Missing Link: Bis ans Ende der Zeit – die Geschichte unseres Universums, Teil 2

Sollte das Universum tatsächlich noch unvorstellbar lange existieren, wird es nur ungemütlicher. Es kann aber schneller enden, zeigt der letzte Teil der Serie.

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(Bild: Andrea Danti/Shutterstock.com)

Von
  • Alderamin
Inhaltsverzeichnis

Wie groß ist das Universum? Woraus besteht es? Wie ist es entstanden und wie wurde es so, wie wir es heute kennen? Mit diesen Themen beschäftigt sich die Kosmologie, die Lehre von der Entstehung und Entwicklung des Universums. Sie ist derzeit eine der spannendsten Disziplinen der Naturwissenschaft und sie spannt einen Bogen von der Physik des Allerkleinsten zu den größten Strukturen, die wir kennen. In dieser Reihe möchte ich den derzeitigen Stand des Wissens skizzieren und darlegen, warum die große Mehrheit der Kosmologen scheinbar so absurden Ideen anhängt wie etwa, dass leerer Raum eine abstoßende Gravitation habe, dass das Universum aus dem Nichts entstanden sei, und dass wir den Stoff, aus dem 95 Prozent des Universums bestehen, noch nie gesehen haben. Der letzte Teil der Serie nimmt uns mit in eine unermesslich ferne Zukunft.

Im vorangegangen ersten Teil der Reise ans Ende der Zeit sind wir beim Urknall aufgebrochen und haben die Entwicklung des Universums und speziell unseres kleinen Winkels darin bis zu Jetztzeit verfolgt. Wir Menschen sind dabei nicht einmal ein Wimpernschlag in der Geschichte des Universums. Würde man die bisherige Geschichte des Universums auf ein Jahr zusammenschrumpfen, so entstanden die ersten Galaxien Mitte Januar, unser Sonnensystem am 1. September um Mitternacht, das erste Leben Mitte September. Höheres Leben ("kambrische Explosion") traten jedoch erst am Morgen des 18. Dezembers auf. Die Dinosaurier betraten erst am frühen Morgen des 26. Dezember die Weltbühne und starben am 30. Dezember um 6:30 Uhr aufgrund eines Asteroideneinschlags schon wieder aus.

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Am Silvesterabend gegen 19:30 Uhr zweigten die Hominiden vom Stammbaum der Menschenaffen ab und gegen 22:30 Uhr tauchte mit Homo rudolfensis der erste Vertreter der Gattung Mensch auf. Um Viertel vor Zwölf trat dann der anatomisch moderne Mensch auf die Bühne, der Europa erst um 2 Minuten vor Mitternacht besiedelte und die dort seit einer halben Stunde lebenden Neandertaler verdrängte. Die gesamte niedergeschriebene Menschheitsgeschichte spielte sich in den letzten 12 Sekunden des Jahres ab. Die Zeitenwende fand vor 4,63 Sekunden statt und der Zweite Weltkrieg endete vor 176 Millisekunden. Unser Jahrtausend ist gerade einmal 51 Millisekunden alt.

Leider sind manche Menschen so pathologisch veranlagt, dass sie für ein paar Millisekunden Herrschaft über eine knapp zweistellige Prozentzahl der Fläche unseres kleinen Staubkorns, das man schon vom nächsten Nachbarstern aus selbst mit modernster Teleskoptechnik nicht mehr als Lichtpunkt abbilden könnte, unendliches Leid über ihre Mitmenschen bringen. Aber selbst auf tausend Jahre ausgelegte Reiche erledigen sich gewöhnlich deutlich schneller als gedacht.

Legt man die durchschnittliche Lebensdauer von Spezies zugrunde, dann haben Säugetierarten eine mittlere Lebensdauer von einer Million Jahren. Homo sapiens gibt es wahrscheinlich schon rund 300.000 Jahre lang, also sind wir schon in der Größenordnung der Lebensdauer unserer Spezies und wir können nicht davon ausgehen, dass uns deswegen noch 700.000 Jahre zustehen – es gibt bei einem Zufallsprozess wie der Lebensdauer einer Art keinen Anspruch auf die Erreichung des Erwartungswerts! Gerne träumen manche ja davon, dass die Menschheit den Planeten verlässt, die Erde vor der Roter-Riese-Phase der Sonne in Sicherheit bringt und irgendwie ewig weiter existiert. Das ist jedoch ein sehr unwahrscheinliches Szenario. Entweder sterben wir aus – oder die Evolution formt aus uns neue Arten. Es ist keinesfalls ausgemacht, dass wir die beherrschende Stellung im irdischen Ökosystem für lange Zeit beibehalten können. Eine größere ökologische oder militärische Katastrophe kann unsere Zivilisation zerstören, unsere Population radikal verkleinern und uns weit zurückwerfen in eine prätechnologische Zeit.

"Missing Link"

Was fehlt: In der rapiden Technikwelt häufig die Zeit, die vielen News und Hintergründe neu zu sortieren. Am Wochenende wollen wir sie uns nehmen, die Seitenwege abseits des Aktuellen verfolgen, andere Blickwinkel probieren und Zwischentöne hörbar machen.

Nüchtern betrachtet, sieht es für uns eher mau aus. Wir führen gerade durch die Verbrennung fossiler Rohstoffe ein sechstes Massensterben herbei, welches unsere Lebensgrundlage ultimativ zerstören könnte. Noch nie in der Geschichte der Erde hat sich ein so schneller Temperaturanstieg ereignet, und er triggert gerade Kipppunkte, die irreversibel sind, zum Beispiel das Schmelzen des grönländischen Eisschildes, der Verlust des arktischen Meereises, das Absterben des Amazonas-Regenwalds und das Verebben des Golfstroms. Schon heute erreicht die Temperatur in äquatornahen Ländern Werte von 50 °C, eine lebensgefährliche Temperatur – langfristig dürften die Tropen unbewohnbar werden. Der Meeresspiegel würde bei einem 5°C-Anstieg um etwa zwei bis vier Meter pro Jahrhundert in den kommenden 1000 Jahren auf 25-50 m über dem jetzigen Pegel ansteigen und unsere Küstenlinien völlig verändern. Konflikte und große Flüchtlingsströme werden unvermeidlich sein.

Massenvernichtungswaffen sind nicht mehr aus der Welt zu bekommen und die Vorstellung, dass diese stets unter der Kontrolle besonnener Politiker bleiben, wird aktuell ad absurdum geführt, nachdem die Drohung damit gerade wieder in Mode gekommen zu sein scheint. Ich würde keinen Kasten Bier darauf wetten, dass unsere Zivilisation die nächsten tausend Jahre übersteht… Wie dem auch sei, die Menschheit wird, so wie sie sich aufführt, früher oder später irgendwann von der Bildfläche verschwinden und anderen Spezies Platz machen. Falls irgendjemand einmal die Erde durch Verschiebung ihres Orbits nach außen vor der wachsenden Sonne retten sollte – es wird mit großer Sicherheit kein Mensch mehr sein.

Wissenschaftler haben berechnet, wie viel Zeit es brauchen wird, bis sich das jetzt bereits in der Atmosphäre befindliche, überschüssige CO₂ aus fossiler Verbrennung wieder durch natürliche Prozesse abgebaut hat: Es dauert 100.000 Jahre, bis 90 Prozent abgebaut sind. 2 Millionen Jahre wird es dauern, bis die Versauerung der Meere durch Kohlensäure wieder auf vorindustrielle Werte gesunken ist, und nach 10 Millionen Jahren könnte sich die Biodiversität erholt haben und sozusagen endgültig Gras über das Anthropozän gewachsen sein. Zumindest oberflächlich. Bis die fossilen Rohstoffquellen Öl, Gas und Kohle wieder hergestellt sind, würde es nämlich sogar 400 Millionen Jahre dauern. Fast so lange, wie es höheres Leben auf der Erde gibt.

Die Kontinentaldrift der tektonischen Platten wird dafür sorgen, dass in 10 Millionen Jahren Afrika entlang des Rift-Valleys aufreißen und Ostafrika zu einer großen Insel werden wird. Nachdem sich die Straße von Gibraltar geschlossen hat und das Mittelmeer ausgetrocknet ist, wird sein leeres Becken schließlich gänzlich verschwinden, weil Nordafrika mit der Eurasischen Platte kollidieren und in den kommenden 50 Millionen Jahren ein Gebirge mit den Dimensionen des Himalayas auftürmen wird. Nach 250 bis 350 Millionen Jahren werden sich alle Kontinente wieder zu einem Superkontinent mit Extremklima im Zentrum vereinigt haben. Dieser wird schließlich wieder, wie schon mehrfach in der Vergangenheit, zerbrechen und die Kontinente werden, angetrieben durch die Konvektion im Erdmantel, welche die Wärme aus dem heißen Zentrum nach außen transportiert, weiterhin ruhelos über die Erdoberfläche streifen.

Nach 500 bis 600 Millionen Jahren dürfte mit zunehmender Abkühlung des Erdinneren die Plattentektonik dann allmählich zur Ruhe kommen und damit auch der Vulkanismus, der die Atmosphäre mit aus Gestein gelöstem Kohlendioxid anreichert. Stattdessen wird durch Verwitterung das restliche atmosphärische Kohlendioxid in Kalkgesteinen gebunden werden. Damit wird Photosynthese unmöglich und alles pflanzliche Leben geht zugrunde. Damit wird aber auch die Produktion von Sauerstoff unterbunden und höheres Leben stirbt spätestens 100 Millionen Jahre nach den Pflanzen aus, wenn es nicht vorher schon durch den Zusammenbruch der auf Pflanzen gestützten Nahrungsketten kollabiert ist. In 800 bis 900 Millionen Jahren werden höchstens noch Einzeller die Erde bevölkern; positiv ausgedrückt bedeutet das aber auch, dass das tierische Leben auf der Erde somit heute noch nicht einmal die Hälfte seines Daseins hinter sich hat!

Durch die Ansammlung von Helium-"Asche" im Kern der Sonne wird der dortige Wasserstoff zunehmend verdünnt und so nimmt die Fusionsrate allmählich ab. Der von dort ausgehende Strahlungsdruck wird folglich kleiner, die darüber liegenden Schichten erfahren weniger Gegendruck und werden durch die Schwerkraft stärker verdichtet, sodass sich die Fusionszone allmählich weiter nach außen ausdehnt und mehr Sonnenvolumen an der Fusion teilnimmt. Damit wird die Sonne an der Oberfläche allmählich immer heißer. Das Leben auf der Erde wird sich dereinst in Richtung der Pole und in die Ozeane zurückziehen müssen.

Durch verstärkte Verdunstung wird die Erde nach 1,1 Milliarden Jahren ein feuchtes Treibhaus werden. In etwa 2 Milliarden Jahren beginnen dann die Ozeane zu verdampfen und lassen bei weiter ansteigender Leuchtkraft der Sonne die Erde zur zweiten Venus werden, denn Wasserdampf ist ein starkes Treibhausgas. Damit wird das letzte Leben von der Erdoberfläche verschwinden und unser Planet aus der nach außen wandernden habitablen Zone der Sonne entwichen sein. Dies geschieht lange bevor die Sonne zum Roten Riesen werden wird.

Stattdessen wird der Mars von 1,6 bis 6,5 Milliarden Jahren in der habitablen Zone weilen. Leider hat er seine Atmosphäre schon größtenteils ins All verloren und sie wird auch nicht wiederkehren – die Polkappen und das unter der Oberfläche gebundene Eis reichen dafür bei Weitem nicht aus. In der habitablen Zone zu verweilen, ist für einen Planeten eine notwendige, aber keinesfalls hinreichende Bedingung für seine tatsächliche Habitabilität.

Größenvergleich der heutigen Sonne und der Sonne in ihrer maximalen Ausdehnung als Roter Riese.

(Bild: Wikimedia Commons, Oona Räisänen, CC BY-SA 3.0)

Derweil hat sich die Fusionszone im Inneren der Sonne vollständig in eine Schale um den mit Helium angereicherten Kern verlagert. Dies sorgt dafür, dass das fusionierende Volumen und damit der Energieumsatz der Sonne weiter ansteigen, was die Hülle unseres Sterns aufbläht und durch die nun größere Oberfläche effizienter Hitze abstrahlen lässt. Dies sorgt für eine Abnahme der Transparenz des solaren Plasmas (Astronomen sprechen von zunehmender "Opazität"; Opazität ist das Antonym von "Transparenz") und damit einhergehend für einen Umschwung des Wärmetransports von Wärmestrahlung zur Konvektion. Wärmetransport per Konvektion ist weniger effizient als via Strahlung, und dies führt dazu, dass sich die äußeren Schichten der Sonne in 6,5 Milliarden Jahren stark aufzublähen beginnen. Binnen der folgenden Milliarde Jahre wird die Sonne auf das fünfzigfache ihres heutigen Durchmessers wachsen und dabei die inneren Planeten verschlingen, möglicherweise auch die Erde.

Was diese jedoch retten könnte, ist der große Massenverlust der Sonne, der mit der Expansion einhergeht. Ihre äußere Atmosphäre ist wegen der großen Entfernung zum Schwerpunkt kaum noch gravitativ gebunden, bildet nur noch ein extrem dünnes, elektrisch leitendes Gas, das durch selbst induzierte Magnetfelder leicht ins umgebende Weltall katapultiert wird. Die Sonne hüllt sich allmählich in eine Wolke aus Gas und Staub. Ihr Massenverlust lässt die Erdbahn weiter nach außen wandern. Dennoch wird die 3500 °C heiße Sonnenoberfläche eine riesige Fläche des Erdhimmels bedecken, die Erdoberfläche zu Lava aufschmelzen lassen und ihre Atmosphäre wegblasen – ein Höllenplanet.

Besser sieht es weiter draußen aus. Da die habitable Zone schließlich bis zum Jupiter reichen wird, werden die Eispanzer der großen Jupitermonde Europa, Ganymed und Kallisto aufschmelzen und verdunstende Gase ihnen vorübergehend Atmosphären bescheren. Vielleicht gibt es dort einfache Lebensformen, die durch die unverhoffte Energiezufuhr noch einmal aufblühen werden, aber zur Entwicklung komplexen Lebens auf der Basis von Photosynthese und Sauerstoff wie auf der Erde wird die Zeit wohl nicht reichen. Zudem beschleunigt Jupiters enormes Magnetfeld die Teilchen des Sonnenwinds auf hohe Energie, die unablässig als radioaktive Strahlung auf die Monde einprasseln, was für die Entwicklung von Leben an der Oberfläche der Monde äußerst schädlich sein dürfte. Radioaktive Bestrahlung ist schließlich eine effektive Methode zur Abtötung von Keimen.

In 7,5 Milliarden Jahren, bei einem Alter von knapp 12 Milliarden Jahren, erreicht die Temperatur des in sich zusammensinkenden Kerns der Sonne den kritischen Punkt von etwa 100 Millionen Kelvin, ab welchem Helium zu Kohlenstoff und Sauerstoff fusioniert. Die Fusion setzt bei Sternen von Sonnenmasse schlagartig ein – man spricht vom "Helium-Blitz", der binnen Sekunden die Leistung von 10 Milliarden Sonnenleuchtkräften freisetzt, der jedoch verblüffenderweise von außen völlig unsichtbar im Inneren des Sterns verpufft. Die Sonne schrumpft daraufhin äußerlich wieder, da der Wärmetransport aufgrund der erhöhten Temperatur wieder über den größten Teil des Radius effizient durch Strahlung erfolgt. Binnen der folgenden 250 Millionen Jahre verlagert sich auch die Heliumfusionszone nach außen und die Sonne wächst erneut zum Riesenstern.

Schließlich brennt die Heliumfusion in einer Schale um den nun heliumarmen Kern aus Sauerstoff und Kohlenstoff. Die Sonne hat so viel Masse verloren, dass die Fusion mangels ausreichenden Drucks von oben ins Stottern kommt: Sie erleidet sogenannte thermische Pulse, während derer sie besonders große Massemengen auswirft. Schließlich bleibt nur noch der nackte, immer noch 100 Millionen Kelvin heiße, erdgroße Kern übrig, der mit seiner ultravioletten Strahlung das zuvor ausgestoßene Gas in seiner Umgebung zum Leuchten anregt: Die Sonne ist zu einem Weißen Zwerg geworden, umgeben von einem leuchtenden "planetarischen Nebel". Die heißen so, weil die oft kreisrunden, fahlen Scheibchen die Astronomen des 18. Jahrhunderts an den Teleskopanblick des Planeten Uranus erinnerten. Mit Planeten haben sie allerdings nichts zu tun.

Der Katzenaugennebel NGC 6543 ist ein besonders schöner planetarischer Nebel. Im Zentrum des Nebels erkennt man den Weißen Zwerg, der bei der Entstehung des Nebels zurückblieb. Auch die Sonne wird am Ende ihres Lebens einen solchen planetarischen Nebel erzeugen, wenn sie vom Roten Riesen zum Weißen Zwerg schrumpft. Er wird jedoch wohl nicht so schöne Strukturen entwickeln wie NGC 6543 – die hat vermutlich ein den Weißen Zwerg umlaufender Begleitstern dem entweichenden Gas aufgeprägt. Aufnahme des Hubble-Weltraumteleskops aus dem Jahr 1995 (Rotkanal: H-Alpha 656,3 nm, Grünkanal: NII 658,4 nm, Blaukanal: OI 630 nm).

(Bild: NASA, ESA, and the Hubble Heritage Team (STScI/AURA)-ESA/Hubble Collaboration. Acknowledgement: B. Whitmore (Space Telescope Science Institute) and James Long (ESA/Hubble))

Mit der Sonne passiert nun lange Zeit nicht mehr viel. Der planetarische Nebel verliert sich schnell und der Weiße Zwerg kühlt allmählich zu einem Schwarzen Zwerg ab, der schließlich nicht mehr nennenswert Wärmestrahlung von sich gibt. Solche kann es im heutigen Universum noch nicht geben, weil die Abkühlung mindestens eine Trillion (1015) Jahre dauert.

Weiter draußen zeichnet sich heute schon eine Entwicklung ab, die unsere Milchstraße völlig verändern wird. Die große Spiralgalaxie in der Andromeda, auch Messier 31 oder kurz M31 genannt, ist eine der wenigen Galaxien mit einer Blauverschiebung: Sie nähert sich der Milchstraße, statt sich von ihr zu entfernen. Das liegt nicht an einer Anomalie der kosmischen Expansion, sondern daran, dass sie mit den anderen Galaxien der Lokalen Gruppe und auch der Milchstraße gravitativ gebunden ist: die Galaxien bewegen sich umeinander herum und aufeinander zu. M31 kommt uns dabei fast frontal mit 110 km/s entgegen.

2020 hat der Nachweis von neutralem Wasserstoffgas in der Umgebung der Andromedagalaxie im Durchlicht dahinter liegender ferner Quasare ergeben, dass dieses Gas die Andromedagalaxie bis zur halben Entfernung zur Milchstraße umhüllt. Unter der Annahme, dass die Milchstraße bei vergleichbarer Größe und Masse in einen ähnlich großen Halo gehüllt ist, berühren sich die beiden Halos der 2,5 Millionen Lichtjahre voneinander entfernten Galaxien bereits, die Kollision hat schon begonnen. In 2 Milliarden Jahren streifen sich die beiden Galaxien das erste Mal, fallen durcheinander hindurch und entfernen sich wieder, um danach erneut unter der Wirkung ihrer wechselseitigen Schwerkraft aufeinander zuzustürzen.

Nach einigen wenigen solchen Begegnungen verschmelzen sie schließlich zu einer Riesengalaxie, in welche dann später voraussichtlich noch die kleinere Triangulum-Spiralgalaxie M33 hineinstürzen wird. Die Sterne in den Galaxien werden aufgrund ihrer riesigen Entfernungen so gut wie niemals direkt miteinander kollidieren, aber ihre Umlaufbahnen werden massiv verändert. Es besteht eine 50-prozentige Chance, dass die Sonne auf einer Bahn mit dreimal größerem Radius um das Zentrum der neuen Galaxien enden wird, sowie eine 12-prozentige, dass sie gänzlich aus dieser herausgeschleudert wird. Abgesehen von einem langfristig sternenärmeren Himmel hätte das allerdings keine weiteren Konsequenzen für die – bis dahin längst leblose – Erde.

Die Antennengalaxien NGC 4038 und 4039, zwei kollidierende Spiralgalaxien in 75 Millionen Lichtjahren Entfernung, nehmen die Kollision der Milchstraße und der Andromedagalaxie schon heute vorweg. Die Spiralarme sind völlig zerrissen und auf Aufnahmen mit größerem Blickfeld sieht man zwei extrem in die Länge gezogene Spiralarme antennenartig nach außen laufen, die den Galaxien ihren Spitznamen gaben. Man erkennt dunkle Bänder aus Staub, die rasch zu Sternentstehungsgebieten kollabieren und einen sogenannten "Starburst" auslösen. Rosafarbene Zonen zeigen Gebiete aktiver Sternentstehung an, denn hier regt das Licht junger blauweißer Sterne das umgebende Gas zum Leuchten an. Aufnahme des Hubble-Weltraumteleskops aus dem Jahr 2006.

(Bild: J.P. Harrington and K.J. Borkowski (University of Maryland), and NASA, CC BY.4.0)

In dem Gewimmel der Sterne werden die zentralen, supermassereichen Schwarzen Löcher der Galaxien nach innen sinken. Dabei werden sie etliche Sterne, die ihnen nahekommen, nach außen und zum Teil in den intergalaktischen Raum katapultieren. Am Ende werden sie unter Aussendung von Gravitationswellen die restliche Bewegungsenergie abbauen und nach wenigen Millionen Jahren miteinander verschmelzen.

Während die Sterne unbeschadet aus der Galaxienkollision hervorgehen werden, wird das Gas heftig zusammenprallen und einen "Starburst" auslösen, der das gesamte verbliebene Gas in Sterne verwandeln wird. Die kurzlebigen, massiven, blauen Sterne werden binnen weniger zehn Millionen Jahre wieder verschwunden sein, und daher wird die neue Riesengalaxie ein gelblich leuchtender, elliptischer Blob aus alternden Sternen werden, in dem keine neuen Sterne mehr entstehen können. In etwa so wie M87, die berühmte Galaxie mit dem abgebildeten Schwarzen Loch. In 5 Milliarden Jahren werden die Milchstraße und die Andromedagalaxie Geschichte sein.

Tatsächlich ist der in den Galaxien verfügbare Wasserstoff bereits zu 95 Prozent in Sternen gebunden. Nur Sterne von mehr als 10 Sonnenmassen, die am Ende ihres Lebens als Supernova explodieren, geben bereitwillig den größten Teil ihres Gases zurück an die Sternengemeinschaft, sodass es in der nachfolgenden Generation recycelt werden kann. Sie sind jedoch selten: auf 200 Sterne der Masse der Sonne kommt nur ein Stern von 10 Sonnenmassen.

Sterne wie die Sonne verlieren etwa die Hälfte ihre Masse in der Phase als Roter Riese. Sterne von weniger als einer halben Sonnenmasse, die sogenannten Roten Zwerge, die fast 80 Prozent aller Sterne ausmachen, werden jedoch niemals zu Roten Riesen und behalten ihr Material gänzlich für sich. Sie bilden die Energieeffizienzklasse A+++ unter den Sternen: bei ihnen läuft die Fusion auf Sparflamme, sodass sie bei Temperaturen von 3000 K nur rötlich glimmen. Rote Zwerge sind solche Funzeln, dass selbst der nächste unter ihnen, Proxima Centauri, zugleich der uns nächstgelegene Stern nach der Sonne überhaupt, nur im Teleskop zu sehen ist. Zudem sind sie aufgrund ihrer niedrigen Temperatur tief konvektiv, das heißt, der Wärmetransport nach außen beruht auf einer Umwälzung des gesamten Sterneninneren bis hinunter zur Fusionszone.

Damit steht ihnen ihr gesamter Wasserstoffvorrat für die Fusion zur Verfügung – anders als bei massereicheren Sternen, bei denen stets eine nicht-konvektive Zone mit Strahlungstransport existiert, die einen Teil der Sternenmasse von der Fusionszone abschneidet. Damit sind die Roten Zwerge die langlebigsten Sterne im Universum. Sterne von ¼ Sonnenmasse leuchten ungefähr eine Billion (1012) Jahre lang, solche an der unteren Massengrenze von 8 Prozent der Sonnenmasse zwölf Billionen Jahre – rund eintausend Mal länger als die Sonne!

Während ihres Lebens schrumpfen sie fortwährend: während sich ihre Fusionszone wie bei der Sonne in eine nach außen wandernde Schale verlagert (ihr Kern es jedoch nie bis zur Heliumfusion schafft), schrumpfen sie, sodass sie den zur Fusion nötigen Druck aufrechterhalten können. Bevor die Fusionszone die Oberfläche erreicht, wird letztere naturgemäß heißer, da nur noch wenig darüber liegendes Gas den stellaren Ofen abschirmen und seine Energie zerstreuen kann. Dadurch wird der Stern heller und leuchtet bläulich weiß – ein sogenannter "Blauer Zwerg" entsteht. Am Ende verlischt die Fusion knapp unter der Oberfläche des auf etwas mehr als Erdgröße geschrumpften Sterns, der nun größtenteils aus Helium besteht – ein Weißer Zwerg, der ohne Umweg über einen Roten Riesen auf die flüchtige Zierde eines Planetarischen Nebels verzichten muss, und am Ende wie alle Weißen Zwerge binnen einer Trillion Jahre zum Schwarzen Zwerg auskühlen wird.

Die Anreicherung des Gases mit schweren Elementen wird dafür sorgen, dass am Ende sogar noch Sterne von nur 4 Prozent der Sonnenmasse entstehen und dauerhaft Wasserstoff fusionieren können. Solche Sterne werden so wenig Energie produzieren, dass in ihren Atmosphären Eiswolken schweben könnten und sie für das bloße Auge völlig unsichtbar wären. Nur Teleskope für den Infrarotbereich könnten sie aufspüren, ähnlich den heutigen "Braunen Zwergen", deren Wärmeabstrahlung nicht aus Fusionsprozessen, sondern aus ihrer Schrumpfung gespeist wird (man hat auch schon Braune Zwerge mit Zimmertemperatur an der Oberfläche aufgespürt). Solche extrem massearmen Sterne könnten noch einmal tausendmal länger als die Roten Zwerge "leuchten".

Damit ist der zukünftige Weg der Galaxien vorgezeichnet: Da das allermeiste Gas aus vorangegangenen Sternengenerationen in der Sackgasse "Rote Zwerge" endet, wird die Sternenentstehung sich stetig verlangsamen und die Galaxien werden an Leuchtkraft verlieren, bis sie schließlich verlöschen. Derweil treibt die Raumexpansion die Galaxien immer weiter auseinander, die beschleunigte Expansion sorgt dafür, dass ihr Licht immer weiter rotverschoben wird, bis nach 2 Billionen Jahren alle Galaxien jenseits der Lokalen Gruppe am Himmel verschwunden sein werden. Die Galaxien der Lokalen Gruppe werden wiederum mit der aus Milchstraße und Andromedagalaxie entstandenen Riesengalaxie verschmelzen.

Möglicherweise noch bevor die Sterne endgültig verloschen sind, könnten jedoch zwei Dinge mächtig schiefgehen: Das erste Ereignis ist ein möglicher Vakuumzerfall. Die derzeitige beschleunigte Expansion des Universums deutet darauf hin, dass unser Vakuum sich nicht im niedrigstmöglichen Energiezustand befinden könnte. Wir erinnern uns an Teil 5 dieser Reihe über die kosmologische Inflation: Zu Beginn des Universums fiel das inflationäre "falsche" Vakuum, das sich durch eine immens hohe Energiedichte auszeichnete, auf den niederenergetischeren Zustand unseres "Dunkle-Energie-Vakuums" herunter und setzte dabei eine riesige Energiemenge frei, aus der die Materie (und Dunkle Materie) in unserem Universum hervorging. Nach der Inflationstheorie sollen dabei auch die Naturkonstanten festgelegt worden sein, deren bisher aus keiner Theorie ableitbaren Werte die Existenz von Materie, Atomen, Sternen und nicht zuletzt uns selbst überhaupt erst ermöglichen. Man nennt den Übergang vom falschen Vakuum zum (vermeintlich) echten auch den "Zerfall des falschen Vakuums".

Stabilitätsdiagramm des Vakuumzustands auf der Basis des Standardmodells der Elementarteilchenphysik. Auf der waagerechten Achse ist die Masse des Higgs-Bosons aufgetragen, auf der senkrechten die des Top-Quarks. Beide Größen sind bestimmend für die Stabilität des Vakuums: der grüne Bereich in der Grafik ist absolut stabil, der rote so instabil, dass das Vakuum heute schon zerfallen sein müsste. Dazwischen liegt eine gelbe Zone, die metastabil ist, das heißt nur für eine begrenzte Zeit stabil. Der Stern markiert die Position der experimentell bestimmten Massen mh des Higgs-Teilchens und mt des Top-Quarks; die drei Ellipsen markieren 1σ (68 Prozent), 2σ (95 Prozent) und 3σ (99 Prozent) Konfidenzintervalle. Wenn das Standardmodell korrekt ist, ist die Wahrscheinlichkeit groß, dass unser Vakuum nicht dauerhaft stabil ist.

(Bild: Tommi Markkanen, Arttu Rajantle, CC BY)

Wenn nun aber unser Vakuum noch immer eine positive Energiedichte hat, die sich als Dunkle Energie oder im Casimir-Effekt zeigen, so wäre es möglich, dass das Vakuum nochmals zerfallen könnte. Mit allen Konsequenzen. Die da wären: Freisetzung von großen Mengen an Strahlung, neue Abstimmung der Naturkonstanten, dadurch unvermeidliche Desintegration der Materie. Der Übergang könnte irgendwo an einem zufälligen Ort spontan beginnen und dann den umgebenden Raum erfassen. Ein Feuerball würde sich kugelförmig ausbreiten und alle Materie zerstören, die er passieren würde. Man sähe diesen Feuerball nicht näherkommen, denn er würde sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten. Man würde auch die eigene Desintegration nicht mitbekommen, denn die Übertragungsgeschwindigkeit der Nervenzellen und die Reaktionsfähigkeit des Hirns wäre viel langsamer als die vollständige Umwandlung des Körpers in Strahlung; man wäre noch schneller Geschichte als im Zentrum einer thermonuklearen Explosion. Die Leserschaft mag beruhigt sein: Es wäre ein schmerzloses Ende, das man nicht bewusst mitbekommen könnte.

Tatsächlich sprechen die Massen des Top-Quarks und des Higgs-Bosons dafür, dass die elektroschwache Wechselwirkung (die den Elektromagnetismus und die schwache Kernkraft in sich vereint) eine metastabile Kraft sein könnte. Das bedeutet, dass sie langlebig, aber nicht unendlich lange stabil sein könnte. Wir reden hier allerdings von einem Zeitraum von mindestens 20-30 Milliarden Jahren, nach Coleman & De Luccia (1980) sogar 10100-10500 Jahren. Also nichts, worüber wir uns derzeit Gedanken machen müssten.

Das andere Ding ist ein Big-Rip-Szenario. Messungen der aktuellen Hubble-Lemaître-Konstanten ergeben zwei verschiedene Werte, je nachdem, ob man sie in der Hintergrundstrahlung / großräumigen Struktur des Universums oder im nahen Universum mit Hilfe von Supernovae misst. Im ersten Fall ergibt sich ein Wert von 67,66±0,42 km s⁻¹ Mpc⁻¹ (PLANCK, 2018), im zweiten von 73,3±1,4 km s⁻¹ Mpc⁻¹ (SH0ES, 2021). Die Werte liegen so weit auseinander und die Fehlerbalken der Messungen sind so klein, dass zufällige Messfehler auszuschließen sind. Beide Ergebnisse sind zudem konsistent für unabhängige Messungen auf der Basis anderer Methoden im jeweiligen Entfernungsbereich, sodass auch systematische Fehler nicht in Frage kommen. Folglich scheint sich das Expansionsgesetz geändert zu haben, welches im ΛCDM-Modell von einer konstanten Materiemenge und einer unveränderlichen Expansionsrate des Vakuums ausgeht. Möglicherweise enthält das tatsächliche Expansionsgesetz einen Anteil, der aus der vermeintlichen kosmologischen Konstanten, für die wir die Dunkle Energie derzeit noch halten, eine zeitlich ansteigende Phantomenergie macht.

Modelliert wird eine Phantomenergie durch eine Gleichung w = p/ρ, genannt "Zustandsgleichung der Dunklen Energie". Der Wert w gibt das Verhältnis von Druck zur Vakuumenergiedichte an. Wir erinnern uns an den Artikel zur Dunklen Energie, in welchem wir davon ausgingen, dass w = -1 ist, da p = -ρ (der Druck ist genauso groß wie die Energiedichte, aber negativ), was zu einer konstanten Expansionsrate führt, einer kosmologischen Konstanten. w muss aber nicht -1 sein – falls w größer als -1 wäre, dann würde die Expansionsrate mit der Zeit fallen. Ist jedoch w kleiner als -1, dann würde sie steigen und langfristig in einem Big-Rip-Szenario enden. Die Messungen des Planck-Satelliten an der Hintergrundstrahlung ergeben w= -1,028±0,032 – was verträglich mit einer kosmologischen Konstanten ist, aber auch zulässt, dass die Dunkle Energie eine Phantomenergie ist, die das Universum nach (frühestens) 80 Milliarden Jahren in ein Big Rip führt.

Der würde (ausgehend von w = -1,028) ungefähr so ablaufen:

  • Rund 14,7 Milliarden Jahre vor dem Big Rip würden die Galaxienhaufen auseinanderfallen.
  • 900 Millionen Jahre vor dem Big Rip würde die Milchstraße ihre Sterne nicht mehr halten können.
  • 3 Jahre und 8 Monate vor dem Big Rip würden die Planeten aus dem Sonnensystem hinausfliegen.
  • 7 Stunden und 20 Minuten vor dem Big Rip würde die Erde auseinanderfallen.
  • 10-18 Sekunden vor dem Big Rip würden Atome zerfallen.
  • Und beim Big Rip würde schließlich jegliches zusammengesetzte Teilchen dissoziiert und am Ende alle noch vorhandene Strahlung zu Wellenlängen auseinandergezogen, die den kosmologischen Horizont überträfen und somit nicht mehr nachweisbar wären.

Vermutlich wäre das eigene Ableben hier, falls man es erlebte, deutlich unangenehmer als beim Vakuumzerfall. Aus vorgenannten Gründen wird dieses Schicksal jedoch keinem Menschen widerfahren.

Gehen wir im Folgenden davon aus, dass beides nicht vor dem jeweils Beschriebenen eintritt.

Die meisten heutigen Sterne sind nach 2 Billionen Jahren verloschen und selbst die Gammastrahlung der Galaxien jenseits der (ex-) Lokalen Gruppe ist so weit rotverschoben, dass ihre Wellenlänge größer als die des beobachtbaren Universums ist. Damit sind sie nicht mehr nachweisbar.

Ganze 100 Billionen Jahre (1014) dauert es jedoch, bis auch die allerletzten Sterne entstanden und wieder verloschen sind. Damit beginnt nach der dunklen Phase vor der Entstehung von Galaxien erneut ein dunkles Zeitalter des Universums. Es findet nun keine Sternentstehung mehr statt, sämtliche Materie ist in Asteroiden, Planeten oder Sternüberresten gebunden.

Deren gibt es nun noch:

  • Schwarze Zwerge, also ausgekühlte Weiße Zwerge, die als Überreste von sonnenähnlichen Sternen oder Roten Zwergen verbleiben,
  • Neutronensterne, die als Supernovareste von Sternen zwischen 10 und 20 Sonnenmassen übrig bleiben,

welche zusammenfassend unter dem Begriff "entartete Sterne" geführt werden. Daneben gibt es noch stellare und supermassereiche Schwarze Löcher; erstere als Supernovareste von Sternen über 20 Sonnenmassen, letztere Objekte von Millionen bis Milliarden Sonnenmassen, die in den Zentren der Galaxien ruhen und mit ihnen entstanden sind. Zwar ist es nun extrem dunkel im All, aber gelegentlich erhellt noch ein kurzer Funken die ewige Nacht. Sich umkreisende binäre Schwarze Zwerge, Neutronensterne, oder Kombinationen solcher (zusammengefasst unter dem Begriff "doppelt entartete Binärsysteme", engl. Double Degenerate Binaries) werden durch die Abstrahlung von Gravitationswellen Bahnenergie verlieren und sich einander annähern, bis sie kollidieren und verschmelzen.

Kleinere Schwarze Zwerge bilden vermutlich AM Canum Venaticorum-Systeme, benannt nach dem Stern AM in Sternbild Jagdhunde (Canes Venatici), bei denen ein Stern den anderen anzapft und Materie entweder in eine Akkretionsscheibe fließt oder direkt auf den anderen Stern stürzt. Dabei entstehen kleine Nova-Ausbrüche, thermische Strahlung, die beim Aufprall von Materie auf den Stern frei wird. Schließlich wird der kleinere Begleiter durch die Gezeitenkräfte des größeren zerrissen und kann eine Hülle um den massereicheren bilden, die ihn zu einem R Coronae Borealis-Stern werden lässt, einem gelben Überriesenstern, der frei von Wasserstoff ist – diesen haben die Vorläufersterne bei ihrer Entwicklung von Roten Riesen zu Weißen Zwergen als planetarischen Nebel in das All gepustet. Stattdessen umgibt den Stern eine Hülle aus Helium- oder Sauerstoffgas, und in seinem Inneren können wieder Fusionsprozesse stattfinden. Ein paar solcher Sterne gibt es heute schon, etwa 100 von ihnen sind bekannt. Man geht davon aus, dass ungefähr 10 Prozent aller Sterne in solchen Systemen enden werden.

Schwarze Zwerge, deren Massensumme das Chandrasekhar-Limit von 1,4 Sonnenmassen überschreitet, formen nach einer möglichen Zwischenstufe als blauweißer Wolf-Rayet-Stern ein Objekt, das zum Neutronenstern kollabiert und dabei als Supernova vom Typ Ia explodiert, ohne einen Neutronenstern zurückzulassen. Diese Supernovae sind als Standardkerzen zur Entfernungsbestimmung im nahen Universum bekannt – sie leuchten Milliarden Lichtjahre weit. Normalerweise entstehen sie, wenn ein Weißer Zwerg von einem Begleitstern, meist einem Stern, der zum Roten Riesen angeschwollen ist, Materie abzapft, die sich auf seiner Oberfläche ansammelt, bis er schließlich beim Erreichen der Chandrasekhar-Masse zum Neutronenstern kollabiert, der jedoch bei der Explosion zerrissen wird. Die Verschmelzung von Weißen Zwergen wird schon seit einigen Jahren als alternatives Entstehungsszenario diskutiert und würde die Entfernungsmessung verfälschen, denn solche Objekte haben nicht notwendigerweise exakt die Chandrasekhar-Masse beim Kollaps und weichen somit von der Standardhelligkeit ab.

Auch Neutronensterne können verschmelzen. Für manchen überraschend dürfte sein, dass hierbei nur eine Mini-Supernova entsteht, eine "Kilonova". Kilonovae gibt es auch im heutigen Universum und das LIGO/VIRGO-Gravitationswellenereignis GW170817, das auch als Gammastrahlenausbruch und im Optischen beobachtet worden ist, war offenbar eine solche Kilonova in vielleicht 100 Millionen Lichtjahren Entfernung. Neutronensterne enthalten, wie der Name nahelegt, nicht viele Protonen und so können bei ihrem Verschmelzen keine gewöhnlichen Fusionsreaktionen wie bei Kernkollaps- oder Ia-Supernovae stattfinden, sondern die entstehenden Atomkerne lagern stattdessen rasch sehr viele Neutronen an, die sich dann zum Teil unter Aussendung von Elektronen und Neutrinos zu Protonen umwandeln. Solche Kilonovae sind höchstwahrscheinlich die Quelle der meisten Elemente schwerer als Eisen, zum Beispiel von Gold, Silber und Platin, aber auch Uran. Wer Schmuck trägt, führt also die Überreste zweier verschmolzener Neutronensterne mit sich.

Zwei Neutronensterne verschmelzen unter Aussendung von Gravitationswellen und explodieren als Kilonova in einer Animation des Goddard Spaceflight Centers. Man erkennt in der Simulation, wie die zusätzlich in Blau hervorgehobenen (in der Realität natürlich unsichtbaren) Gravitationswellen die Sterne im Hintergrund verzerren. Bei der Explosion entsteht durch die extrem starken Magnetfelder der Neutronensterne ein Jet, der Materie entlang der Hauptachse des Magnetfelds auf fast Lichtgeschwindigkeit nach außen beschleunigt und umgebendes Gas zum Leuchten bringt.

Völlig im Dunklen finden die Kollisionen von Schwarzen Löchern statt. Wenn diese sich nicht mehr in Akkretionsscheiben aus aufgesammeltem Gas hüllen, sind sie völlig finster, und da sich bei Ihrer Verschmelzung nur Zonen extremer Raumzeitkrümmung vereinigen, geschieht dies ohne jegliches Feuerwerk. Lediglich Gravitationswellen von unglaublicher Energie donnern durch das Universum. Die Gravitationswellenteleskope LIGO und VIRGO haben dutzende solcher Verschmelzungen beobachtet und ermittelt, dass dabei manchmal das Energieäquivalent mehrerer Sonnenmassen als Gravitationswellen abgestrahlt wird, weshalb man sie durch das halbe heutige beobachtbare Universum nachweisen kann.

Zu Beginn werden viele der degenerierten Sterne noch von Planeten umkreist, die mit der Zeit durch Sternbegegnungen aus ihren Umlaufbahnen gerissen werden, oder die durch die Abstrahlung von Gravitationswellen allmählich Energie verlieren und in die Sternüberreste stürzen. Dieser Prozess entspricht demjenigen bei der Verschmelzung von Neutronensternen und Schwarzen Löchern, ist jedoch wegen der kleinen Planetenmassen weit weniger effizient – die von der Erde derzeit als Gravitationswellen abgestrahlte Leistung entspricht derjenigen einer Glühlampe. Der Prozess findet nichtsdestotrotz statt, er dauert nur lange. Nach 1015 Jahren gibt es kaum noch gebundene Planeten.

Sternbegegnungen haben noch einen anderen Effekt: die Objekte tauschen Bewegungsenergie aus, wobei die massereicheren im Schnitt eher Energie abgegeben und die masseärmeren diese eher aufnehmen. Langfristig führt dies dazu, dass die massiveren Sterne und stellaren Schwarzen Löcher ins Zentrum ihrer Galaxien sinken und teilweise dort vom zentralen Schwarzen Loch verschluckt werden. Diejenigen, die nicht verschluckt werden, rücken enger zusammen, sodass sich der Separationsprozess noch beschleunigt. So verlieren die Galaxien 90 bis 99 Prozent ihrer Sterne, die dann einsam durch die Schwärze gleiten, während der Rest im Schwarzen Loch endet. Somit "verdampfen" die Galaxien allmählich. Ihr Auflösungsprozess dürfte nach 1020 (100 Trillionen = 100 Milliarden Milliarden) Jahren vollendet sein. Es verbleiben als Reste ehemaliger Galaxien ihre auf Galaxienmasse gewachsenen supermassereichen Schwarzen Löcher, sowie weit verstreut durch das All streifende erloschene Sterne, stellare Schwarze Löcher und von ihren Sternen losgelöste Objekte planetarer Masse (Planemos) bis hinunter zu Asteroiden und Staub.

Was im Weiteren passiert, hängt davon ab, ob das Proton stabil ist oder nicht. Einige vereinheitlichende Theorien aus den 1970ern sagten voraus, dass das Proton in ein Positron und ein neutrales Pi-Meson zerfallen kann (welches selbst nach Sekundenbruchteilen in Gammaphotonen zerfällt), und zwar mit einer Halbwertszeit von 1031 – 1036 Jahren. Der als "Protonenzerfall" bekannte Effekt beträfe übrigens auch die in Atomkernen gebundenen Neutronen (freie Neutronen zerfallen ohnehin mit einer Halbwertszeit von 610 Sekunden).

Neuere Berechnungen wie auch Experimente am Super-Kamiokande-Detektor in Japan sehen den Wert mindestens oberhalb von 1034 Jahren, einige SuSy-Modelle sogar bei 1039 Jahren. Um den Protonenzerfall nachzuweisen, braucht man jedoch nicht unbedingt 1039 Jahre zu warten, man kann auch 1039 Protonen (oder besser mehr) ein Jahr lang (oder besser länger) beobachten, dann sollte der eine oder andere Zerfall stattfinden. Eine Tonne Wasser enthält ziemlich genau 6·1029 Protonen und Neutronen, was 6 bis 9 Größenordnungen unter der für den Nachweis eines Zerfalls benötigten Zahl für 1036 bis 1039 Jahre Halbwertszeit des Protonzerfalls liegt.

Man müsste also mindestens eine Million (1 Würfel mit 100 m Kantenlänge), wenn nicht eine Milliarde (1 km³) Tonnen Wasser mehrere Jahre lang beobachten, um ein paar Protonzerfälle nachzuweisen – ein so großes Experiment gab es bisher nicht. Hyper-Kamiokande ist im Bau (Fertigstellung in 2027 geplant) und wird es immerhin auf 520.000 Tonnen reinsten Wassers in zwei 68 Meter durchmessenden und 71 m hoch gefüllten Behältern bringen, die im Inneren mit empfindlichen Photorezeptoren ausgekleidet sind, denen kein Protonenzerfall entgeht. Mit dem Detektor, der auch Neutrinos aus dem Weltall nachweisen soll, wird man die Nachweisgrenze des Protonenfalls gegenüber Super-Kamiokande um zwei Zehnerpotenzen nach oben schieben und vielleicht fündig werden, wenn die Halbwertszeiten nicht zu extrem sind.

Falls die Kernteilchen zerfallen sollten, würden bei einer Halbwertszeit von 1039 Jahren nach längstens 1000 Halbwertszeiten oder 1042 Jahren alle rund 1080 im beobachtbaren Universum enthaltenen Kernteilchen zerfallen sein. Damit wären die verbliebenen Neutronensterne, Schwarzen Zwerge und Planeten zu Neutrinos und Gammastrahlung zerfallen, deren Wellenlänge mit der fortgesetzten Expansion immer größer würde und irgendwann die Größe des beobachtbaren Universums erreichen – spätestens dann wäre sie de facto nicht mehr vorhanden. Nur stabile Leptonen, also Elektronen, Positronen und Neutrinos würden übrigbleiben. Und Schwarze Löcher. Aber auch deren Ära geht schließlich zu Ende.

Schwarze Löcher strahlen höchstwahrscheinlich Hawking-Strahlung ab. Sie ist zwar experimentell nicht direkt nachgewiesen, ihre Existenz ist mit der Gültigkeit der Allgemeinen Relativitätstheorie und der Quantenphysik jedoch zwingend. In einem von Hawking selbst formulierten, vereinfachten Modell für Laien beschreibt er, dass im Vakuum ständig verschränkte, virtuelle Teilchenpaare (ein Teilchen und sein Antiteilchen) aus den Quantenfeldern entstehen und sofort wieder miteinander verschmelzen, ohne etwas zu hinterlassen. Am Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs könnte jedoch ein solches Teilchenpaar getrennt werden und eines der Teilchen den Ereignishorizont passieren, während das andere gerade noch entkommt. Somit fällt die Rekombination aus und das Schwarze Loch strahlt ein reales Teilchen ab, das es vorher nicht gab, und welches eine Masse trägt. Dabei ist es vollkommen gleichgültig, ob es sich um das Teilchen oder das Antiteilchen handelt – beide haben eine positive Masse, die nach Einstein gleichwertig mit einer gewissen Energiemenge ist. Diese Energie muss irgendwo herkommen. Und zwar geht sie dem Schwarzen Loch verloren, weil das hineinfallende Teilchen einen negativen Energiebetrag zum Schwarzen Loch beiträgt.

Die Entstehung von Hawking-Strahlung in 100 Sekunden erklärt.

Die komplexere Erklärung ist, dass nach der Allgemeinen Relativitätstheorie ein beschleunigter Beobachter im Vakuum eine höhere Strahlung messen würde als ein ruhender (der nach William Unruh benannte Unruh-Effekt); ein fortwährend beschleunigtes Thermometer würde wärmer werden als ein ruhendes. Ein Beobachter in der Umgebung eines Schwarzen Lochs müsste fortwährend beschleunigen, um auf der Stelle bleiben zu können, würde somit Strahlung aus der Richtung des Schwarzen Lochs wahrnehmen, und das ist die Hawking Strahlung.

Hawking-Strahlung ist umso stärker, je steiler das Potenzialgefälle des Schwerefelds ist, und das ist gerade bei kleinen Schwarzen Löchern am Ereignishorizont viel stärker als bei großen (aus demselben Grund verursacht der kleine Mond mit seinem geringen, aber nahen und steilen Schwerefeld mehr Ebbe und Flut als die Sonne mit ihrem viel größeren Feld, das über den Durchmesser der Erde viel gemächlicher zunimmt als dasjenige des Mondes). Daher beschleunigt sich die Abstrahlung von Hawking-Strahlung, je kleiner ein Schwarzes Loch geworden ist. Ein Schwarzes Loch von Sonnenmasse würde nur die Strahlung eines Temperaturstrahlers von 60 Milliardstel Kelvin über dem absoluten Nullpunkt ausstrahlen, was im heutigen Universum nicht einmal (und das bei weitem nicht) ausreichte, um die aus der kosmischen Strahlung in das Schwarze Loch fallenden Photonen zu kompensieren – stellare Schwarze Löcher wachsen in unserem Universum noch schon alleine durch die Aufnahme von Photonen aus der kosmischen Hintergrundstrahlung! Aber diese wird immer langwelliger und kälter und spielt irgendwann keine Rolle mehr.

Ein Schwarzes Loch von ein paar Tausend Tonnen würde hingegen binnen Sekundenbruchteilen wie eine thermonukleare Bombe explodieren. Dementsprechend verschwinden Schwarze Löcher von stellarer Masse viel früher aus unserem Universum als supermassereiche, die zudem auch noch Millionen- bis Milliardenmal mehr Masse beinhalten, die zerstrahlen muss.

Stellare Schwarze Löcher werden nach 1065 Jahren also noch einmal aufleuchten, wenn sie sich mit einem Knall in Strahlung und Wohlgefallen auflösen, während die größten supermassereichen Schwarzen Löcher mit Massen von Hunderten Milliarden Sonnenmassen, 1094 Jahre brauchen werden. Schwarze Löcher, die die Masse ganzer Galaxienhaufen vereinnahmen, würden bis zu 10110 Jahre zum Zerfall brauchen und dem Universum das letzte Feuerwerk bescheren. Im Universum mit Protonenzerfall gäbe es ab diesem Zeitpunkt, in 10100 heutigen Weltaltern, nur noch einsame Leptonen und kein Licht mehr. Photonen wären Geschichte und das end-gültige dunkle Zeitalter bräche an.

In einem Universum ohne Protonenzerfall gäbe es nach dem Verdampfen der Schwarzen Löcher noch immer die erloschenen eiskalten Sternreste, Planemos und Asteroiden. Normalerweise benötigt es hohen Druck und Millionen Kelvin an Temperatur, damit Atomkerne miteinander fusionieren können, weil die Abstoßung der positiv geladenen Protonen verhindert, dass sich die Kernteilchen nahe genug kommen, sodass die starke Kernkraft sie zu packen bekommt und gegen die elektrostatische Abstoßung gleicher Ladungen verbinden kann. Aber wie alles in der Quantenwelt ist dies letztlich eine Frage der Statistik, denn es gibt den Tunneleffekt, der mit kleiner Wahrscheinlichkeit auch eine kalte Fusion von Kernteilchen erlaubt. Diese tunneln einfach irgendwann zufällig durch die scheinbar unüberwindliche elektrostatische Potenzialbarriere hindurch und fusionieren zu einem schwereren Kern.

Auf diese Weise wandeln sich die Kerne der Gesteinsobjekte und Schwarzen Zwerge allmählich zu Eisen. Elemente schwerer als Eisen sind hingegen instabil und zerfallen eher zu Eisen, als dass sie zu noch schwereren Kernen verschmelzen. Somit entstehen über einen Zeitraum von 101500 Jahren "Eisen-Sterne". Da die Sterne dadurch dichter werden, werden einige Schwarze Zwerge über die Chandrasekhar-Grenze rutschen und als Supernova explodieren. Andere werden als Neutronensterne enden. Gesteinsplaneten werden sogar 1032000 Jahre brauchen, bis sie sich zu Eisen gewandelt haben. Die baryonische Materie würde somit die Schwarzen Löcher bei weitem überleben. Was aus der Dunklen Materie wird, wissen wir nicht – wir wissen ja nicht einmal, woraus sie besteht.

Aber auch die Eisenatome wären nicht bis in alle Ewigkeit stabil, sondern massive Eisensterne und Neutronensterne würden durch Quantentunneln nach unglaublichen 1010²⁶ bis 1010⁷⁶ Jahren zu Schwarzen Löchern kollabieren. Bei leichteren Objekten von Planetengröße würde es bis zu 1010¹⁰⁵ Jahre dauern, und in nach diesen Zeitmaßstäben rascher Folge wären auch diese Schwarzen Löcher verdampft. Auch hier bräche nach unvorstellbar langer Zeit die ewige Dunkelheit an. Das Universum stürbe den Hitzetod, ein etwas verwirrender Begriff, da die Strahlungstemperatur in der Abwesenheit von Photonen auf 0 Kelvin fällt. Gemeint ist, dass vom Universum am Ende nichts als Strahlung übrigbleibt.

Es gäbe nur noch ein Vakuum mit vereinzelten Teilchen, sowie ein wenig Strahlung aus dem Gibbons-Hawking-Effekt (siehe vorletzte Folge). Aber es wäre schon seit Äonen niemand mehr da, der das Licht vermissen könnte. Der Zustand des thermodynamischen Gleichgewichts wäre erreicht und der thermodynamische Zeitpfeil wäre nicht mehr definierbar. Man könnte nicht mehr unterscheiden, in welcher Richtung die Zeit abläuft, oder ob sie das überhaupt noch tut. Die Entropie hätte ihr Maximum erreicht. Es wäre gewissermaßen das Ende der Zeit.

Allenfalls ein Vakuumzerfall oder ein verspäteter Big Rip könnten noch für seltene Abwechslung im Einerlei des thermodynamischen Vakuumrauschens sorgen. Oder die Entstehung von Stühlen, Blumenvasen, anderen Gegenständen oder gar eines Boltzmann-Hirns aus sich nach hinreichend langer Zeit spontan zusammenfindenden Teilchen der Gibbons-Hawking-Strahlung wäre innerhalb von absurd hohen Zeiträumen denkbar.

Vielen mag ein solches Ende des Universums deprimierend erscheinen, sinnlos und kalt. Aber sie sollten lieber schätzen, in welch kurzer goldenen Ära des Universums wir leben – viel kürzer als ein kosmischer Lidschlag (der Lidschlag eines Menschen dauert immerhin ein 1018-tel des bisherigen Alters des Universums), und was in dieser unserer Zeit alles möglich ist. Sogar die Entstehung über sich selbst reflektierenden Lebens.

Aber vielleicht gibt es dennoch Hoffnung auf einen Neuanfang, wie wir bereits in der vorletzten Folge der Reihe erfahren haben. Es ist zwar nur eine Hypothese, aber eine gut begründete, die die Entstehung des Zeitpfeils erklären kann, sowie ein Argument dafür liefern, warum wir am Ende doch keine Boltzmann-Hirne sein müssen, was die unerbittliche Statistik in einem ewig bestehenden, im thermischen Gleichgewicht befindlichen Universum mit nur endlicher Zeit, in welcher biologische Hirne entstehen können, eigentlich fordert.

Denn für einen Neubeginn bräuchte es nichts als ein winziges Quäntchen falschen Vakuums mit der Energiedichte von 1080 Gramm/cm³, wie sie vor der Inflationsphase herrschte, um eine solche Inflation erneut anzustoßen. Ein solches könnte durch eine zufällige Fluktuation des Quantenvakuums spontan entstehen und es würde sofort brachial zu wachsen beginnen. Das umgebende Universum würde davon nichts mitbekommen, außer einem winzigen Blitz von Hawking-Strahlung, wenn das unter enorm negativem Druck stehende, submikroskopisch kleine Bläschen falschen Vakuums vom umgebenden gewöhnlichen Vakuum mit viel höherem Druck zerquetscht wird, aber innerhalb seines Ereignishorizonts würde es seinen eigenen Raum schaffen und sich von unserem Universum abnabeln. Potenziell könnte es ewig inflationär wachsen und unendlich viele neue Universen hervorbringen.

Laut Sean Carroll und Jennifer Chen würde man die spontane Entstehung eines lokalen falschen Vakuums nach 10↑1010⁵⁶ Jahren erwarten, ein fantastisch langer Zeitraum, selbst im Vergleich zu den bisher genannten Zahlen-Leviathanen. Aber dennoch unvermeidlich in einem ewigen Universum. Wir wären in diesem Falle nicht alleine, sondern von einem unendlichen Gewimmel an parallelen und vorangegangenen bzw. nachfolgenden Universen umgeben, ein endloses Multiversum von Multiversen, in dem alles, was möglich ist, passiert, woraus sich unsere Existenz notwendigerweise ergibt.

Und so schlösse sich der Kreis. Damit wären wir am Ende wieder bei einer Art Steady-State-Theorie gelandet, nur auf einer höheren Ebene. Mir erschiene diese Hypothese als letzte Erklärung für die Existenz des Universums durchaus zufriedenstellend, aber die Kosmologie wird niemals nachweisen können, ob sie richtig ist oder nicht, und deshalb verlassen wir hier die Wissenschaft und treten in den Bereich der Spekulation ein. Die Kosmologie kann uns sagen, wie sich unser Universum vom ersten Sekundenbruchteil bis in die fernste Zukunft entwickeln wird, aber eine Erklärung der ersten Ursache kann sie nicht liefern; sie gibt allerdings auch nicht vor, es zu können. Unsere durch Messungen abgesicherte Erkenntnis wird stets an ein Limit stoßen, das wir nicht überschreiten können. Es verbleibt eine letzte Lücke, die von der Kosmologie nur bestmöglich verkleinert werden kann. Den verbleibenden Spalt kann dann nur noch die Fantasie füllen.

Quellen:

(mho)