Das kleine 1x1 des Universums - WDR.de

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Das kleine 1x1des Universums


Das kleine 1x1 des UniversumsWann haben Sie das letzte Mal in einermondlosen, klaren Nacht unter den Sternengestanden? Der Blick in den Sternenhimmelkann ein unglaublich erhabener undfriedlicher Moment sein. Er lässt uns spüren,wie klein und verletzlich wir Menschen sindund wie groß und gewaltig das Universum.So ähnlich fühlen Menschen womöglich seittausenden von Jahren.Diese Ehrfurcht ist geblieben, das Wissen hatsich gewandelt. Noch vor einigen hundertJahren dachten die Menschen, die Erde seieine Scheibe und der Himmel eine Kuppel, ander die Sterne angebracht sind. Heute wissenwir: Wir leben in einem riesigen Universum,unvorstellbar groß, mit Abermilliarden von Sternenund Galaxien. Und obwohl wir heute so viel mehrüber den Kosmos wissen als unsere Vorfahren,steckt das Universum noch immer voller Rätsel:Schwarze Löcher, Dunkle Materie, Exoplaneten.Quarks & Co hat bereits viele Reisen zu den Wundernunseres Universums unternommen.In diesem iBook wollen wir für Sie zusammentragen, was wir über unserUniversum wissen und welche Fragen noch offen sind …


Der Blick ins Universumund Philosophen Claudius Ptolemäus) entstanden. Ptolemäuswar überzeugt, dass die Erde der Mittelpunkt des Weltraums seiund dass alle anderen Himmelskörper sich auf Bahnen um sieherumbewegten.Wir wissen heute, dass es anders ist. Die Beobachtung undVermessung des Weltraums ergibt jeden Tag gigantischeDatenmengen und mit neuen astronomischen Geräten wird derBlick ins Universum immer weiter ausgedehnt.Film 1.1 Wie weit können wir sehen?Meistens haben wir nur einen Blick für das, was um uns herumauf der Erde passiert. Dabei gibt es auch über uns eine Menge zusehen. Schon mit bloßem Auge können wir ziemlich weit in denWeltraum blicken. Undfrühere Generationen vonAstronomen mussten sichdarauf und auf einigemathematischeBerechnungen verlassen.Ptolemäus war überzeugt, dass die Erdeder Mittelpunkt des Weltraums seiSo ist zum Beispiel dasPtolemäische Weltbild (nachdem griechischenMathematiker, AstronomenDer Mond ist rund 400.000Kilometer von der Erde entfernt –etwa eine Lichtsekunde: Vom Mondbis zur Erde braucht das Licht etwasmehr als eine Sekunde.Bei guten Bedingungen können wirmit bloßem Auge ungefähr 3.000Sterne entdecken. Je dunkler die Umgebung, desto mehr Sternesehen wir. Zum Beispiel den Doppelstern Alpha Centauri, vierLichtjahre entfernt. Das sind 40 Billionen Kilometer.Das weiteste Objekt, das wir ohneHilfsmittel sehen können, ist dieAndromeda-Galaxie – 2,5 MillionenLichtjahre entfernt!Mit einem Teleskop können wir nochtiefer ins Universum gucken undDer Mond ist etwa eine Lichtsekunde vonder Erde entferntMillionen Lichtjahre entfernt: DieAndromeda-Galaxie3


Das Paranal-Observatorium in derchilenischen Atacama-WüsteDie Sombrero-Galaxie, eine Spiralgalaxieim Sternbild Jungfrauentdecken zum Beispiel denKugel-Sternhaufen M 13, der nurschwach leuchtet.Und es geht noch weiter: In derAtacama-Wüste in Chile stehen diegrößten Teleskope der Welt. Siearbeiten ferngesteuert und könnenso tief ins All blicken wie keinanderes Teleskop auf der Erde.Damit entdeckt man zum Beispielden Carina-Nebel und dieSombrero-Galaxie. Und auch dieAntennengalaxie können wirsehen. Bis ihr Licht bei uns auf derErde ankommt, vergehen 75Millionen Jahre.Galaxien aus der Urzeit des Universums, rund 13 MilliardenLichtjahre von der Erde entfernt.Auch wenn wir schon Vieles entdeckt haben – der allergrößte Teildes Universums ist uns noch völlig unbekannt.Doch die Erdatmosphäre,Lichtverschmutzung undLuftverwirbelungenbeeinträchtigen die Aufnahmenvieler Teleskope auf der Erde.Deshalb gibt es Teleskope direktim Weltall. Das Weltraumteleskop „Hubble“ macht Aufnahmen mitextrem langer Belichtungszeit. Das Ergebnis ist das Weiteste, waswir jemals gesehen haben: das „Ultra Deep Field“ – unzähligeEine junge Riesengalaxie, aufgenommenvom Weltraumteleskop Hubble4


Kapitel 2Der UrknallWie das Universum begannVor 13,7 Milliarden Jahren entstanden Raum undZeit. Der Urknall ist der Beginn des Universums –so die Theorie der Physiker. Was genau aber beimUrknall passierte und warum das Universumüberhaupt entstanden ist, wissen sie bis heutenicht.


Der Urknall – wie das Universum begannBillionen-fach größer. Die Materie verteilte sich dabei imgesamten Raum. Danach wuchs das Universum wiederlangsamer - und kühlt seitdem ständig ab.In seiner Frühphase war das Universum eine „Ursuppe“ ausTeilchen und Energie. Leichte Dichte-Schwankungen und dieExpansion des Universums haben dann dazu geführt, dass sichMaterie-Strukturen ausbilden konnten.Film 2.1 Mit dem Urknall beginnt die Geschichte des Universums.Mit dem Urknall vor 14 Milliarden Jahren beginnt die Geschichtedes Universums. Was ist beim Urknall passiert, was war vor demUrknall und wo hat der Urknall stattgefunden? All das isteigentlich unbegreiflich: Es gibt kein „vor“ dem Urknall und auchkeinen Raum, in dem der Urknall hätte stattfinden können. Raumund Zeit sind erst mit dem Urknall entstanden.Alles, was es heute im Universum gibt, war einmal in einemwinzigen Punkt zusammengepresst. Nach einer ganzen Sekundehatte das Universum gerade mal einen Durchmesser so groß wiedie Entfernung von der Erde zum Mond. Und die gesamteMaterie, aus der heute unsere Milchstraße besteht, passte in eineKaffeetasse. Im Bruchteil einer Sekunde wurde es dann BillionenStrahlungskarte des jungen UniversumsWoher wissen wir das? Die erste Strahlung des Universums – diesogenannte Hintergrundstrahlung – kann man messen und darausStrahlungskarten des jungen Universums errechnen. Dieverschiedenen Farben stehen für Temperatur-Unterschiede. Siezeigen, dass es nicht überall im Universum gleich heiß war. Aneinigen Stellen gab es mehr Energie und Materie als an anderen.Als sich das Universum weiter ausgedehnt hat, konnte sich dieMaterie dort unter dem Einfluss der Gravitationzusammenklumpen und Galaxien entstanden.6


Der Urknall – Schritt für Schritt10 -43 Sekunden Die PlanckzeitDer früheste Zeitpunkt nach dem Urknall, über den die Physikeine Aussage treffen kann, beginnt 10 -43 Sekunden nach demUrknall, also eine Zehnmillionstel Milliardstel MilliardstelMilliardstel Milliardstel Sekunde. Man bezeichnet sie auch alsPlanck-Zeit, nach dem Physiker Max Planck, einem Begründerder Quantentheorie.Film 2.2 In Sekundenbruchteilen zum riesigen UniversumDie Zeiträume, die beim Urknall eine Rolle spielen, unterscheidensich zeitlich stark. Einige Prozesse haben sich über Milliarden vonJahren hingezogen, andere passierten in Bruchteilen einerSekunde. Daher geben wir in der folgenden Darstellung die Zeit inZehnerpotenzen einer Sekunde an: 10 0 Sekunden entsprecheneiner Sekunde. 10 1 Sekunden sind 10 Sekunden. 10 2 sind 100Sekunden und so weiter. Die nächste Stelle ist immer einZehnfaches der vorherigen. Entsprechend steht 10 -1 Sekunde füreine zehntel Sekunde, 10 -2 für eine hundertstel Sekunde usw.Insgesamt umfasst die Zeit vom Urknall bis heute 10 61Zehnerpotenzen. Vorstellen können sich das auch die Physikernicht mehr. Aber sie können damit rechnen und die Geschichtedes Urknalls entsprechend einteilen.Eine Aussage der Quantentheorie ist, dass man die Eigenschafteneines Teilchens nicht beliebig genau messen kann, es bleibt einegewisse Unschärfe. Diese Unschärfe gilt auch für die Zeit. FürZeiträume, die kürzer sind als die Planckzeit, kann man Ursacheund Wirkung nicht mehr auseinanderhalten. Ohne dieUnterscheidung von Ursache und Wirkung ist jedoch keine Physikmöglich. Daher kommen die Physiker nicht näher an den Urknallheran und schon gar nicht in eine Zeit vor den Urknall.Temperatur: 10 32 Grad Celsius10 -37 SekundenDas Universum als ErbseSobald das Universum entstanden ist, hat es sich auchausgedehnt, denn die Temperatur und damit der Druck warenunvorstellbar hoch. Hatte das Universum quasi punktförmigbegonnen, ist es nach 10 -37 Sekunden immerhin schon so groß7


wie eine Erbse. Bei dieser Größenangabe stellt sich natürlich dieFrage: Was war außerhalb? Die Antwort der Physiker isteindeutig, aber schwer vorstellbar. Der Urknall ist keine Explosionin einem bestehenden Raum, sondern der Raum als solcher isterst mit dem Urknall entstanden. Folglich gibt es kein Außerhalb.Das gleiche gilt für die Zeit, auch sie ist erst mit dem Urknallentstanden. In dieser Logik kann es also gar kein „vor demUrknall“ geben. Temperatur: 10 27 Grad Celsius10 -36 bis 10 -32 SekundenDie Phase der InflationDas Universum hat sich in einemwinzigen Augenblick um mehr als das10 26 -fache ausgedehntObwohl sich das Universum vonAnfang an ausgedehnt hat, kommtes kurzfristig zu einer sehr starkbeschleunigten Ausdehnung. DiePhysiker nennen dies die Phaseder Inflation. Das Universum hatsich in dem winzigen Augenblickzwischen 10 -36 bis 10 -32 Sekundenum mehr als das 10 26 -facheausgedehnt. Das bedeutet, jedes Stückchen Raum, das vor derInflation so groß war wie ein Atomkern, ist danach größer alsunsere komplette Milchstraße. Es ist bereits zu diesem frühenZeitpunkt größer als das heute sichtbare Universum und das hatimmerhin einen Durchmesser von fast 80 Milliarden Lichtjahren.Temperatur: 10 25 Grad Celsius10 -12 Sekunden„Urknall“ im LaborAm Teilchenbeschleuniger CERN im schweizerischen Genfwerden in einer 27 Kilometer langen Röhre Atomkerne auf fastLichtgeschwindigkeit beschleunigt. Nach mehrerenBeschleunigungsrunden werden sie dann an bestimmten Stellenaufeinander geschossen. Dort stehen riesige Messgeräte,sogenannte Detektoren. Mit ihnen versuchen die Physiker, denZusammenprall so genau wie möglich zu analysieren. Anhand derTeilchen, die sie dabei beobachten, bekommen sie Erkenntnissedarüber, wie die Materie aufgebaut ist und welche Kräftezwischen ihnen wirken. Die Energien, die im CERN-Beschleunigererzeugt werden, entsprechen den Bedingungen, die die zumZeitpunkt 10 -12 Sekunden (eine Millionstel Millionstel Sekunde)geherrscht haben müssen. Temperatur: 10 17 Grad Celsius10 -5 SekundenProtonen und Neutronen bilden sichDas Universum hat sich inzwischenso weit abgekühlt, dass sich dieelementaren Quarks-Teilchen zugrößeren Teilchen zusammensetzenkönnen. Die stabilsten undbekanntesten dieser Teilchen sinddas Proton und das Neutron. Beidebestehen aus jeweils drei Quarks,Protonen und Neutronen, die Bausteine derAtomkerne8


die durch die starke Kernkraft zusammengehalten werden. DasProton setzt sich aus zwei sogenannten up-Quarks und einemdown-Quarks zusammen. Das Neutron aus zwei down-Quarksund einem up-Quarks. Temperatur: 1.000 Milliarden Grad CelsiusEine Sekunde (10 0 Sekunden)Geburt der AtomkerneProtonen und Neutronen bildeten im frühenUniversum vor allem HeliumkerneDie Temperatur ist mit rund einerMilliarde Grad Celsius inzwischenso „niedrig“, dass sich Protonenund Neutronen zu leichtenAtomkernen zusammenschließenkönnen. Am Anfang sind es nurDeuterium- und Helium-Kerne.Nach wenigen Minuten bilden sichauch Tritium-, Beryllium- und Lithium-Atomkerne, also Atomkernemit immer mehr Protonen und Neutronen. Allerdings nur ingeringen Mengen. Rund ein Viertel der Masse des Universumsbesteht zu diesem Zeitpunkt aus Heliumkernen, und fast dreiViertel aus Wasserstoffkernen. Schwerere Elemente mit nochmehr Protonen und Neutronen, wie zum Beispiel Eisen, bildensich erst viel später durch Verbrennungsprozesse in den Sternenund schließlich durch die Explosion von Sternen, sogenanntenSupernovae. Temperatur: 1 Milliarde Grad Celsius400.000 Jahre (10 13 Sekunden)Das Universum wird durchsichtigDas Universum ist auf rund 3.000 Grad Celsius abgekühlt. Diethermische Energie ist damit so gering, dass die bisher frei imRaum fliegenden negativ geladenenElektronen von den positivgeladenen Atomkernen eingefangenwerden. Ursache dafür ist dieelektromagnetische Anziehungskraftzwischen den unterschiedlichenLadungen. Auf diese Weise gibt esjetzt erstmals vollständige Atome.Dies führt zu einem erstaunlichen Nebeneffekt. Das Universumwird durchsichtig. Um das zu verstehen, muss man sich klarmachen, wie wir überhaupt etwas sehen können. Wir erblickeneinen Gegenstand, wenn von ihm Licht ausgesendet oderreflektiert wird und dieses Licht in unser Auge gelangt. Statt vonLicht kann man auch etwas genauer von Photonen sprechen.Damit man also etwas sehen kann, müssen Photonenungehindert von einem Ort zu einem anderen gelangen können.Kurz nach dem Urknall war es jedoch so heiß und dievorhandenen Teilchen waren so dicht gepackt, dass ein Photonnicht weit gekommen ist. Ständig wurde es von einem freienElektron aufgenommen oder abgelenkt. Anders ist es bei dennach 400.000 Jahren entstandenen Atomen. Jetzt sind dieElektronen an die Atomkerne gebunden und können nicht mehrmit jedem Photon reagieren, sondern nur noch mit einigenDurch das Einfangen von Elektronenentstehen erstmals vollständige Atome9


wenigen. Dadurch kann ein Photon jetzt tatsächlich eine weiteStrecke zurücklegen. Die Folge: Das Universum wird durchsichtig.Temperatur: 3.000 Grad Celsius50 Millionen Jahre (10 14 Sekunden)Inmitten von GaswolkenDas Universum hat inzwischen eine angenehme Temperatur von25 Grad Celsius. Allerdings gibt es kein sonniges Plätzchen, dennnoch besteht das Universum nur aus riesigen Gaswolken. Sternegibt es noch keine. Erst langsam bilden sich aus lokalenSchwankungen in der Gasdichte die Geburtsorte für die erstenSterne. Temperatur: 25 Grad Celsius100 Millionen Jahre (10 15 Sekunden)SternenleuchtenDie Wasserstoff-Gaswolken werden an einigen Stellen so dicht,In den Sternen entsteht aus WasserstoffHelium. Das setzt Energie frei; sie leuchtendass sich die einzelnenGasteilchen aufgrund ihrer Massestark anziehen und alle zu einemriesigen Gasballzusammenstürzen. Dadurch steigtdie Temperatur rasant an.Irgendwann wird es so heiß undder Druck so hoch, dass die Kernfusion einsetzt: Wasserstoffverbindet sich zu Helium und setzt dabei Energie frei. Die erstenSterne beginnen zu leuchten.Temperatur: 22 Grad Celsius500 Millionen Jahre (10 16 Sekunden)GalaxienImmer mehr Sterne entstehen und schließen sich aufgrund ihrerAnziehungskraft zu Galaxien zusammen. Das WeltraumteleskopHubble hat im Jahr 1996 lange Zeit einen ganz bestimmtenAusschnitt am Himmel beobachtet und dabei einen Blick ganzweit zurück in die Vergangenheit geworfen. Das sogenannteHubble Deep Field zeigt einen Ausschnitt des frühen Universums,in dem bereits hunderte von Galaxien zu sehen sind. Temperatur: 20 Grad Celsius9,5 Milliarden Jahre (10 17 Sekunden)Unsere ErdeNachdem bereits vieleGenerationen von Sternenentstanden und wieder vergangensind, leuchtet vor rund 4,5Milliarden Jahren unsere Sonne auf.Kurz darauf entstehen auch unsereVor rund 4,5 Milliarden Jahren leuchtetunsere Sonne auf10


Erde und die anderen Planeten in unserem Sonnensystem.Zufällig liegt die Erde in einem Abstand zur Sonne, der esermöglicht, dass sich Wasser bildet. Und er ist groß genug, sodass sich eine schützende Atmosphäre bilden kann.Temperatur: minus 265 Grad CelsiusBeweise für den Urknall: die Hintergrundstrahlung14 Milliarden Jahre (10 17 Sekunden)HeuteNach fast 14 Milliarden Jahren hat sich aus dem Universum, daskleiner als eine Erbse begonnen hat, ein riesiges Sternenmeerentwickelt. Alleine der für uns sichtbare Teil des Weltalls hat einenDurchmesser von fast 80 Milliarden Lichtjahren. Und nach wie vordehnt es sich weiter aus, wenn auch viel langsamer als amAnfang. Neue Sterne beginnen zu leuchten und alte verglühen inriesigen Sternenexplosionen. Es vollzieht sich ein ständigerWandel. Lange Zeit dachte man, das Universum sei schon immerda gewesen und werde auch immer so fortbestehen. Doch dannentdeckte Edwin Hubble 1929, dass sich das Universumausdehnt und das offenbar auch schon früher getan hat. Verfolgtman diese Entwicklung in der Zeit immer weiter zurück, dannmuss das Universum irgendwann einmal in einem gewaltigenUrknall entstanden sein. Auch wenn heute noch nicht alle Fragenzum Urknall geklärt sind – zurzeit ist es das beste Modell, das esgibt.Temperatur: minus 270 Grad CelsiusFilm 2.3 Die HintergrundstrahlungHintergrundstrahlung ist das Licht, das vom Urknall übrig gebliebenist. Es ist Strahlung, deren Ursprung hinter den Galaxien liegt.Astrophysiker können damit in die Vergangenheit schauen. DieHintergrundstrahlung ist älter als jedes Licht, das wir kennen. MitHilfe des Satelliten Planck wird sie sichtbar und das früheUniversum wie bei einer Fotografie darstellbar.Erfahren Sie im Film, was Astrophysiker im Urkosmos sehenkönnen und warum Sie hoffen, neue Hinweise zu erhalten, ob dasUniversum unendlich expandiert oder ob die Welt kollabiert.11


Kapitel 3Sonne, Mond undSchwarze LöcherWoraus das Universum bestehtEtwa 100 Milliarden Galaxien gibt es im Universum,jede davon mit Milliarden von Sternen. Das Allscheint voller leuchtender Objekte zu sein. DochGalaxien und Sterne machen gerade einmal fünfProzent des Universums aus. Die restlichen 95Prozent kennen wir nicht.


Was wir wissen: Sterne und PlanetenFilm 3.1 Die kosmische SternenkücheAls mit dem Urknall alles begann, gab es nur eine Art Grundteig.Wasserstoff und Helium waren die ersten Elemente im jungenUniversum. Andere Zutaten gab es noch nicht.Erst 200 Millionen Jahre nach dem Urknall entstanden die erstenBacköfen unseres Universums – die Sterne. Sie entwickelten sichaus dem kosmischen Grundteig: Durch die Schwerkraftverklumpten die Wasserstoff- undHeliumteilchen zu Gasbällen. DieseGasbälle wurden immer dichter undheißer – so heiß, dass die Teilchenmiteinander verschmolzen. Die erstenSterne waren geboren.Die Geburt eines SternsIn ihrem Inneren begannen die Sterne nun, den Grundteig desUniversums in neue Elemente umzuwandeln. Am Anfangverschmolzen Wasserstoff-Teilchen zu noch mehr Helium. Undaus Helium konnten Elemente entstehen, die es beim Urknallnoch nicht gab.Nach und nach bekam ein Stern soeine Zwiebelstruktur ausunterschiedlichen Elementen. Jeschwerer der Stern war, destomehr Elemente konnte ererzeugen. Zum Beispiel Sauerstoffund Kohlenstoff – die Elemente, diefür das Leben auf der Erde wichtigwurden.Eisen ist das schwerste Element, das die Sternen-Öfen backenkonnten. Noch schwerere – wie zum Beispiel Silber – entstandenauf dramatischere Weise: Wenn alte Sterne in einer Supernovaexplodieren, erzeugen manche von ihnen genug Energie, um auchschwere Elemente herzustellen.Wissenschaftler vermuten: Auchdie ausgebrannten Sternenleichen– Neutronensterne – könnten beieiner Kollision Elemente wie Silberund Gold erzeugen und sie ins Allschleudern.Zwiebelstruktur eines SternsEin Stern explodiert in einer Supernova13


Aber wie kamen die fertig gebackenen Elemente auf die Erde?Unser Sonnensystem entstand vor etwa viereinhalb MilliardenJahren in einer großen Gas- und Staubwolke – den Überrestenvergangener, explodierter Sterne. In dieser Wolke sammelten sichdie Staub- und Gasteilchen (darunter auch die verschiedenenElemente) durch die Gravitation zu einer riesigen rotierendenScheibe. Im Zentrum der Scheibe entstand durch dieAnziehungskraft die Sonne. In den äußeren Bereichenverklumpten die Staubteilchen zu immer größeren Körpern undformten die Planeten.Was wir nicht wissen: Dunkle MaterieFilm 3.2 Die Jagd nach der Dunklen MaterieEin direkter Beweis für ihre Existenz fehlt noch, aber die Indiziensind erdrückend: In unserem Universum gibt es viel mehr Materie,als wir sehen können – die so genannte Dunkle Materie.Gesteinsbrocken verklumpen zu PlanetenAuch das Leben auf der Erde hat sich aus diesenSternenüberresten entwickelt. Wir sind aus kosmischem Staubgemacht – gebacken vor Jahrmilliarden im Inneren der Sterne.Das Rätselraten über Dunkle Materie begann Anfang der 30er-Jahre des letzten Jahrhunderts.Damals forschte auf dem MountWilson bei Los Angeles am damalsgrößten Teleskop der Erde derStar-Astronom Edwin Hubble. AlsErster entdeckte er, dass es vieleGalaxien außerhalb unsererMilchstraße gibt und dass sich dasUniversum kontinuierlich ausdehnt.Computersimulation des Max-Planck-Instituts für Astrophysik zur Verteilung derDunklen Materie im Universum14


Doch zur selben Zeit machte dort ein viel weniger prominenterAstronom eine beunruhigende Entdeckung. Fritz Zwickyuntersuchte die Bewegung der Galaxien im sogenannten Coma-Haufen. Er kam zu dem Schluss, dass die gegenseitigeAnziehung der Galaxien durch ihre Schwerkraft eigentlich nichtausreichen dürfte, um den Haufen beieinander zu halten. SeineFolgerung: Es musste in dem Haufen eine große Mengeunsichtbarer Materie geben – Dunkle Materie. Doch diese Ideefand wenig Resonanz bei den Kollegen – vielleicht auch, weilZwicky als schwieriger Charakter galt. Die Dunkle Materie gerietin Vergessenheit.Erst Anfang der 1970er-Jahrerückte die Dunkle Materie wieder inden Fokus der Wissenschaft. Diejunge Astronomin Vera Rubinuntersuchte, wie schnell sich dieSterne in Galaxien um das Zentrumdrehen. Sie erwartete eigentlich,das Gleiche zu finden wie bei derBewegung der Planeten inunserem Sonnensystem: Je weiter weg die Sterne vom Zentrumder Anziehungskraft sind, desto langsamer sollten sie unterwegssein. Doch zu ihrer Überraschung stellte Rubin etwas anderesfest: In den Außenbereichen der Galaxien waren die Sterne fastgenauso schnell wie im Zentrum. Eigentlich müsste das dazuführen, dass die Galaxien auseinanderfliegen, die äußeren SterneDie Amerikanerin Vera Rubin findet inden 1970er-Jahren Hinweise auf dieDunkle Materieweggeschleudert werden. Doch die Galaxien blieben stabil.Rubins Entdeckung warf tiefgreifende Fragen auf – und belebteZwickys These neu: Es musste viel mehr Masse geben als die derleuchtenden Sterne. Die rätselhafte Dunkle Materie – es schiensie wirklich zu geben!Wie viel Dunkle Materie gibt es?Weltweit machten sich jetzt Astronomen auf die Jagd nach derfehlenden Masse im Universum. Zunächst versuchten sie, dieDunkle Materie durch herkömmliche astronomische Objekte zuerklären, die nur sehr schlecht zu beobachten sind: erkalteteSonnen, Planeten, dunkle Gaswolken. Astronomen bezeichnendiese Objekte auch als MACHOs (engl.: Massive Compact HaloObjects). Sogar die damals gerade erst indirekt beobachtetenSchwarzen Löcher bezogen sie in die Überschlagsrechnung ein.Doch unter dem Strich war das alles zu wenig. Es blieb einDefizit. Die Dunkle Materie bestand offenbar aus einem anderen,noch unbekannten Stoff.Während die Beschaffenheit der Dunklen Materie unklar bleibt,gelingt es den Astronomen immer besser, ihre Mengeabzuschätzen. Das liegt auch an besseren Teleskopen. Seit den1990er-Jahren liefert zum Beispiel das HubbleWeltraumobservatorium immer genauere Messdaten. Esvereinfacht das Auffinden sogenannter Gravitationslinsen, indenen große Massen-Ansammlungen – wie zum Beispiel15


Galaxienhaufen – den Raumverbiegen und das Licht vondahinter liegenden Objektenverformen. Je mehr Masse in derLinse ist, desto stärker wird dasLicht abgelenkt. Auch hier ist dasErgebnis eindeutig: In denGalaxienhaufen ist viel mehr dunkleals leuchtende Materie. Für einenkleinen Abschnitt des Himmels können die Astronomen auf dieseWeise sogar die Verteilung der Dunklen Materie berechnen. DasErgebnis: Es gibt fünfmal mehr Dunkle Materie als sichtbare.In einer Gravitationslinse verzerren großeMassen das Licht dahinter liegenderGalaxien.Woraus besteht Dunkle Materie?Auf der Suche nach der Beschaffenheit der Dunklen Materiebekommen die Kosmologen Hilfe aus einer unerwartetenRichtung. Schon seit den 1970er-Jahren postulierenTeilchenphysiker, dass es eine ganze Reihe von nochunentdeckten Elementarteilchen geben könnte. Diese WIMPs(engl.: Weakly Interacting Massive Particles) sollten nicht mitelektromagnetischer Strahlung - also Licht, Röntgenstrahlen,Radiowellen - wechselwirken und deshalb für Teleskopeunsichtbar sein. Die Prognosen der Physiker, was die Massen undHäufigkeit dieser Teilchen betrifft, passen erstaunlich gut zu denastronomischen Daten. Doch weder Kosmologen nochTeilchenphysiker haben bis jetzt WIMPs beobachten können.Rund um den Globus laufen zur Zeit etliche Experimente, um dieDunkle Materie direkt nachzuweisen. Hauptansatzpunkt dabei istdie Vorhersage, dass die WIMPs neben der Schwerkraft auch fürdie sogenannte schwache Kernkraft empfänglich sind.Hunderttausende Teilchen der Dunklen Materie strömen Sekundefür Sekunde durch jeden Quadratzentimeter der Erde. Statistischgesehen sollte einmal pro Jahr eines von ihnen über dieschwache Kernkraft an einem Atomkern hängenbleiben. Diemeisten Experimente versuchen, genau diese Kollisionen zumessen.Allein unter dem Gran SassoMassiv in den italienischenAbruzzen laufen dreiunterschiedliche Experimente. DieMessgeräte sind durch 1.400Meter Fels von der störendenkosmischen Strahlungabgeschirmt. Eines derExperimente dort sowie eines inden USA und eines auf der internationalen Raumstation ISSgeben Hinweise auf mögliche Zusammenstöße von WIMPs mitAtomkernen. Leider passen die Ergebnisse der unterschiedlichenExperimente nicht zusammen, so dass weitere Untersuchungenzeigen müssen, ob wirklich WIMPs die Dunkle Materieausmachen. Andernfalls müssen die Astronomen nach eineranderen Erklärung für die fehlende Masse im Universum suchen.Auch der AMS-Detektor an derinternationalen Raumstation sucht nachder Dunklen Materie16


Was ist Dunkle Energie?Wohlgemerkt: der Raum selber dehnt sich aus, es sind nicht dieSterne, die auseinanderfliegen. Diese Ausdehnung des Raums istvergleichbar mit einem Hefeteig, in dem Rosinen den Galaxienentsprechen. Geht der Hefeteig auf – das ist die Ausdehnung desRaumes – so bewegen sich alle Galaxien voneinander weg, dennder Teig zwischen ihnen dehnt sich aus.Film 3.3 Was ist Dunkle Energie? Ranga erklärt‘sAuch wenn die Natur der Dunklen Materie noch unklar ist: Diesichtbare Materie macht nur 4,6 Prozent des Universums aus,haben Astrophysiker errechnet. Die Dunkle Materie veranschlagensie mit 24 Prozent. Damit ist klar: Es gibt ein noch viel größeresRätsel als die Dunkle Materie – die „Dunkle Energie“. Sie machtden größten Teil unseres Universums aus – über 70 Prozent.Wir haben keine Ahnung, woraus sie besteht. Wir wissen nur: DieDunkle Energie sorgt dafür, dass sich das Universum bzw. derRaum an sich immer schneller ausbreitet.Alle astronomischen Beobachtungen deuten darauf hin, dass sichdas Universum seit seiner Entstehung kontinuierlich ausdehnt.Je weiter zwei Galaxien voneinander entfernt, desto mehr Teigdazwischen, desto schneller bewegen sie sich auseinander. Daslässt sich direkt am Licht der Galaxien beobachten. Durch dieAusdehnung des Raume wird auf der Reise zu uns auch dieWellenlänge des Lichtes gestreckt, sie wird röter. Das nennt mandie Rotverschiebung. Je weiter eine Galaxie entfernt, desto mehrsich ausdehnender Raum dazwischen, desto röter wird das Licht.Doch wie schnell geht der Teig auf, also wie schnell dehnt sichdas Universum aus? Physiker haben es gemessen und eineerstaunliche Entdeckung gemacht: Die Ausdehnung desUniversums beschleunigt sich. Es gibt anscheinend eine Kraft, diealles immer schneller auseinander treibt. Das ist die DunkleEnergie.Über die Dunkle Energie wissen wir noch weniger als über DunkleMaterie – es gibt nur Vermutungen. Doch man braucht diemysteriösen Bausteine, um zu erklären, wie das Universum zudem wurde, wie wir es heute sehen.17


Wir bauen uns ein UniversumMaking-of ...„Inventur des Universums“Film 3.4 Inventur des UniversumsDas Universum besteht aus 100 Milliarden Galaxien, jede davonmit Milliarden von Sternen, Planeten und Asteroiden. Zwischenden Galaxien befinden sich gigantische Mengen von freienGasnebeln. Und das ist nur ein Bruchteil der Materie im Kosmos.Damit das Universum so funktioniert, wie wir es kennen, benötigtman die noch viel größere Mengen von Dunkler Materie undDunkler Energie – unvorstellbar eigentlich. „Quarks & Co“ möchtedennoch eine Vorstellung davon vermitteln und hat dasUniversum nachgebaut – maßstabsgetreu und mit den richtigenAbständen.Um die Größenverhältnisse zeigen zu können, braucht das Teameine riesige Halle – die Kraftzentrale im Landschaftspark Duisburg-Nord.Unser Film vermittelt ein Gefühl für die gigantische Größe unseresUniversums und für die unvorstellbare Leere, aus der es zumgrößten Teil besteht.18


Kapitel 4Der kosmischeKlebstoffWas das Universum zusammenhältOhne die Gravitation – eine Grundkraft der Physik –geht gar nichts im Kosmos. Ohne die Gravitationhätten sich niemals Sterne und Planeten bildenkönnen. Ohne Gravitation kein Leben. Und obwohldie Gravitation so wichtig ist, wissen wir immernoch nicht ganz genau, wie sie funktioniert.


Was ist Gravitation?Film 4.1 Gravitation – der kosmische KlebstoffWas hält Sonne und Planeten, was hält das Universumzusammen? Ohne die Gravitation – eine Grundkraft der Physik –geht gar nichts im Kosmos. Ohne die Gravitation hätten sichniemals größere Strukturen wie Sterne, Planeten und Galaxienbilden können. Ohne Gravitation kein Leben. Und obwohl dieGravitation so wichtig ist, wissen wir immer noch nicht ganzgenau, wie sie funktioniert.Die Geschichte der Entdeckung der Schwerkraft beginnt in Pragim Jahre 1600. Am dortigen kaiserlichen Hof studierte JohannesKepler die Planeten und ihre Bewegung genauer als je zuvor. Alserster Wissenschaftler ahnte er eine Kraft, die von der Sonneausgeht und die Planeten um sie kreisen lässt. Er nannte sieAnima motrix - Seele des Bewegers.Erst über sechzig Jahre später wird sie entdeckt, im Jahre 1666am Trinity College im britischen Cambridge. Dort lehrte IsaacNewton, der jüngste Physikprofessor Englands – gerade mal 23Jahre alt. In seinem Garten beobachtete er, wie ein Apfel vomBaum fiel. Warum muss ein Apfel immer senkrecht zu Bodenfallen? Warum nicht zur Seite oder senkrecht dazu? Und warumist der Mond „oben“ und fällt nicht auf die Erde? NewtonsAntwort: Erde und Apfel bewegensich geradlinig aufeinander zu. Weildie Erde so unendlich viel schwererist, denkt man, nur der Apfelbewege sich. In Wirklichkeit aberfliegt auch die Erde ein kleinesStück auf den Apfel zu – allerdingsso wenig, dass man es nichtmessen kann.Newtons Erklärung: Massen ziehen sichgegenseitig anNewton erkannte, dass sich Körper gegenseitig anziehen. Dabeiist die Anziehungskraft dem Quadrat der Entfernung umgekehrtproportional. Der Mond fällt nicht herab und bleibt in einerErdumlaufbahn, weil sich die Zentrifugalkraft mit derMassenanziehung (Gravitation) die Waage hält. Dennoch fällt derMond: aufgrund seiner hohen Geschwindigkeit „fällt“ er aberquasi permanent um die Erde herum.Über 200 Jahre bleiben Newton’s Arbeiten zur Schwerkraftunangefochten. Doch im Berlin von 1915 arbeitet ein jungerPhysiker namens Albert Einstein an einer ganz neuen Erklärung:20


Anders als alle Physiker vor ihm geht Einstein nicht mehr davonaus, dass der Raum, in dem sich Sonne und Planeten bewegen,absolut und unveränderlich ist. In seiner Relativitätstheoriepostuliert Einstein Raum und Zeit als relativ. Die Zeit vergeht nichtüberall gleich schnell, sondern ist abhängig davon, mit welcherGeschwindigkeit man sich bewegt und wo man sich befindet.Eine Revolution in der Physik, denn bis dahin galten Raum undZeit als feststehende, nicht zubeeinflussende Größen. Einsteinaber fasst Raum und Zeit zur„Raum-Zeit“ zusammen. Und ersagt, dass Masse diese Raum-Zeitkrümmt:Einsteins Erklärung: Massen krümmen dieRaumzeitRaum und Zeit, so Einstein, kannman sich vorstellen wie eine Fläche– wie ein aufgespanntes Tuch. Wenn keine Masse da ist, dann istdie Raum-Zeit flach – das Tuch bleibt gespannt. Die Sonne aberbeispielsweise krümmt durch ihre Masse die Raum-Zeit, so alswürde man eine schwere Kugel auf das gespannte Tuch legen:das Tuch wölbt sich nach unten. Das Tuch, also die Raum-Zeit istnicht mehr flach, sondern gekrümmt. Lässt man jetzt eine kleinereKugel über das Tuch rollen, so wird diese sich durch die Wölbungauf einer Kreisbahn um die große Kugel herum bewegen – genauwie die Erde um die Sonne. Die Gravitation ist nach Einstein alsodie Krümmung der Raum-Zeit durch Massen. Die gekrümmteRaum-Zeit sorgt für die Umlaufbahnen der Planeten um dieSonne.Dass seine Theorie funktioniert, will Einstein schon wenige Jahrespäter beweisen. Die Überlegung: Wenn Masse die Raum-Zeitkrümmt, dann müsste sie auch Licht ablenken. Für eineSonnenfinsternis berechnet Einstein, wie die Masse der Sonnedas Licht von dahinterliegenden Sternen ablenkt. SeineBeobachtungen zeigen: die Sonne krümmt tatsächlich den Raumund verändert so den Lauf der Lichtstrahlen.Doch warum Körper überhaupteine Masse haben, die den Raumkrümmt, bleibt unbeantwortet –bis ins Jahr 1964. Peter Higgs, einfrisch gebackener Physik-Professor vom King’s College inLondon, veröffentlicht eine kühneThese: Neben den zwölf bekanntenHiggs-Bosonen heften sich an ein QuarkElementarteilchen führt er ein dreizehntes, letztes ein: Das Higgs-Teilchen. Higgs-Teilchen erfüllen den ganzen Raum, behauptetHiggs. Sie seien der kosmische Klebstoff, der sich an die Materieheftet. Ein Teilchen wie das Elektron zum Beispiel bindet nurwenige dieser Higgs-Teilchen. Das Elektron ist daher leicht.Andere Elementarteilchen wie Quarks dagegen binden viel mehrHiggs-Teilchen. Sie sind also schwerer. Fast 50 Jahre lang bleibtdas Theorie – bis man 2012 am Teilchenbeschleuniger CERN inGenf bekanntgibt, man habe das seit Jahrzehnten gesuchteHiggs-Boson höchstwahrscheinlich gefunden.Doch ob das die letzte Erklärung der Gravitation sein wird?21


Drehen an der GravitationskonstanteWas sind Schwarze Löcher?Obwohl wir sie als einzige physikalische Kraft im Alltag spüren, istdie Gravitation doch die schwächste von ihnen. Das erkenntman, wenn man die Schwerkraft mit der elektromagnetischenKraft vergleicht: Eine Eisenkugel wird von der Gravitation nachunten gezogen. Doch schon ein kleiner Magnet wirkt derSchwerkraft entgegen und hält die Kugel zurück.Film 4.2 Drehen an der GravitationskonstanteWäre es möglich, an der Gravitationskonstante zu drehen und siekleiner zu machen, würde sich die Welt verändern. AlleGegenstände würden an Gewicht verlieren. Man könnte höherspringen und sich leichter fortbewegen. Pflanzen und Tierewürden im Laufe der Zeit filigraner werden. Bei zunehmenderGravitation hingegen würde alles schwerer. Tiere und Pflanzenmüssten stabiler gebaut sein.Der Film zeigt, warum weder eine geringere noch einezunehmende Gravitation besonders hilfreich wäre und warum esin beiden Fällen das Leben auf der Erde vernichten würde.Aber bei großen Massen erkennt man die Macht der Gravitation.Diese Macht sehen wir, wenn wir uns weiter von unseremSonnensystem entfernen und weiter ins All reisen. Dort begegnenuns Sterne, die mehr als zehn mal so schwer sind wie unsereSonne. Wenn ein solcher Stern seinen Brennstoff verbraucht hat,bläht er sich zu einem roten Riesen auf.In seinem Inneren verschmelzen die Atome zu immer schwererenElementen, bis hin zum Eisen. Hier stoppt die Fusionskette, weilaus der Verschmelzung zweier Eisenkerne keine Energie mehrgewonnen werden kann. Der Eisenkern des Sterns ist schließlichso schwer, dass er unter seinem eigenen Gewicht in sichzusammen fällt.Die gesamte Gashülle des aufgeblähten Sterns stürzt daraufhin inRichtung des kollabierten Eisenkerns. Dort prallen die Gase ab,und der Stern wird in einer gewaltigen Detonation zerrissen, dieseine Materie in den Weltraum schleudert. Astronomen nennendas eine Supernova-Explosion.22


muss der zurückbleibende Sternen-Kern noch mindestens 2,5mal so schwer wie die Sonne sein – dann formt sich einSchwarzes Loch. Beste Chancen haben Sterne mit einerAnfangsmasse von nicht weniger als 25 bis 40 Sonnenmassen.Ein kleines „Making-of“ der Universum-SendungFilm 4.3 Wie entsteht ein Schwarzes Loch?Zurück bleibt ein extrem kompakter Rest. Wenn der schwergenug ist, dann presst die Schwerkraft diese Masse zu einemHimmelskörper zusammen, den Astronomen „Schwarzes Loch“nennen.Die Dichte dieses Schwarzen Loches ist unendlich hoch. Und dieAnziehungskraft – die Raumzeitkrümmung – ist so groß, dasssogar Lichtstrahlen ihr nicht mehr entkommen können. Materieund Licht in der Umgebung werden in das Schwarze Lochgerissen.Schwarze Löcher sind spektakulär, doch nur wenige Sternewerden am Ende ihres Lebens zu einem Schwarzen Lochkollabieren. Unsere Sonne wird nicht als Schwarzes Loch enden.Damit es entstehen kann, muss ein Stern mindestens drei mal soschwer sein, wie unsere Sonne. Nach der Supernova-Explosion„Quarks & Co“ ist Team-Arbeit: Was Ranga zeigt, ist von vielen vorbereitetund richtig in Szene gesetzt.23


Kapitel 5ExoplanetenDie Suche nachaußerirdischem LebenSeitdem wir um die Größe unseres Universumswissen, fragen sich Menschen, ob es noch anderesintelligentes Leben im All gibt. Signale vonAußerirdischen haben wir bis heute nichtempfangen. Einige Astrophysiker gehen daher einenneuen Weg: Sie suchen nach Planeten außerhalbunseres Sonnensystems, auf denen theoretischLeben existieren könnte.


Ist da jemand?Film 5.1 Gibt es außerirdisches Leben im All?Die Suche nach einer zweiten ErdeKaum eine Frage fasziniert uns Menschen so wie die nachaußerirdischem Leben im Weltall. Eine Frau, die diese Fragebeantworten will, ist die Astronomin Lisa Kaltenegger. Sie begannihr Studium 1995, dem Jahr, in dem der erste Planet außerhalbunseres Sonnensystems entdeckt wurde. Der Planet 51 Pegasi bist 40 Lichtjahre von der Erde entfernt, ein sogenannterExoplanet. Um seinen Stern zu umkreisen, benötigt er etwa vierTage.Kaltenegger arbeitet heute am Max-Planck-Institut für Astronomiein Heidelberg und lehrt an der US-amerikanischen EliteuniversitätHarvard. Sie gehört zu den internationalen Experten, die im Allnach Exoplaneten suchen und herausfinden wollen ob es aufihnen Leben geben kann. „Die Suche ist wahnsinnig schwierig,“erklärt sie. „Wenn Sie in den Himmel schauen, sehen Sie dieSterne. Aber ein Planet ist viel, vielkleiner. Und er reflektiert das Lichtvom Stern ja nur. Es ist wie einkleines Glühwürmchen neben einemriesigen Suchscheinwerfer.“Heute wissen Astronomen schonvon hunderten Exoplaneten,mehrere tausend scheinen entdecktund warten auf eine Bestätigung – und das allein im Sternbild„Schwan“ in unserer Milchstraße. Den allergrößten Teil desNachthimmels hat man noch gar nicht nach Exoplanetenabgesucht.Das Sternenlicht verrät die PlanetenLisa Kaltenegger gehört zu deninternationalen Experten bei derPlanetensucheUm Exoplaneten aufzuspüren, nutzen Astronomen hauptsächlichzwei Methoden: Bei der „Wobbelmethode“ beobachten sie, obsich ein Stern bewegt, ob er sozusagen wackelt. Dieses„Wobbeln“ entsteht, wenn ein oder mehrere Planeten um einenStern kreisen, weil Massen gegenseitig Kraft aufeinanderausüben. Selbst ein vergleichsweise winziger Planet bewirktdurch seine Umrundung, dass sich ein Stern bewegt.25


Um die Bewegung eines Sterns zu messen, nutzen Astronomenden sogenannten Dopplereffekt, eine physikalische Eigenschaft,die für alle elektromagnetischen Wellen gilt: Bewegt sich derStern auf den Beobachter zu, ist die Wellenlänge seines Lichtskürzer, als wenn der Stern sich vom Beobachter weg bewegt. Mitdieser Methode können Astronomen messen, ob ein Stern voneinem Planeten umkreist wird, wie weit dieser vom Stern entferntist und welche Masse er hat. „Das Problem bei der„Wobbelmethode“, so Kaltenegger: „Die Masse allein sagt unsnoch nicht, ob das ein Felsbrocken ist oder ein Gasplanet wie einkleiner Saturn oder ein kleiner Neptun.“Um mehr über den Planeten zuerfahren, benötigen dieWissenschaftler ein weiteresInstrument: die „Transit-Methode“.„Transit“ bedeutet, dass ein Planetvor einem Stern vorbeizieht.Dadurch verändert sich das Lichtdes Sterns, es wird dunkler.Anhand solcherLichtschwankungen können Astronomen die Größe desExoplaneten errechnen. Seit 2009 sucht das NASA-Weltraumteleskop Kepler mit dieser Methode nach fremdenWelten. Kepler beobachtet über 150.000 Sterne im Sternbild„Schwan“. Die aus diesen Beobachtungen gewonnenen Datenzeigen, dass um mindestens jeden zweiten Stern ein Planet kreist.Für die Transitmethode muss der Planetvon der Erde aus gesehen vor dem Sternvorbei ziehenVoraussetzungen für LebenDie ersten fernen Planeten, die entdeckt wurden, warenGasriesen in der Größe Jupiters, dem größten Planet unseresSonnensystems. Doch in den vergangenen Jahren habenAstronomen sogenannteSupererden nachgewiesen. Dassind Planeten mit bis zuzehnfacher Erdmasse. Könnte aufeinem solchen Planeten tatsächlichLeben existieren, so wie wir eskennen? Dazu müssenverschiedene Voraussetzungenerfüllt sein. Erstens muss derPlanet aus Gestein sein. Gesteinkann sich nur im Massebereich derSupererden bilden. Außerdem ist die Entfernung zum jeweiligenStern entscheidend. Die sogenannte habitable Zone, in der Lebenauf einem Planeten möglich ist, variiert nach Größe undLeuchtkraft des Sterns. Wie bei einem Lagerfeuer nimmt dieausgestrahlte Hitze des Sterns mit zunehmender Entfernung ab.Wichtig ist, dass die Temperatur auf dem Planeten zwischen nullund einhundert Grad liegt. Nur dann kann es dort Wasser geben.Einer der ersten Exoplaneten aus Gestein, den Astronomenentdeckt haben, heißt Kepler 10b. Er kreist allerdings so nah umseinem Stern, dass auf ihm Temperaturen bis zu 1.400 GradCelsius herrschen.Der Planet Kepler 10b befindet sich imSternbild Drache in 560 LichtjahrenEntfernung. Er ist um die Hälfte größer alsdie Erde und fast fünf Mal schwerer. Er istallerdings so nah an seinem Stern, dass erihn in weniger als einem Tag umrundet26


Ist Leben möglich?Die Entfernung des Planeten zu seinem Stern, sowie seine Masseund seine Größe lassen sich inzwischen zuverlässig messen.Doch eine eindeutige Aussage über die Beschaffenheit desPlaneten erlauben die bisherigen Messungen nicht. Genau hiersetzt Kalteneggers Forschung an. Sie analysiert die Planetenmithilfe des Sternenlichts, denn Sternenlicht besteht aus einemLichtspektrum mit unterschiedlichen Wellenlängen. Hat ein Planeteine bestimmte Atmosphäre, absorbieren die Moleküle in derAtmosphäre Lichtwellen des Sterns. Zieht also ein Planet voreinem Stern vorbei, filtert seine Atmosphäre einzelneWellenlängen aus dem Sternenlicht heraus. Es entsteht einindividueller spektraler Fingerabdruck der Planetenatmosphäre.Lisa Kaltenegger entwickeltAnalysemodelle für dieAtmosphären ferner Exoplaneten.„Das Licht, das durch einePlaneten-Atmosphäre gefiltert wirdoder vom Planeten reflektiert wird,sagt uns, welche Chemikalien -Wasser, Sauerstoff, Methan,Kohlendioxid - es in derAtmosphäre eines solchenPlaneten gibt, und sagt uns, ob es ähnlich ist wie bei der Erdeoder ganz anders.“ Die Atmosphäre eines Exoplaneten gibt alsodarüber Auskunft, ob auf diesem Himmelskörper Leben möglichwäre oder nicht.Der spektrale Fingerabdruck einesPlaneten lässt durch die Bestimmung derAtmosphäre Rückschlüsse auf seinegesamte Beschaffenheit zuEine Frage der Zeit?Bisher haben Astronomen aber nur die Atmosphären von riesigenGasplaneten messen können. Das Problem liegt in denGrößenverhältnissen von Atmosphäre und Planet, erklärt LisaKaltenegger: „Die Atmosphäre der Erde ist etwa einhundertKilometer hoch, der Radius der Erde beträgt über 6.000 Kilometer.Diese dünne Schale, die dünne Atmosphäre, ist vergleichbar mitder Schale eines Apfels. Und in dieser dünnen Schale ist dieganze Information über die Atmosphäre enthalten. Und die istLichtjahre weit weg. Man braucht ein großes Teleskop, um so vielLicht wie möglich einzufangen. Nur dann funktioniert dieSpurensuche.“ Wie es auf den kleinen Planeten aussieht, sollspätestens das geplante „European Extra Large Telescope“ (E-ELT) in Chile in Erfahrung bringenoder das Weltraumteleskop „JamesWebb“, das 2018 starten soll. DieErwartungen sind hoch. Auch LisaKaltenegger hat große Hoffnungen:„In unserer Galaxie gibt esMilliarden von Sternen. Und wennjetzt jeder Stern, jeder zweite,mindestens einen Planeten hat,dann haben Sie schon Milliardenvon Planeten allein in unserer Milchstraße, in unserer Galaxie. Undwir wissen ja, da draußen gibt es Milliarden von Galaxien. Dasheißt, wenn man es hochrechnet, sollte es ziemlich spannendwerden in nächster Zeit.“Das E-ELT soll mit knapp 40 MeternHauptspiegeldurchmesser vier- bis fünfmalgrößer als heutige Spitzenteleskopewerden und 15-mal mehr Licht auffangen27


Kapitel 6Big Crunch, Big Freezeoder Big Rip?Wie das Universum enden wirdMit dem Urknall ist das Universum entstanden, dasind sich die meisten Astrophysiker ziemlich sicher.Aber wie wird es zu Ende gehen? Hier gibt esrivalisierende Theorien: die einen glauben, dasUniversum stürzt in sich zusammen, die anderenvermuten, dass das Universum eines Tages inStücke reißt.


Wann und wie wird das Leben auf derErde enden?Ohne Wurzeln fehlt dem Boden jedoch der Halt. Wind und Regenkönnen ihn einfach forttragen und verwandeln die Erdoberflächein eine trostlose Mondlandschaft. Und die Temperatur steigtweiter. Das Wasser in Flüssen,Seen und Ozeanen verdampft.Zurück bleiben riesige Salzseen.In etwa 3,5 Milliarden Jahren gibtes dann überhaupt kein flüssigesWasser mehr auf der Erde. DieTemperatur liegt dann bei über 100Grad Celsius. Organisches Lebenhat keine Chance mehr.In etwa 3,5 Milliarden Jahren gibt es keinflüssiges Wasser mehr auf der ErdeFilm 6.1 Wann es wirklich dunkel wirdNoch herrschen auf der Erde lebensfreundliche Bedingungen. DieSonne spendet Licht und Wärme – doch eines Tages wird sie unszum Verhängnis. Denn in den kommenden Milliarden Jahren gehtihr der Brennstoff aus.Immer weniger Wasserstoff ist für die Kernfusion verfügbar.Dadurch wird die Sonne nicht etwa kleiner. Sie bäumt sich nocheinmal auf, dehnt sich aus und strahlt dabei mehr Energie ab alszuvor – und verwandelt sich in einen Roten Riesen. Dadurch wirdes auf der Erde immer heißer. In 800 Millionen Jahren liegt dieDurchschnittstemperatur auf der Erde bei über 45 Grad Celsius.Das ist mehr als doppelt so warm wie heute. Die Pflanzen sterbenab.In rund 7 Milliarden Jahren hat dieSonne ihren größten Durchmessererreicht. Sie wird die Erde zwarnicht komplett verschlucken.Trotzdem ist es auf derErdoberfläche so heiß, dassGestein schmilzt. Die Erde istbedeckt von Ozeanen aus Magma.In rund 7 Milliarden Jahren ist die Erdebedeckt von Ozeanen aus MagmaIn 8 Milliarden Jahren ist die Sonne dann komplett ausgebranntund in sich zusammengefallen. Die verkohlten Überreste der Erdedrehen im Dunkeln ihre Bahn. So wie der Sonne ergeht es früheroder später allen Sternen im Universum: Ihnen geht derBrennstoff aus.29


In etwa 100.000 Milliarden Jahren werden die letzten Sterneausbrennen. Durch das kalte dunkle Universum fliegen nur nochSternenleichen, Planeten und Asteroiden.In etwa 100.000 Milliarden Jahren werdendie letzten Sterne ausbrennenNur ab und zu wird die trostloseDunkelheit erhellt, wenn zweiweiße Zwerge miteinanderkollidieren. Lange Zeit bleibt dasUniversum in diesem Zustand.Doch selbst die traurigenÜberreste des einstmalsfunkelnden Universums sind demUntergang geweiht.In einer Milliarde Milliarde MilliardeMilliarde Jahren beginnt sich dieMaterie aufzulösen. Die innerenBausteine der Atomkerne, dieProtonen, zerfallen.Ohne Protonen gibt es jedochkeine Atome, keine Moleküle, keineZellen und auch kein Leben. DieMaterie, wie wir sie kennen, existiert nicht mehr.Irgendwann wird sich die Materie wiederauflösen und die Atomkerne werdenzerfallenWas bleibt ist eine unendliche Leere.Big Crunch, Big Freeze oder Big Rip?Film 6.2 Die drei großen EndzeitszenarienMit dem Urknall ist das Universum entstanden, da sind sich diemeisten Astrophysiker ziemlich sicher. Aber wie wird es zu Endegehen? Hier gibt es rivalisierende Theorien: Wird es zu einem „BigCrunch“ kommen, bei dem das Universum wieder in sichzusammenfällt und alles zermalmt?Oder eher zu einem „Big Freeze“,bei dem es immer weiterexpandiert und erkaltet? Oder wirdes den „Big Rip“ geben, bei demdas Universum, angetrieben durcheine unbekannte Energie, immerschneller expandiert, bis es inStücke reißt?Seit dem Urknall dehnt sich dasUniversum ständig aus. Die Galaxienentfernen sich immer weiter voneinander30


Wie Beobachtungen der letzten Jahre gezeigt haben, lässt einebis heute nicht verstandene „Dunkle Energie“ das Universumimmer schneller expandieren.Lange gab es für die meisten Kosmologen nur die Frage, wiestark sich die Ausdehnung des Universums mit der Zeitverlangsamt. Die Anhänger des „Big Crunch“ sind überzeugt,dass die Gravitation der Sterne und Galaxien die Ausdehnungdes Universums irgendwann komplett abbremst. Danach würdeder Kosmos erst langsam und dann immer schneller in sichzusammenstürzen – quasi der Urknall im Rückwärtslauf.Ganz anders dagegen der „Big Freeze“! Seine Anhänger meinen,dass es nicht genug Materie gibt, um die Ausdehnungabzubremsen. Die Folge: das Universum würde immer weiterauseinanderdriften, die Sterne würden ausbrennen und am Endealles Licht und Wärme erlöschen.Anhänger des „Big Freeze“ sind verunsichert. Was treibt dasUniversum immer schneller auseinander? Was ist die mysteriöseDunkle Energie? Wird sie auch in Zukunft den Raum ausdehnen?Und wie stark? Die Kosmologen wissen darauf noch keineAntwort.Aber vielleicht kommen ja die Anhänger der dritten Theorie zumZuge. Sie gehen davon aus, dass die dunkle Energie immerstärker wird. Demnach wird sich der Raum auch in Zukunft immerschneller ausdehnen. Die Galaxien werden sich dabei immerweiter voneinander entfernen. Und in wenigen Milliarden Jahrensoll die Dunkle Energie dann sogar Galaxien, Sterne, Planeten –sogar jedes einzelne Atom in Stücke reißen – der „Big Rip“.Die Astrophysiker messen und schätzen alle Massen im Weltraum– denn deren Gravitation bremst die Expansion des Universums.Zusätzlich beobachten die Astronomen sehr ferne Supernovas.Damit messen sie, wie stark sich die Ausdehnung schonverlangsamt hat. Das überraschende Ergebnis: die Ausdehnungdes Kosmos hat sich nicht verlangsamt – sie ist immer schnellergeworden!Damit sind die Anhänger des „Big Crunch“ im Nachteil – ihreTheorie scheint jetzt sehr unwahrscheinlich. Aber auch dieDer „Big Rip“: Das Universum reißt auseinander31


Impressum:Herausgeber: Westdeutscher Rundfunk KölnVerantwortlich: Quarks & Co – Thomas HalletRedaktion: Jonathan FockeAutoren: Ilka aus der Mark, Anna Behrend, Heinz Greuling, UlrichGrünewald, Philip Häusser, Ulf Kneiding, Daniel Münter, SilvioWenzel, Ranga YogeshwarGestaltung: Designbureau Kremer & Mahler, Köln© WDR, 2013Bildnachweis:Titel gr: ESO; kl., l.: ESO/José Francisco Salgado (http://www.josefrancisco.org); kl., m.: ESO/L. Calçada; kl., r.: MPA/Springel et. al.Kap. 1/Titel: ESO/José Francisco Salgado (http://www.josefrancisco.org)S. 3, u.l.: akg-images; m.r.: mauritius images, u.r.: dapd; S. 4, o.l.:ESO/S. Guisard (http://www.eso.org/~sguisard); m.l.: mauritiusimages; u.l.: ddp images; S.4, r.: alle: Ranga YogeshwarKap. 2/Titel: M. Alvarez (http://www.cita.utoronto.ca/~malvarez),R. Kaehler, T. AbelKap. 3/Titel: ESOS. 14, u.r.: MPA/Springel et. al.; S. 15: akg/ Science Photo Library;S. 16, l.: NASA/ESA; S. 16, r.: NASAKap. 4/Titel: ESO/L. Calçada/M.Kornmesser; S. 23, r.: alle: K.GörgenKap. 5/Titel: ESO/L. Calçada; S. 26, l.: ESA/Hubble/M.Kornmesser, L. L. Christensen; S. 26, r.: NASA/Kepler Mission/Dana Berry; S. 27, r.: ESO/L. CalçadaKap. 6/Titel: Klaus Dolag/VIMOS-VLT Deep Surveyalle anderen Bilder: WDR32

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