Das Universum – Teil 1

Beginnen wir mit dem, was als gesichert gilt.

Unser Universum ist groß. Nicht „sehr groß“ im alltagssprachlichen Sinn, sondern kosmologisch groß. Das beobachtbare Universum besitzt heute einen Radius von etwa 46 Milliarden Lichtjahren. Sein Alter liegt nach aktuellen Messungen bei rund 13,8 Milliarden Jahren (Planck-Kollaboration).

Es ist außerdem strukturiert. Die sichtbare Materie – also das, was aus Atomen besteht – setzt sich heute zu etwa 74 % aus Wasserstoff, 24 % Helium und rund 2 % schwereren Elementen zusammen. Diese Anteile gelten für die sogenannte baryonische Materie. Doch sie macht nur etwa 5 % der gesamten Energiedichte des Universums aus.

Der Rest?
Etwa 27 % entfallen auf dunkle Materie – gravitativ wirksam, aber nicht elektromagnetisch wechselwirkend. Rund 68 % entfallen auf dunkle Energie – eine bislang nicht verstandene Form von Energiedichte, die mit der beschleunigten Expansion des Universums zusammenhängt.

Die sichtbare Materie ist hierarchisch organisiert:

• Sterne bilden Galaxien.

• Galaxien bilden Gruppen und Haufen.

• Diese wiederum sind Teil riesiger Superhaufen.

• Auf den größten Skalen zeigt sich ein kosmisches Netz aus Filamenten und Leerräumen.

Aktuelle Schätzungen gehen von mehreren Hundert Milliarden bis möglicherweise über einer Billion Galaxien im beobachtbaren Universum aus – deutlich mehr als die früher oft zitierten 100 Milliarden. Jede größere Galaxie enthält wiederum Milliarden bis Hunderte Milliarden Sterne. Unsere Sonne ist einer davon.

Wenn man in einer klaren Nacht einen dunklen Himmelsausschnitt mit dem Daumen abdeckt, verbirgt man in diesem kleinen Fleck Himmel Zehntausende Galaxien. Und jede einzelne enthält Milliarden Sterne.

Das Universum ist groß. Und das ist keine rhetorische Floskel.

Der Schock von 1929

Als Edwin Hubble 1929 am 2,5-Meter-Teleskop des Mount-Wilson-Observatoriums seine Beobachtungen veröffentlichte, war das ein Paradigmenbruch. Bis dahin war selbst für Theoretiker wie Albert Einstein ein statisches Universum die bevorzugte Annahme.

Einsteins eigene Gleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie ließen jedoch kein stabiles statisches Universum zu. Um dieses Problem zu umgehen, führte er die kosmologische Konstante ein – ein zusätzlicher Term, der die Expansion oder Kontraktion neutralisieren sollte. Später nannte er das angeblich seine „größte Eselei“. Ironischerweise erleben wir heute eine Renaissance genau dieses Terms – nur unter anderem Vorzeichen.

Hubble stellte fest:
Je weiter eine Galaxie entfernt ist, desto stärker ist ihr Licht ins Rote verschoben – und desto schneller scheint sie sich von uns zu entfernen.

Das Verhältnis ist linear. Diese Beziehung wird heute als Hubble-Lemaître-Gesetz bezeichnet.

Formal:
v = H₀ × d

Die Geschwindigkeit ist proportional zur Entfernung.

Warum das kein kosmisches Zentrum impliziert

Zunächst wirkt das seltsam. Wenn sich alles von uns entfernt, klingt das, als stünden wir im Zentrum einer Explosion. Doch das ist eine falsche Analogie. Bei einer klassischen Explosion gibt es ein Zentrum im Raum. Bei der kosmischen Expansion expandiert jedoch nicht Materie in einen vorhandenen Raum hinein – der Raum selbst dehnt sich aus.

Der entscheidende Punkt:
Von jedem Ort im Universum aus sieht die Expansion gleich aus. Diese Einsicht wurde entscheidend von Georges Lemaître formuliert – katholischer Priester und Physiker. Seine Lösungen der Einstein-Gleichungen zeigten, dass eine Expansion ohne bevorzugtes Zentrum mathematisch konsistent ist.

Das Universum besitzt auf großen Skalen keine ausgezeichnete Position. Keine kosmische VIP-Zone. Kein „Mittelpunkt“.

Das ist das kosmologische Prinzip:
Auf ausreichend großen Skalen ist das Universum homogen und isotrop.

Doppler oder nicht Doppler?

1842 beschrieb Christian Doppler den Effekt, dass sich Wellenlängen ändern, wenn sich Quelle und Beobachter relativ zueinander bewegen. Das kennt man vom Martinshorn: Annäherung → höhere Frequenz, Entfernen → tiefere Frequenz. Auch Licht unterliegt diesem Effekt. Doch die Rotverschiebung ferner Galaxien ist im strengen Sinn kein klassischer Dopplereffekt. Sie ist kosmologisch.

Das bedeutet: Während sich das Licht durch den expandierenden Raum bewegt, wird seine Wellenlänge mitgedehnt. Der Raum selbst streckt die Photonen. Die Galaxien „fliegen“ nicht durch den Raum von uns weg wie Trümmerstücke einer Explosion. Zwischen uns und ihnen entsteht zusätzlicher Raum. Das ist ein fundamentaler Unterschied.

Und er erklärt auch, warum extrem ferne Galaxien scheinbare Fluchtgeschwindigkeiten über der Lichtgeschwindigkeit besitzen können – ohne die Spezielle Relativitätstheorie zu verletzen. Denn diese verbietet nur lokale Überlichtgeschwindigkeit. Sie verbietet nicht, dass der Abstand zweier weit entfernter Punkte im expandierenden Raum schneller wächst als Licht.

Zeitdilatation im expandierenden Universum

Ein wichtiger Effekt der kosmologischen Rotverschiebung ist die beobachtbare Zeitdilatation. Prozesse in fernen, stark rotverschobenen Galaxien erscheinen aus unserer Sicht verlangsamt.

Das ist keine Doppler-Zeitdilatation durch Bewegung nahe Lichtgeschwindigkeit, sondern eine direkte Folge der Expansion: Die zeitlichen Abstände zwischen aufeinanderfolgenden Photonen werden ebenfalls gestreckt. Beobachtungen von Supernovae vom Typ Ia bestätigen genau diesen Effekt.

Die klassische Analogie ist die Oberfläche eines Luftballons:

• Auf der Oberfläche kleben Münzen.

• Der Ballon wird aufgeblasen.

• Die Abstände zwischen allen Münzen wachsen.

• Keine Münze ist das Zentrum.

_{Vom Aussichtspunkt unserer Galaxie aus entfernen sich alle anderen Galaxien. Die die doppelt so weit entfernt sind, haben sich in derselben Zeit doppelt so weit entfernt … u.s.w. Verschiebt man den Aussichtspunkt auf eine beliebige anderen Galaxie, bleibt der Effekt derselbe. Solange kein Rand sichtbar wird, gilt diese Beobachtung für jeden Punkt im Universum. Eigene Arbeit, gemeinfrei}

Wichtig: Nur die zweidimensionale Oberfläche ist das Analogon unseres dreidimensionalen Raumes. Der „Innenraum“ des Ballons existiert in diesem Modell nicht. Die Analogie hilft, aber sie ist kein physikalisches Modell. Sie dient nur der Veranschaulichung.

Die beschleunigte Expansion – das eigentliche Rätsel

In den 1990er Jahren zeigten zwei unabhängige Forschergruppen durch Messungen entfernter Supernovae vom Typ Ia, dass sich die Expansion des Universums nicht verlangsamt – wie man es unter Einfluss der Gravitation erwarten würde –, sondern beschleunigt. Das war eine Sensation. Die einfachste Erklärung innerhalb der Allgemeinen Relativitätstheorie ist eine kosmologische Konstante – also eine Energiedichte des Vakuums. Heute nennen wir sie dunkle Energie.

Warum sie existiert, wissen wir nicht. Warum ihre Energiedichte genau den beobachteten Wert besitzt, wissen wir ebenfalls nicht. Theoretische Vorhersagen aus der Quantenfeldtheorie liegen um viele Größenordnungen daneben.

Hier endet unser gesichertes Wissen und beginnt echte Forschung.

Und was ist mit Andromeda?

Unsere Nachbargalaxie Andromeda-Galaxie ist blauverschoben. Sie bewegt sich mit etwa 110 km/s auf uns zu. 

Warum widerspricht das nicht der Expansion? Weil die Expansion nur auf großen Skalen dominiert. Innerhalb gravitativ gebundener Systeme – Galaxien, Galaxiengruppen, Haufen – überwiegt die Gravitation. Die lokale Dynamik kann die kosmische Expansion vollständig überlagern. Die Milchstraße und Andromeda sind Teil derselben Lokalen Gruppe. Sie sind gravitativ aneinander gebunden. In etwa 4–5 Milliarden Jahren werden beide Galaxien kollidieren und verschmelzen.

Die Expansion betrifft also nicht alles gleichermaßen. Sie wirkt nur dort dominant, wo die Gravitation nicht stark genug ist, ihr zu widerstehen.

Offene Fragen

Warum beschleunigt sich die Expansion?
Ist dunkle Energie wirklich konstant?
Ist sie eine Eigenschaft des Vakuums – oder ein Hinweis darauf, dass unsere Gravitationstheorie unvollständig ist?
Wie entwickelt sich das Universum langfristig – ewige Expansion oder etwas anderes? Das sind keine philosophischen Spielereien. Es sind präzise formulierte, messbare Forschungsfragen. Und sie zeigen vor allem eines:

Das Universum ist nicht nur groß.
Es ist dynamisch.
Und wir verstehen längst nicht alles.