklärungen bereit: Vielleicht gaukeln nur banale Staubteilchen in unserer Milchstraße den Kosmologen eine große Entdeckung vor.

Oder die Wirbel gehen wirklich auf die Gravitationswellen vom Urknall zurück. Damals wurden große Massen sehr stark beschleunigt. Nach der Einsteinschen Relativitätstheorie sollten dabei kleine Erschütterungen durch den Weltraum gelaufen sein – eben die Gravitationswellen, die dann zu dem Wirbelmuster in der Hintergrundstrahlung geführt hätten.

Es gibt viele Theorien über den Ursprung des Universums - Beweise für die eine richtige Theorie bisher nicht

Es gibt viele Theorien über den Ursprung des Universums - Beweise für die eine, richtige Theorie bisher nicht.

Nach den meisten Varianten der Inflationstheorie ist beim Urknall nicht nur das uns vertraute Universum entstanden – sondern es sind während der kurzen Phase der inflationären Ausdehnung schier unendlich viele Paralleluniversen aufgeplatzt. Deren Zahl liegt irgendwo jenseits von 10 hoch 500, also einer 1 mit 500 Nullen. Allerdings sind alle diese Welten für uns nicht beobachtbar.

Ein durchschnittlicher Ort

Das klingt völlig fantastisch, würde aber rein philosophisch das Copernicanische Prinzip triumphal vollenden. Danach leben wir an einem ganz durchschnittlichen Ort im Kosmos: Unsere Erde steht nicht im Zentrum der Welt, sondern ist Planet unter Planeten. Gleiches gilt für die Sonne, einen Durchschnittsstern am Rand der Milchstraße, die ihrerseits eine von Myriaden Galaxien ist. Es wäre nur konsequent, sollte auch unser Universum nur eines von vielen sein.

Urknall-Forschung an der renommierten Harvard-Universität in den USA

Urknall-Forschung an der renommierten Harvard-Universität in den USA

Es mag philosophisch schön sein – doch rein naturwissenschaftlich birgt das Multiversum ein erhebliches Problem. Wenn alle möglichen Varianten von Universen irgendwo existieren, lässt sich die Inflationstheorie kaum widerlegen – jedes beobachtbare Phänomen kommt in vielen Paralleluniversen vor. In unzählig vielen Universen gibt es eine schöne Hintergrundstrahlung, in unzählig vielen nicht. Viele Universen sind geometrisch flach, viele andere sind gekrümmt – und so weiter.

Selbst wenn sich eine der Varianten der Inflationstheorie doch bestätigen ließe, so wären die Astronomen weit entfernt von einem umfassenden Verständnis des Universums. Denn nach dieser Theorie kommt die normale, uns aus dem Alltag vertraute Materie nur auf fünf Prozent des gesamten Inhalts des Kosmos. Dagegen soll etwa ein Viertel auf die ominöse Dunkle Materie entfallen: eine rätselhafte Substanz, die weder leuchtet, noch Licht verschluckt.

Licht als Nahrung

Unsere normale Materie, die Atome und Moleküle, aus denen wir und alles um uns herum bestehen, also Häuser, Bäume, Sterne, Galaxien et cetera, ist im All nur eine verschwindend kleine Minderheit. Für uns ist sie wichtig, weil sie das beobachtbare Universum ausmacht – tatsächlich aber ist sie wohl kaum mehr als eine kosmische Randnotiz.

Dunkle Materie

Dunkle Materie

95 Prozent der Materie im Universum sind für die Forscher ein völliges Mysterium. Es gibt keinerlei überzeugende Erklärung, woraus Dunkle Materie und Dunkle Energie bestehen. Immerhin hatte die Inflationstheorie so etwas wie die Dunkle Energie vorhergesagt und deren Entdeckung hat der Theorie endgültig zum Durchbruch verholfen. Allerdings ist das nicht wirklich ein Trost.

Denn das Ungewöhnlichste an der Dunklen Energie sei, dass es so wenig davon gebe, betont der berühmte Kosmologie-Professor Alan Guth vom Massachusetts Institute of Technology. Wenn man theoretisch abschätzt, wie viel Dunkle Energie es im Kosmos geben sollte, erhält man ein ganz anderes Ergebnis.

Widersprüche bleiben

Nach der Vorhersage müsste es von der Dunklen Energie 120 Größenordnungen mehr geben, als sich aus den Beobachtungen ableiten lässt. 120 Größenordnungen heißt: Eine 1 mit 120 Nullen. Um diesen Faktor ist die gemessene Dunkle Energie kleiner als der vorhergesagte Wert. Diesen Unterschied können selbst die abgebrühtesten Inflations-Fans nicht ignorieren.

Die Ungewissheit über den Ursprung des Universums bleibt

Die Ungewissheit über den Ursprung des Universums bleibt

Doch wie sollen die Kosmologen aus dem goldenen Käfig der Inflation ausbrechen? Ideal wäre, wenn sich eine vermeintlich gesicherte Erkenntnis plötzlich als grundfalsch herausstellte – etwa die, dass es keine Dunkle Materie gibt, sondern dass die Schwerkraft doch anders funktioniert als von Albert Einstein beschrieben.

In jedem Fall benötigt die Astronomie einen Geniestreich, eine bahnbrechende Idee, einen Wink des Himmels, um die Anfänge der Welt und die Natur von Dunkler Materie und Dunkler Energie zu verstehen. Denn egal, wie sicher man sich früher gewesen ist, stets gab es Widersprüche und offene Fragen, und daraufhin eine neue Theorie.

Buchtipp:
Max Tegmark: "Unser mathematisches Universum - Auf der Suche nach dem Wesen der Wirklichkeit" ; erscheint im April 2015 im Ullstein Verlag.

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