Das Tagebuch des Universums

Röntgen-Teleskop Chabdra. Bild: NASA / Public Domain

Die Geschichte unseres Universums kann von der Strahlung abgelesen werden, die ständig von unseren Teleskopen aufgenommen wird. Es ist wie ein laufender Film des Gedächtnisses des Universums

Die öffentlich-rechtlichen Sender in Deutschland blicken manchmal 20 bzw. 30 Jahre zurück und übertragen die damaligen Nachrichten des Tages: Erich Honecker und die DDR werden wieder lebendig und der Kalte Krieg flackert über den Bildschirm. Seit Jahrzehnten wird unsere kollektive Erinnerung in diversen Medien gespeichert; heute vor allem in digitaler Form.

Etwas Ähnliches geschieht mit dem Universum. Wenn wir gen Himmel schauen, breitet sich vor unseren Augen die Geschichte der Welt aus. Da die Lichtgeschwindigkeit begrenzt ist, hat es Millionen bzw. Milliarden Jahre gedauert, bis uns die Nachrichten aus fernen Galaxien erreichen konnten. Beispielsweise hat sich eine Supernova-Explosion, die wir heute beobachten, vor etlichen Jahrmillionen ereignet.

Die Astronomie wäre etwas einfacher, wenn all diese Filme aus der Vergangenheit sorgfältig voneinander getrennt ankommen würden. Jedoch kann das Licht, das unsere Teleskope momentan erfassen, eine Mischung aus reflektiertem Sonnenlicht (acht Minuten Flugzeit), Licht vom Jupiter (mehr als 33 Minuten) oder Licht von der Andromedagalaxie (2,5 Millionen Jahre) sein. Es ist so, als ob wir alle Filme über den Zweiten Weltkrieg gleichzeitig im Fernsehen empfangen würden. Es wäre ein grandioses Durcheinander.

Die Expansion des Universums, die experimentell nachgewiesen worden ist, bietet in dieser Hinsicht einen gewissen Vorteil für die Astronomie. Wenn wir uns gedanklich auf der Oberfläche eines Luftballons positionieren und dieser Luftballon aufgeblasen wird, bewegen sich alle Punkte auf der Kugel von uns weg, egal auf welche Position auf dem Luftballon wir uns stellen. Etwas Analoges geschieht mit dem Raum: Ferne Sterne und Galaxien bewegen sich im Durchschnitt von uns weg. Je weiter entfernt sie stehen, desto schneller fliegen sie weg.

Diese Expansion des Universums streckt aber auch die Wellenlänge der elektromagnetischen Wellen, die von Sternen oder vom Urplasma vom Anfang der Welt ausgestrahlt wurden. Die Hintergrundstrahlung, die etwa 380.000 Jahren nach dem Urknall ausgesendet wurde, hat damals noch den sichtbaren Wellenlängenbereich des Lichtes überdeckt. Heute ist die Wellenlänge der Hintergrundstrahlung weit weg vom Rot (etwa 0,7 Mikrometer Wellenlänge) und liegt im Bereich von Mikrowellen, die unsere Augen nicht sehen können. Das ist so, weil das Universum inzwischen um den Faktor 1100 expandiert ist und die Wellenlängen, die wir besprechen, sich von Mikrometern zu Millimetern ausgedehnt haben.

Das alles ist deswegen vorteilhaft, weil je weiter in der Vergangenheit ein astronomisches Ereignis liegt, desto mehr hat sich die Wellenlänge des Lichtes seitdem gestreckt. Die Astronomen reden von "Rotverschiebung", da die Wellenlänge des Lichtes steigt, wenn wir von der Farbe Blau auf Grün und dann ins Rote übergehen (Abb. 1). In meinem vorherigen Beispiel, in dem alle Filme des Zweiten Weltkrieges überlagert werden, fiele die Trennung leichter, wenn die ersten Filme in Farbe mit einem blauen Stich gezeigt und die zeitlich Darauffolgenden mit einem Stich mit zunehmender Rotverschiebung überlagert würden. Historiker würden sich dann für die Rotverschiebung interessieren und versuchen, die Filme durch ihre unterschiedliche Farbgebung voneinander zu trennen.

Das ist es also, was wir am Himmel sehen, die Telenovela der Welt, aber alle Folgen überlagert. Allerdings so, dass die Wellenlänge der ausgestrahlten elektromagnetischen Wellen desto länger ist, je älter der Film ist. Deswegen gibt es Astronomen, die im sichtbaren Bereich arbeiten, andere, die sich für Infrarot-Teleskope interessieren, und auch diejenigen, die mit Radioteleskopen hantieren. Sie alle sind Archäologen des Universums und arbeiten an unterschiedlichen Schichten in dessen Entstehungsgeschichte. Für hochenergetische Prozesse im Weltall gibt es aber auch die Röntgen- und Gamma-Astronomie. Teleskope gibt es heute für fast das gesamte EM-Spektrum.

Abb. 1: Das elektromagnetische Spektrum. Frequenzen und Wellenlängen. Bild: Cepheiden / CC-BY-SA-3.0

Man muss allerdings anmerken, dass es für die Astronomen nicht ganz so einfach ist. Sterne strahlen nicht Licht mit einer einzigen, sondern mit vielen Wellenlängen aus. Die Lichtspektren aus den verschiedenen Epochen überlagern sich und es ist dann nicht trivial zu entscheiden, welches Licht welche Rotverschiebung erfahren hat und wie viel Zeit deswegen vergangen ist. Es ist eigentlich extrem schwer, aber es gibt ein paar Referenzpunkte. Die Hintergrundstrahlung kann z.B. mit Radiowellen von der Erde bzw. Radiowellen von kosmischen Objekten verwechselt werden. Aber deswegen wurden die besten Messungen mit Satelliten gemacht und danach mussten die Daten von der Strahlung aus der Milchstraße bereinigt werden. Große Teleskope ohne Computer für die Datenanalyse sind heute undenkbar. Es werden nicht nur Daten gesammelt, sie werden anschließend geprüft und interpretiert.

In der Geschichte des Universums gibt es die sogenannten "dark ages", nämlich die Zeit bevor die Sterne das Universum mit sichtbaren Licht beleuchtet haben.1

Dies muss ich etwas präziser erläutern: Die Hintergrundstrahlung stammt aus der Zeit, in der das Universum eine Temperatur von 3000 Kelvin hatte und 1100-mal kleiner war. Bei dieser Temperatur wurden die Elektronen in Atomen zum ersten Mal so gebunden, dass der "Elektronennebel" sich lichtete (das ist die Zeit der sogenannten "Rekombination"). Das Licht konnte nun an den Atomen vorbeifliegen und ist seitdem unterwegs - teilweise zu uns.

Allerdings können wir die Photonen der Hintergrundstrahlung nicht mit den Augen sehen, weil ihre Wellenlänge im Bereich von Mikrowellen liegt (wie oben erklärt). Es ist deswegen erstaunlich zu erfahren, dass die meisten Photonen im Universum trotzdem nicht von den Sternen stammen, sondern von der Hintergrundstrahlung! Wir sehen sie nicht, aber es gibt davon 413 in jedem Kubikzentimeter des Universums - viel mehr als sichtbare Photonen. Das Rauschen der Radiogeräte wäre Rauschen der Netzhaut, wenn die Hintergrundstrahlung noch im sichtbaren Bereich läge.

Allerdings verschob sich das Spektrum der Hintergrundstrahlung wegen der graduellen Expansion des Raumes, zunächst in den Infrarotbereich. Relativ kurz nach der Rekombination wurde das Universum dunkel (für unsere Teleskope im sichtbaren Bereich) und es dauerte Millionen Jahre bis sich die ersten Sterne bildeten und deren Licht das Universum wieder "aufklärte". Diese Zeitspanne bildet die "dunkle Periode" und ist besonders interessant, weil damals die ersten Galaxien entstanden sind. Aber gerade diese Epoche hat für die Astronomen wenige Photonen hinterlassen.

Problematisch für die Beobachtung jenes Zeitalters ist, dass das frühe Universum vor allem aus Wasserstoffwolken bestand. Heute würden wir gern die Verdichtung der damaligen Wasserstoffwolken sehen wollen, um die Entstehung der Galaxien zu verfolgen. Leider konnte mit der wenigen vorhandenen Strahlungsenergie Wasserstoff nicht zum Leuchten angeregt werden. Die Wasserstoffatome konnten Energie nur durch Kollisionen untereinander und durch Interaktion mit der Hintergrundstrahlung aufnehmen, aber das reichte nicht, um die kalten Wasserstoffwolken ausreichend zu "erwärmen".

Mit einer Ausnahme: Die vorhandene Energie reichte aus, um das einzige Elektron in einen erregten Spin-Zustand zu versetzen. Das Proton und das Elektron in einem Wasserstoffatom haben im energetischen Grundzustand umgekehrte Spins (die man als eine Art Ausrichtung der Elementarteilchen im Raum verstehen kann). Hintergrundstrahlung oder Kollisionen mit Atomen waren energetisch genug, um den Spin des Elektrons umzudrehen - beim Zurückfallen in den Grundzustand wird dann ein Photon mit einer Wellenlänge von 21 Zentimetern ausgestrahlt. Diese Photonen bilden heute das sogenannte "21cm-Spektrum". Freilich haben sich die 21 Zentimeter seitdem auf Grund der Rotverschiebung in Radiowellen verwandelt.

Wir können uns das Universum während des dunklen Zeitalters als vom Hintergrund beleuchtet vorstellen (in unsichtbaren Wellenlängenbereich). Die Wasserstoffwolken fallen dann als Netto-Aufnehmer von 21cm-Photonen, d.h. als Schatten in diesem Frequenzbereich, auf. Solche Signale von der viel stärkeren Strahlung der Milchstraße zu trennen, ist ein experimentelles Kunststück. Nach und nach haben aber die Wasserstoffatome mehr Energie aus Kollisionen und aus den in Entstehung begriffenen Sternen gewonnen. Die Wasserstoffwolken überstrahlten dann die Hintergrundstrahlung im 21cm-Spektrum. D.h. je nach Epoche gravieren die Wasserstoffwolken Schatten bzw. überbeleuchtete Stellen in die Hintergrundstrahlung ein.2

Im Laufe der Zeit hat sich der Schleier aus Wasserstoffatomen nach und nach gelichtet, weil diese Atome durch von Sternen ausgestrahlte Energie ionisiert wurden: Der Wasserstoffkern (ein Proton) hat sein Elektron verloren. Die resultierenden Protonen- und Elektronennebel (oder besser gesagt das Plasma) waren weniger effektiv, darin Licht zu streuen, als vor der Rekombination, weil sich das Universum inzwischen weiter ausgedehnt hatte. Das Universum wurde wieder einmal durchlässig für Photonen im sichtbaren Bereich: Diese Periode wird "Reionisierung" genannt und streckt sich bis auf tausend Millionen Jahre nach dem Urknall. Abb. 2 zeigt die Aufeinanderfolge des Urknalls, Rekombination, dunkles Zeitalter und das Zeitalter der Reionisierung.

Abb. 2: Der Urknall, gefolgt von der Rekombination (bei 380.000 Jahren) und Reionisierung (400 bis 1000 Millionen Jahren). Bild: NASA (Auf Deutsch übersetzt von FireSoulHC).

Die Kartierung der Absorptionslinie des Wasserstoffes im Bereich der Wellenlänge von 21cm (bei der Ausstrahlung) ist deswegen interessant, weil je besser das 21cm-Spektrum kartiert werden kann, desto besser können wir die Verdichtung der Wasserstoffwolken "im Dunkeln" verfolgen. So können wir z.B. überprüfen, ob das Verdichtungsmuster in der Hintergrundstrahlung wirklich die Blaupause für die Entstehung der Sterne geliefert hat. Mit anderen Worten: Mit dem 21cm-Spektrum können wir durch den Vorhang der dunklen Periode hindurchschauen und die Geschichte der Kindheit des Universums vervollständigen. Einige sehen in der Aufdeckung des 21cm-Spektrums den nächsten wichtigen Schritt in der Astronomie, jetzt wo die Hintergrundstrahlung sehr intensiv dokumentiert worden ist. Astronomen wetteifern heute um den Nachweis der Entstehung der ältesten Galaxien und Sterne in jener dunklen Periode.

Vor wenigen Tagen wurden die Ergebnisse der neuesten Analysen des 21cm-Spektrums bekanntgegeben.3 Die "Signatur" der Absorption durch Wasserstoff von Photonen mit 21cm Wellenlänge ist deutlich zu erkennen und deckt die Periode zwischen einer Rotverschiebung von 15 und 20 (als das Universum 16-mal bzw. 21-mal kleiner war als heute) ab. Seitdem hat sich die 21-Zentimeter-Wellenlänge in den Meter-Bereich, d.h. Radiowellen, gestreckt. Für die Messungen wurden Radioantennen in Australien verwendet, um Radiowellen aus der Erde möglichst zu umgehen.

Die Überraschung der Messung war, dass die ermittelte Temperatur der Wasserstoffwolken (die das 21cm-Spektrum erzeugt) niedriger als erwartet war. Die nun von Astronomen vorgeschlagene Erklärung ist, dass dies ein Nachweis für Verdichtungen von "Dunkler Materie" ist. Die Dunkle Materie scheint den Samen für die Entstehung von Sternen zu liefern, da Wasserstoff durch Gravitation konzentriert, aber gleichzeitig ausreichend abgekühlt werden muss. Da Dunkle Materie ausschließlich durch Gravitation mit normaler Materie mitwirkt, liefert sie ideale Verdichtungsstellen für neue Sterne. Aus der Rotationsperiode der Sterne in Galaxien wissen wir auch, dass dort mehr Materie als sichtbare Materie konzentriert ist. Der fehlende Teil in der Berechnung wäre die Dunkle Materie, wie sie schon vor Jahrzehnten vorgeschlagen worden ist.

Rennan Barkana hat gleichzeitig mit der Ankündigung der Messungen mit der Antenne in Australien eine Simulation der Verteilung des Wasserstoffs in einem Würfel von 384 Megaparsec vorgelegt.4 Seine Simulation erklärt die niedrigere Temperatur des Wasserstoffs unter der Annahme einer Einbettung der Baryonen (üblicher Materie) in Dunkler Materie (Abb. 3). Allerdings ging das Bild als Messung durch die Presse, ist aber eine "seminumerische" Computersimulation. Es gibt jedoch Astronomen, die die niedrige Temperatur des Wasserstoffs mit der Interaktion der Materie mit Schwarzen Löchern erklären. Es ist noch zu früh, um diese Fragen zu klären.

Die "dunkle Seite" des Universums zu beleuchten, das ist die aktuelle Herausforderung für die Astronomie. Gewaltige Anlagen werden derzeit geplant, wie z.B. das "Square Kilometer Array", mit einer Sammelfläche von einem Quadratkilometer insgesamt, verteilt auf hunderte Parabolantennen. Im Jahr 2023 soll das SKA in Betrieb gehen.

Galileo schrieb über das Buch der Natur, das das Werk in der Sprache der Mathematik geschrieben sei. Das Tagebuch der Natur liegt aber für alle sichtbar am Himmel, offen für uns enträtselt zu werden.

AbbAbb. 3: Links: Überstrahlung der Hintergrundstrahlung durch das 21cm-Spektrum bei Rotverschiebung 17 (Simulation). Rechts: Simulation der relativen Geschwindigkeit zwischen Baryonen und Dunkle Materie. Die Dunkle Materie "kühlt" den Wasserstoff (Quelle: Referenz 4).
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