Endliche Unendlichkeit des Weltraums

Warum es nachts nicht hell wird - Anmerkungen zum "Olbers’schen Paradoxon"

In fast jedem Buch über Kosmologie wird das „Olbers’sche Paradoxon“ meist als Einleitung zur kosmischen Expansion bzw. der Urknallthese benutzt; oft muss es dabei als Beweis herhalten, dass die Welt einen Anfang hatte. War dieses Paradoxon in den 70er und 80er Jahren mehrfach Gegenstand zahlreicher Diskussionen, so wird heute hierüber in den Medien vergleichsweise selten berichtet. Eigentlich schade, denn spannend ist die etwas naiv wirkende Frage schon, warum es nachts überhaupt dunkel wird.

Man braucht in einer mondlosen, sternklaren Nacht nur den Kopf zu heben, um das Unmögliche leibhaftig vor Augen zu haben: einen Raum, dessen Unendlichkeit ebenso wenig vorstellbar ist wie seine Abgeschlossenheit.

Hoimar von Ditfurth

Nirgendwo so sehr wie im Alltagsleben erfahren wir tagtäglich auf plastische Weise, dass wir in einer Welt leben, die mindestens drei Raum- und eine Zeitdimension hat. Unabhängig davon, wo und wann wir ein Rendezvous haben oder ein Konzert genießen – jedes mit unseren Sinnen greifbare Ereignis lebt von seiner Vierdimensionalität, wird erst durch die drei Koordinaten des Raumes und die Zeitkoordinate real.

Dreidimensionales Kontinuum

Wissenschaftler, die das Universum beschreiben wollen, müssen daher vor allem auch plausible Annahmen über die Eigenschaften des Raumes machen, so wie dies Isaac Newton (1643-1727) seinerzeit in den Philosophiae naturalis principia mathematica konkretisierte, als er den Begriff der absoluten Zeit und des absoluten Raums einführte. Danach ist die zeitliche Folge von Ereignissen und das Zeitmaß zwischen zwei Ereignissen weltweit und losgelöst von allen speziellen physikalischen Randbedingungen (Relativgeschwindigkeit, Schwerkraft etc.) festgelegt. In der Newtonschen Kosmologie hat der physikalische Raum drei Dimensionen und ist unendlich ausgedehnt, wobei die Abstände in ihm im Rahmen der Euklidischen Geometrie beschrieben werden.

Kosmische Zeittafel (Bild: NASA)

Aus zeitlicher Sicht ist die Welt geschichtet in dreidimensionale Räume mit jeweils euklidischer Geometrie. Bis zum Beginn des 20. Jahrhunderts wurden Raum und Zeit also als Gegebenheiten unabhängig von der Materie und ihren Wechselwirkungen angesehen. Nachher galt der absolute, leere Raum als homogenes und isotropes dreidimensionales Kontinuum, in dem die euklidische Geometrie das Sagen hatte. Sie formte das Universum zu einer Arena, in der sich das physikalische Geschehen abspielt.

Nur eine profane Frage

Eng verwoben mit der Erstreckung des Raumes und einer dynamischen Geometrie ist das in der Astronomie vielleicht bekannteste Paradoxon, das heutzutage in der Astrophysik gerne als Indiz für die Richtigkeit des Urknalls-Modells angeführt wird und das kurioserweise bereits im vorletzten Jahrhundert von einem amerikanischen Arzt und einem bekannten Kriminalbuchautoren bzw. Schriftsteller ausgefeilt wurde.

Ist der Big Bang der Schlüssel zum „Olbers’schen Paradoxon“? (Bild: NASA)

Bei diesem in der wissenschaftlichen Literatur unter dem Namen „Olbers’sches Paradoxon“ geläufigen Problem geht es um die profane Frage, wieso sich uns der Himmel Nacht für Nacht in samtener Schwärze präsentiert – kurzum, warum es jeden Abend dunkel wird. Schon Johannes Kepler (1571–1630) erachtete die nächtliche Dunkelheit als rätselhaft: „Wenn es wahr ist, dass sie [die Sterne] auch Sonnen sind von ähnlicher Natur wie unsere Sonne, warum übertreffen sie dann nicht alle zusammen die Sonne an Helligkeit?“

Unser Heimatstern – aufgenommen von dem NASA-Weltraumteleskop SOHO Anfang 2001 (Bild: SOHO - EIT Consortium, ESA, NASA)

Inspiriert von Keplers Gedankengang, suchten der britische weltbekannte Astronom Edmond Halley (1656-1742) und der Schweizer Forscher Jean-Philippe de Loys de Chéseaux (1718–1751) unabhängig voneinander nach einem Lösungssatz. Dennoch war es dem Bremer Augenarzt und Astronomen Heinrich Wilhelm Olbers (1758–1840) vorbehalten, diesen zu präziseren und den Kern des Paradoxons als Erster auf wissenschaftlicher und publizistischer Ebene herauszuschälen.

Quasi eine Lichtwand

In seiner Abhandlung Über die Durchsichtigkeit des Weltraums, die 1823 im „Astronomischen Jahrbuch“ veröffentlicht wurde, geht Olbers – fraglos beeinflusst vom Zeitgeist seiner Ära – von einem räumlich und zeitlich unendlich großen Universum mit unermesslich vielen Sternen aus und folgert, dass der Nachthimmel deshalb eigentlich gar nicht dunkel sein könne. Wäre nämlich das Universum räumlich unendlich groß, statisch, homogen und wäre es mit unbeschreiblich vielen Sternen gleichmäßig erfüllt, müsste doch infolge dieser gleichförmigen Materieverteilung und seiner ohnehin isotropen Struktur jeder Beobachter an jedem Punkt des Firmaments einen hell leuchtenden Stern sehen.

Die auf diesem Bild zu sehende große gelbliche Galaxie ist annährend 13 Milliarden Jahre alt, der Urknall-Theorie und den aktuellen WMAP-Daten zufolge also zirka 800.000 Jahre nach dem Big Bang entstanden (Bild: NASA, ESA, B. Mobasher, Space Telescope Science Institute and the European Space Agency)

Schließlich träfe bei einem unendlichen Universum mit unendlich vielen Sternen jede Sichtlinie früher oder später auf einen Stern. Gleichgültig wohin der Blick des Betrachters auch wandere – am Himmel sähe er keine Lücke, da die Sterne dicht an dicht stünden. Egal welchen Punkt der Beobachter am Firmament auch anvisiere, dort erschiene immer mindestens ein Stern. Und zusammengenommen ergäbe das Ganze eine helle Lichtwand.

Wald mit vielen Bäumen

In der einschlägigen Literatur wird das „Olbers’sche Paradoxon“ oft in einer Waldanalogie umschrieben. Danach muss sich der Leser einen dicht bewachsenden Wald vorstellen, dessen Bäume allesamt weiß angestrichen sind. Auch wenn dieser Wald im Gegensatz zum Olbers’schen Universum endlich ist, träfe für jeden Betrachter jeder Blick irgendwann auf einen Baum, da jede Lücke von einem dahinter liegenden Baum ausgefüllt wäre. Ergo präsentierten sich die weiß bemalten Bäume dem Beobachter aus größerer Distanz gar als geschlossene weiße Front.

Keine weiße, dafür ein grüne „Baumwand“

Tatsächlich nimmt bei einem Stern mit zunehmender Entfernung die Helligkeit zusammen mit seinem Durchmesser kontinuierlich ab; gleichwohl wächst aber bei einer gleichförmigen Verteilung der Sterne am Himmel deren Anzahl mit steigender Distanz in der dritten Potenz an.

Um seine Idee von einem unendlichen Universum zu retten und das vermeintliche Paradoxon aufzulösen, führte Olbers – in Übereinstimmung mit den Lösungsansätzen von Halley und Cheseaux – die Existenz des dunklen Nachthimmels seinerzeit auf ein dünnes absorbierendes Medium in Form interstellarer Materiewolken zurück, die das Licht von sehr fernen Sternen entscheidend abschwächen würde, vergaß dabei aber, dass ein solches Gas im Weltraum selbst durch die Strahlung aufgeheizt und ebenso hell glühen würde wie die Sterne.

Fehlende Energie

Zwar scheint das „Olbers’sche Paradoxon“ bestenfalls zum Widerlegen von Thesen oder für die Beweisführung geeignet. Dennoch ist relativ sicher, dass einige Lösungen, wie z. B. die Rotverschiebung respektive das Auseinanderdriften der Galaxien (bzw. das Aufblähen des Raumes) essentielle Faktoren sind, die zum dunklen Nachthimmel beitragen. Gleichwohl kann sich keiner sicher sein, ob nicht noch andere einen möglicherweise noch viel wichtigeren Beitrag liefern.

Für Hermann Bondi und Dennis Sciama war jedenfalls klar, dass die Expansion des Weltalls das Olbers’sche Paradoxon auflöst. Jim Al-Khalili, Professor für Theoretische Physik an der University of Surrey im britischen Guildford, unterstützt diesen Denkansatz: „Zum Schluss können wir das Olbers’sche Paradoxon umdrehen und sagen, der tatsächliche Beweis, dass der Urknall stattgefunden hat, ist die Tatsache, dass es nachts dunkel wird.“

"Erdaufgang“, so zumindest die offizielle Bezeichnung der NASA für dieses nette Foto eines Planeten, auf dem es nachts immer noch dunkel wird (Bild: NASA)

Doch obwohl auch heute noch diese Ansicht vertreten wird, kennen wir bereits andere Gründe für die Dunkelheit. Es scheint, als ob es selbst, wenn unser Universum kontrahierte, nachts dunkel wäre. Dessen ungeachtet dürfte aber die zurzeit beste Erklärung für die Dunkelheit des Nachthimmels auf die einfache Feststellung hinaus laufen, dass im All schlichtweg nicht genug Energie vorhanden ist, weil die Leuchtdauer der Sterne und ihre Anzahl pro Volumeneinheit begrenzt sind.

Kriminalautor auf Abwegen

Freilich, ungeachtet aller Erklärungsversuche stehen wir immer noch vor der gleichen Situation wie einst der amerikanische Schriftsteller Edgar Allan Poe (1809–1849), der im Februar 1848 während eines Vortrages vor der New York Society Library konstatierte.

Gäbe es eine endlose Folge von Sternen, dann würde uns der Hintergrund des Himmels eine gleichförmige Helligkeit präsentieren, so wie sie die Milchstraße zeigt – denn dann gäbe es in dem ganzen Hintergrund absolut keinen Punkt, an dem kein Stern existieren würde.

Unbestritten war der US-Schriftsteller Edgar Allan Poe ein Künstler der Fantasie. Er ebnete auch den Weg für das SF-Genre, indem er seine Erzählungen mit wissenschaftlichen, abenteuerlichen und spekulativen Elementen ausschmückte

Noch stehen viele Fragen weiterhin im Raum, in einem Raum, der bekanntlich ständig expandiert. Noch hat keiner wirklich Erhellendes über die Dunkelheit des Nachthimmels zu Papier bringen können, das zudem in der Wissenschaft Anklang gefunden hätte. Nein, bis Kosmologen Licht in das Dunkle des Olbers’schen Paradoxons bringen, haben sich die Galaxien unseres Universums mit Sicherheit wieder um einige Lichtjahre weiter voneinander entfernt. Viele Sterne werden bis zur Lösung des Problems ihr Leben längst ausgehaucht haben – jedenfalls entschieden mehr, als „nachgeboren“ werden. Langfristig gesehen gehen im Universum die Lichter langsam aus. Irgendwann wird der Nachthimmel ganz dunkel sein. Sehen wird ihn dann aber wohl keiner… (Harald Zaun)

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