Frühzeit und Phasen des Universums: 400 Mio. – 1 Mrd. Jahre

Die Erforschung des Universums gleicht einer faszinierenden Zeitreise, die uns in die Tiefen des Raums und weit zurück in die Vergangenheit führt.

In diesem Artikel tauchen wir in die Frühzeit des Universums ein: Die Zeit von etwa 400 Millionen bis 1 Milliarde Jahre nach dem Urknall ist eine Schlüsselperiode in der kosmischen Geschichte. Diese Phase, die vor rund 12,8 Milliarden Jahren begann, war geprägt von bedeutenden Veränderungen und Entwicklungen, die das heutige Universum formten.

Das Wichtigste in Kürze

  • Ära der Reionisierung: Ein kritischer Zeitraum in der kosmischen Geschichte, beginnend etwa 400 Millionen bis 1 Milliarde Jahre nach dem Urknall, in dem das Universum ionisiert wurde und für sichtbares Licht durchlässig wurde. Die Energie für diese Phase kam wahrscheinlich von den allerersten Sternen und Galaxien.
  • Abkühlung und Sternenbildung: Das Universum kühlte sich etwa 400 Millionen Jahre nach dem Urknall auf etwa minus 250 °C ab. Diese Abkühlung führte zum Kollaps von Wasserstoff- und Heliumwolken und zur Bildung der ersten Sterne, Sternhaufen und schließlich Galaxien.
  • Die ersten Galaxien: Ungefähr 650 Millionen Jahre nach dem Urknall begannen die ersten Galaxien zu entstehen. Beobachtungen von Astronomen wie Rachel Livermore, Steven Finkelstein und Jennifer Lotz haben Galaxien aus dieser uralten Ära enthüllt und geben uns Einblicke in das frühe Universum.
  • Zukünftige Missionen und Teleskope: Das James-Webb-Weltraumteleskop, das 2021 Hubble ablösen soll, zielt darauf ab, noch tiefere Einblicke in das Universum zu bieten, einschließlich der kosmischen Epochen und der Entstehung der frühesten Himmelskörper.

Die Ära der Reionisierung

Nach der Zeit des „Urknalls“ und dem „Dunklen Zeitalter“, d.h. der Sekunde 0 bis etwa 400.000 Jahre nach dem Urknall, begann in der Zeit bis etwa 1 Mrd. Jahre nach dem Urknall, also bis vor etwa 12,8 Mrd. Jahren, die Frühzeit des Universums mit ihren unterschiedlichen Phasen.

Eine von diesen ist in der Urknallkosmologie die Reionisierungsepoche, in der sich die Materie des Universums wieder ionisierte (reionisierte), bevor das Universum für sichtbares Licht transparent wurde.

In ihr entstanden Objekte, die so viel Energie ausstrahlten, dass die Wasserstoffwolken zwischen ihnen ionisiert wurden. Die Frage war bisher: Woher stammte die ganze Energie, die diese Phase prägte?

Eine Theorie, die durch Beobachtungen von US-Forschern bestätigt wird, lautet: Von den allerersten Sternen und Galaxien im Universum. Diese Periode war der zweite bedeutende Phasenübergang von Wasserstoffgas im Universum.

In diesem Sinne ist das Universum heute ionisiert und bei geringer Dichte relativ lichtdurchlässig.

Abkühlung und Sternentstehung

400 Mio. Jahre nach dem Urknall hatte sich das Universum durch seine ständige Expansion so weit abgekühlt, dass es minus 250 °C kalt war. Die Temperatur zu diesem Zeitpunkt entsprach der Planck-Temperatur, d.h. etwa 1.032 Kelvin.

Bei diesen geringen Temperaturen hatte sich der Gasdruck der überall verteilten Wasserstoff- und Heliumwolken so weit verringert, dass sie in sich kollabierten und sich die ersten Sterne, die ersten Kugelsternhaufen aus diesen Sternen, und schließlich die ersten Galaxien bildeten.

Dank komplizierter Mathematik, aufwendiger Simulationen und anhand der Aufnahmen hochauflösender Apparate, wie des Hubble-Teleskops, ist es Forschern gelungen, den Ursprung der Sternenarchipel zu entschlüsseln.

Stück für Stück konnten sie auf diese Weise die Entwicklung der Galaxien rekonstruieren und fanden heraus, dass ihre Geschichte in mehreren, teils turbulenten Etappen verlaufen ist: Zunächst verlor das Licht zunehmend an Energie und Leuchtkraft, sodass bald eine Finsternis und frostige Kälte einkehrten.

Erst nach vielen Millionen Jahren begannen sich die Gasschwaden im Dunkel zu formieren: Sie ballten sich zu immer dichteren Kugeln zusammen. Diese waren wesentlich massenreicher als unsere Sonne, so dass sie sehr heiß wurden und hohe Drücke bildeten, bis sich dann die ersten Sterne bzw. Ur-Sonnen bildeten.

Infolgedessen wurden auch schwerere Elemente wie Kohlenstoff, Sauerstoff und Eisen durch Kernfusion erzeugt. Wegen ihrer großen Masse war die Lebensdauer dieser Sterne mit 3 bis 10 Mio. Jahren relativ kurz und sie explodierten spektakulär in einer Supernova.

Während der Explosion wurden durch Neutroneneinfang Elemente schwerer als Eisen, wie z.B. Uran, gebildet und gelangten in den interstellaren Raum. Aus ihrer Asche entwickelte sich dann eine noch viel größere Zahl von neuen Gestirnen. Zudem verdichtete der Explosionsdruck angrenzende Gaswolken, die dadurch schneller neue Sterne hervorbringen konnten.

Da die mit Metallen angereicherten Gaswolken schneller auskühlten, entwickelte sich aus ihrer Asche eine noch viel größere Zahl von neuen massenärmeren und kleineren Sternen mit schwächerer Leuchtkraft, aber von längerer Lebensdauer. Diese vereinten sich nach einiger Zeit zu kleinen, unregelmäßig gefomten Sterneninseln bzw. Galaxien.

Die ersten Galaxien

Rund 650 Mio. Jahre nach dem Urknall, d.h. vor mehr als 13 Mrd. Jahren formten sich die ersten Galaxien und begannen zu leuchten.

Den Wissenschaftlern Rachel Livermore und Steven Finkelstein von der University of Texas gemeinsam mit Jennifer Lotz vom Space Telescope Science Institute in Baltimore ist im Februar 2017 erstmals der Blick in diese Frühzeit des Universums und auf eine bisher verborgene Welt gelungen, in der sich an bestimmten Stellen im Universum Gaswolken verdichteten, zusammenballten, als Sterne zu leuchten begannen und die ersten Galaxien formten.

Sie entdeckten unvorstellbar weit entfernte Galaxien aus der Frühzeit des Universums. Diese Galaxien leuchten nur extrem lichtschwach. Sie liegen am Rand des beobachtbaren Universums und entstanden rund 650 Mio. Jahre nach dem Urknall. Gleich 167 dieser – eigentlich sehr häufigen – Objekte konnten nun nachgewiesen werden.

Bislang war der Nachweis nicht möglich, denn selbst für das leistungsfähige Hubble-Weltraumteleskop waren die uralten Galaxien einfach zu düster. Aber die jetzt entdeckten sind noch zehnmal lichtschwächer als alle bisher Bekannten.

Um diese Galaxien sichtbar zu machen, musste erst ein weiterer Kniff erdacht werden: Bei der Erforschung der großräumigen Strukturen half der Effekt der Gravitationslinsen: Diese krümmen den Verlauf von Lichtstrahlen, so dass das Bild eines Objektes in einer anderen Richtung liegen kann, als das Objekt selber.

Dies wird durch Objekte im Vordergrund (z.B. Galaxien) verursacht, die nach der Allgemeinen Relativitätstheorie den Raum in ihrer Umgebung krümmen und so die Lichtstrahlen ablenken. Starke Gravitationslinsen sind dabei sogar nützlich, denn sie können entfernte Galaxien vergrößern, die dadurch einfacher zu entdecken sind.

Die Forscher richteten daher ein Teleskop auf massereiche Galaxienhaufen, die so unglaublich schwer sind – bis zu mehrere Billionen Mal schwerer als die Sonne –, dass ihre Schwerkraft Lichtstrahlen förmlich verbiegt. Sie wirken daher wie Vergrößerungslinsen für die dahinter liegenden, noch viel ferneren Galaxien.

In diesem Fall nutzten die US-Forscher die hellen Galaxienhaufen Abell 2744 und MACS 0416 als Gravitationslinsen. Beide sind einige Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt und damit im Vergleich zu den uralten Galaxien vergleichsweise nah. Dabei ergab sich das Problem, dass die Forscher sehr lichtschwache Galaxien finden wollten, indem sie auf sehr helle Objekte blickten – in etwa so schwierig, wie Sterne am hell erleuchteten Mittagshimmel zu entdecken.

Doch sie entwickelten eine Methode, um das Licht der Galaxienhaufen einfach aus dem aufgenommenen Bild zu entfernen. Dafür wurde die unterschiedliche Lichtqualität der verschiedenen Quellen genutzt. So konnten sie mehr und lichtschwächere Galaxien als jemals zuvor entdecken.

Zukünftige Missionen und Teleskope

Um das kosmologische Modell vom Universum noch weiter zu präzisieren, ist nun Folgendes geplant:

  • im Jahr 2021 soll das James-Webb-Weltraumteleskop die Nachfolge von „Hubble“ antreten; derzeit wird es als ein Gemeinschaftsprojekt der NASA, der ESA und der kanadischen Weltraumagentur (CSA) getestet.
  • Mitte der 2020er-Jahre soll dann ein Weitwinkel-Weltraumteleskop zur Infrarotdurchmusterung, das „Wide Field Infrared Survey Telescope“ („WFIRST“) der US-Raumfahrtbehörde NASA, in den Orbit starten und die Hubble-Konstante quer durch die kosmischen Epochen noch exakter bestimmen.

Sollten keine technischen Probleme auftreten, wird am 30.03.2021 das James-Webb-Teleskop – ein 10 Milliarden Euro Projekt – als Nachfolger des legendären Hubble-Weltraumteleskops mit einer Ariane-5-Rakete ins All gebracht.

Webb wird in 1,5 Mio. Kilometern Entfernung zusammen mit der Erde um die Sonne kreisen, und zwar so, dass es von der Erde aus an einem festen Punkt zu stehen scheint. Für eine solche Flugentfernung gibt es derzeit kein einsatzbereites bemanntes Raumschiff.

Während Hubbles Hauptspiegel nur wenig größer war als die Körperlänge eines sehr großen Menschen, wird das mit Sechs-Meter-Spiegeln ausgerüstete Riesenteleskop das leistungsstärkste Teleskop aller Zeiten sein.

Die Webb-Daten werden keine Fotos im ultravioletten oder im vollen für Menschen sichtbaren Lichtspektrum liefern. Im visuellen Spektrum reichen Webbs Sensoren bis Rot und Orange.

Aber dank seiner unvergleichlich leistungsfähigen Infrarotmessung und seiner enormen Auflösung wird Webb erstmals bis zum mutmaßlichen Ende des Alls blicken können. Es wird das Fenster zu einem Ausblick öffnen, in dem sich Universum und Erdgeschichte an einem gemeinsamen Punkt treffen: Zum ersten Mal werden die Forscher einen Blick auf die Entstehungszeit des Weltalls und der Erde werfen können.

Dabei werden sie das erste Licht des Weltalls sehen können: der für die Forscher der „Heilige Gral“. Denn Dank dieses neuen Instruments können die Wissenschaftler noch weiter in die Geschichte des Universums zurückblicken – bis zu 300 Mio. Jahre nach dem Urknall, als sich die ersten Sterne bildeten.

Zudem wird Webb neben dem Blick auf den Urknall auch die genaue Untersuchung von Planeten möglich machen, die um andere Sterne in der Milchstraße kreisen und vielleicht Leben beherbergen könnten.

Das Teleskop wird aus 18 dünnen, wabenförmigen Segmenten bestehen, die beim Start wie eine Blumenknospe zusammengeklappt sind und erst am Zielort zum Spiegel entfaltet werden – mit einer notwendigen Passgenauigkeit jeder Teilwabe von einem Zehntausendstel einer Haarbreite.

Webb hat eine um den Faktor 100 größere Lichtstärke als Hubble. Das neue Teleskop, ein transatlantisches Vorhaben mit wichtiger deutscher Beteiligung, kann deshalb so tief ins All blicken wie kein anderes je zuvor.

Vom französischen CEA stammt das Gerät für den mittleren Infrarot-Bereich „MIRI“; Haupteinsatzgebiet dieser Komponente ist die Untersuchung der Entstehung von Planeten und die Suche nach Exoplaneten. Wahrscheinlich kann sie die Frage klären, ob der hellste Stern der nördlichen Hemisphäre, Arktur, ein Doppelstern ist, so wie der hellste Stern am Nachthimmel, Sirius. Daran scheiterte auch Hubble.

Die sog. Heliumhydrid-Ionen als die ersten Moleküle, die sich nach dem Urknall im Universum bildeten (Alter: etwa 13,8 Mrd. Jahre)

Moleküle (lat. molecula, „kleine Masse“) sind elektrisch neutrale Teilchen, die aus mehreren Atomkernen bestehen, die durch chemische Bindungen zusammengehalten werden und wenigstens so lange stabil sind, dass sie z.B. spektroskopisch beobachtet werden können.

Nach jahrzehntelanger Suche ist es deutschen Forschern am Max-Planck-Institut im April 2019 gelungen, das erste nach dem Urknall entstandene Molekül im All nachzuweisen: Die sog. Heliumhydrid-Ionen waren die ersten Moleküle, die sich nach dem Urknall vor etwa 13,8 Mrd. Jahren im Universum gebildet haben.

Obwohl die Existenz des „Ions, eine Verbindung aus ionisiertem Wasserstoff und Helium, bereits 1925 im Labor gezeigt wurde, blieb es im All lange unauffindbar. Weit mehr als 10 Jahre benötigten die Forscher, um ein hochauflösendes Spektrometer zu entwickeln, das die individuelle Infrarot-Strahlung des Moleküls im All aufspüren kann.

Von einer zur fliegenden Sternwarte umgebauten Boeing 747 aus wurden schließlich die entscheidenden Messungen gemacht. Das Molekül fand sich in einem planetarischen Nebel etwa 3.000 Lichtjahre von der Erde entfernt.

Der Nachweis könnte helfen, die frühe Entwicklung des Universums besser zu verstehen. Die Forscher erhoffen sich von der Entdeckung, chemische Reaktionen in der Frühphase des Universums kurz nach dem Urknall künftig besser modellieren zu können.

Die Unendlichkeit des Weltalls und die rasant fortschreitende und grenzenlose Ausdehnung des Universums um 1 Lichtjahr pro Jahr

Bis ins 20. Jh. hinein glaubte man, dass das Universum nicht größer als „unsere Milchstraße“ sei. Ein italienischer Priester, Dichter, Philosoph und Astronom namens Giordano Bruno (*Januar 1548; †17.02.1600), erkannte dann die Unendlichkeit des Weltalls und die ewige Dauer des Universums.

Zudem behauptete er, dass andere Sterne wie die Sonne sind. Sie werden wie die Erde von Planeten umkreist, auf denen es vielleicht von Leben wimmelt. Damit stellte er sich der damals herrschenden Meinung eines in Sphären untergliederten geozentrischen Weltbildes entgegen.

Viel schwerer wog jedoch, dass seine pantheistischen Thesen von einer unendlichen materiellen Welt keinen Raum für ein Jenseits ließen, da zeitliche Anfangslosigkeit des Universums eine Schöpfung und dessen ewiger Bestand ein Jüngstes Gericht ausschlossen.

Der von 1592 bis 1605 amtierenden Papstes Clemens VIII. (*24.02.1536; †03.03.1605) vertrat dagegen die Ansicht, wenn es dort Leben gebe, dann könnte es nur gesündigt haben. Und wenn es gesündigt hätte, dann hätte Christus dort auftauchen müssen, um es zu retten. Und dann bräuchte man unzählige Christus-Klone, um jeden Planeten zu besuchen.

Daher wurde Giordano Bruno durch die Inquisitionskommission des Papstes kurzerhand der Ketzerei und Magie für schuldig befunden, vom Gouverneur von Rom zum Tode verurteilt und auf dem Scheiterhaufen verbrannt. – Dabei hat es ihm auch nichts mehr gebracht, dass Papst Johannes Paul II. (*18.05.1920; †02.04.2005) am 12.03.2000 nach Beratung mit dem päpstlichen Kulturrat und einer theologischen Kommission erklärte, die Hinrichtung sei nunmehr auch aus kirchlicher Sicht als Unrecht zu betrachten.

Die Entdeckung des unendlichen Universums und der Expansion des Universums anhand der „Galaxienflucht“

Der amerikanische Astronom Vesto Slipher fand 1912 als Erster die Rotverschiebung der Spektrallinien des Lichts weit entfernter Galaxien.

Mit dem Formalismus der Allgemeinen Relativitätstheorie beschrieben Albert Einstein und Willem de Sitter 1917 zum ersten Mal das Universum als ein statisches, immer gleichbleibendes Gebilde. Diese Beschreibung sollte sich später aufgrund der ständig zunehmenden Expansion des Universums als falsch erweisen.

1925 publizierte Edwin Hubble die Distanz zu dem Nebel in der Andromeda-Galaxie „M 31“, die ganz eindeutig zeigte, dass Andromeda weit außerhalb der Milchstraße liegt. Anhand der „Galaxienflucht“ entdeckte er dann die Expansion des Universums und berechnete er Distanzen zu weiteren Galaxien.

Der russische Physiker Alexander Alexandrowitsch Friedmann (*04.06.1888; †16.09.1925) und der belgische Priester und Physiker Georges Edouard Lemaître (*17.07.1894; †20.06.1966) leiteten dann 1927 aus den Feldgleichungen Einsteins und aus der Verteilung der unzähligen Galaxien im All die Expansion des Universums mit der Folgerung ab, dass sich das Universum ausdehnen müsse und wie sich das Universum seit dem Urknall ausdehnt.

Sie fanden heraus, dass die Grundgleichungen der Relativitätstheorie ein dynamisches Universum ergeben. Dabei erkannten sie kosmologische expandierende Lösungen der Feldgleichungen.

Diese Publikation wurde allerdings kaum zur Kenntnis genommen. Aus der beobachteten Galaxienflucht schloss Lemaître, dass das Universum expandiert. Er verband Sliphers Rotverschiebungen von Galaxien mit Hubbles Distanzen.

Lemaître betonte, dass die „Flucht“ der Galaxien nicht als Bewegung in einem fixen Raum zu verstehen sei, sondern, im Sinn der allgemeinen Relativitätstheorie, als Expansion des Raumes selbst. Die später als Hubble-Konstante bekannt gewordene Beziehung wird seit 2018 als „Hubble-Lemaître-Gesetz“ bezeichnet.

Im Jahr 1929 fand Edwin Hubble dann selbst die Beziehung zwischen den Distanzen der Galaxien und den als Geschwindigkeiten gedeuteten Rotverschiebungen.

Spätestens seit der Arbeit von Lemaître ist bekannt, dass die Entfernung von Galaxien von der Milchstraße und ihre Rotverschiebung proportional sind; eine solche Proportionalität folgt auch aus den Friedmann-Gleichungen, die auch den Urknall beinhalten.

Zugleich war diese Beobachtung die erste Bestätigung der Urknall-Modelle. Einstein wollte diese Erkenntnis zunächst nicht glauben und führte in die Gleichungen eine „kosmologische Konstante“ ein, die ein gleichbleibendes Universum garantieren sollte.

Die Datenlage lässt auf ein Universum mit flacher (Euklidischer) räumlicher Geometrie schließen. Die Expansion des Universums dauert aufgrund des erheblichen Beitrages Dunkler Energie ewig an.

Das Alter des Universums wird auf 13,7 Milliarden Jahre geschätzt. Erste Sterne gab es im Universum bereits vor 13,5 Mrd. Jahren.

Die große Bedeutung der Rot- und Blauverschiebung für die Betrachtung entfernter Galaxien und Sternesowie der Expansion des Raumes

Allerdings konnte der US-Astrophysiker Edwin Hubble (1889-1953), Namenspatron des „Hubble“-Weltraumteleskops, bereits im Jahr 1928 experimentell nachweisen, dass sich nahezu alle Galaxien von uns entfernen.

Zutreffend schloss er aus der Rotverschiebung, dass sich der gesamte Raum ständig und umso schneller weiter ausdehnt, je weiter sie voneinander entfernt sind. Die Rotverschiebung erklärt man damit, dass sich die Galaxien vom Beobachter entfernen.

Hatte Einstein ursprünglich in seinen Theorien noch ein statisches Universum postuliert, fand er nun angesichts dieser damals neuen Theorie des expandierenden Raumes heraus, dass die von ihm in die Feldgleichungen eingeführte kosmologische Konstante instabil war.

Deshalb revidierte er seine Einführung einer kosmologischen Konstante in die Feldgleichungen, um statische Lösungen des Universums zu erhalten. Laut George Gamow bezeichnete er später die Idee einer kosmologischen Konstanten als die „größte Eselei meines Lebens“.

Rot- und Blauverschiebung sind Begriffe aus der Spektroskopie, bei der man Spektrallinien von Atomkernen, Atomen und Molekülen untersucht. In der Astronomie ist die Rotverschiebung die Lageveränderung identifizierter Spektrallinien im Emissions- und Absorptionsspektrum astronomischer Objekte in Richtung der größeren Wellenlängen.

Diese können in Absorption oder Emission auftreten, je nachdem, ob Energie aufgenommen oder abgegeben wird. Die Energie wird durch elektromagnetische Strahlung in Form von Photonen ausgetauscht, ist also gequantelt.

Die Rotverschiebung ist definiert als Verhältnis der Wellenlängenänderung zur ursprünglichen Wellenlänge. Der Name bezieht sich auf das rote Licht am langwelligen Ende des sichtbaren Spektrums.

Bei Infrarot-Emission verschieben sich die Spektrallinien entsprechend in die Richtung der noch längerwelligen Terahertzstrahlung, auch Submillimeterwellen genannt. Dies ist eine elektromagnetische Welle und liegt im elektromagnetischen Spektrum zwischen der Infrarotstrahlung und den Mikrowellen; bei einer Wellenlänge kleiner als 1 mm liegt ihr Frequenzbereich dementsprechend oberhalb 300 GHz.

Die Rotverschiebung einfacher beschrieben: Bewegt sich die Strahlungsquelle vom Beobachter weg, so wird die Spektrallinie zu größeren, roten Wellenlängen hin verschoben.

Die Welle wird gewissermaßen auseinandergezogen. Festgestellt wird die Rotverschiebung durch den Vergleich bekannter Atom- und Molekülspektren mit den mittels Spektroskopie gemessenen Werten, d.h. nach Analyse der Spektrallinien der Emissionen oder Absorptionen im Sternenlicht, z.B. des Wasserstoffs. Bewegt sich die Strahlungsquelle auf den Beobachter zu, so wird die Spektrallinie zu kleineren Wellenlängen hin verschoben.

Diese Verschiebung zu kürzeren Wellenlängen wird als Blauverschiebung bezeichnet, weil die Linie zum blauen Teil des Spektrums verschoben wird. Anschaulich kann man sich vorstellen, wie die elektromagnetische Welle gestaucht wird.

Gravitative Rotverschiebung einer Lichtwelle
Quelle: Wikipedia
Bewegung einer Lichtquelle relativ zum Beobachter
Quelle: Wikipedia

Die gravitative Rotverschiebung wurde von Albert Einstein bereits 1911 vor Fertigstellung der allgemeinen Relativitätstheorie vorausgesagt und kann bereits aus der Energieerhaltung hergeleitet werden, sodass ihre experimentelle Bestätigung zwar notwendige Voraussetzung für die Gültigkeit der allgemeinen Relativitätstheorie ist, aber andererseits nicht sehr große Aussagekraft hat.

Die gravitative Rotverschiebung oder Gravitations-Rotverschiebung im Rahmen der allgemeinen Relativitätstheorie ist eine Wellenlängenvergrößerung für abgestrahltes Licht, also für Licht, das sich von einem Gravitationszentrum entfernt.

Bei der gravitativen Blauverschiebung oder Gravitations-Blauverschiebung handelt es sich um den umgekehrten Effekt einer Wellenlängenverkürzung für einfallendes Licht, also für Licht, das sich auf ein Gravitationszentrum zubewegt. Photonen, die von einer gravitierenden Masse aufsteigen, werden energieärmer.

Dieser Energieverlust ist als „Rotverschiebung“ bekannt, da Photonen im sichtbaren Spektrum mehr rot erscheinen würden. In ähnlicher Weise werden Photonen, die in einem Gravitationsfeld fallen, energiereicher und zeigen eine Blauverschiebung.

Dabei ist zu beachten, dass die Größe des Effektes der Rotverschiebung (Blauverschiebung) keine Funktion des Abstrahl- oder Empfangswinkels des Photons ist – sie hängt nur davon ab, wieweit das Photon im Potentialfeld radial aufgestiegen (gefallen) ist.

Die gravitative Rotverschiebung ist eine direkte Folge der gravitativen Zeitdilatation.

Sie ist streng genommen kein Effekt der allgemeinen Relativitätstheorie, sondern folgt bereits aus der speziellen Relativitätstheorie und dem Äquivalenzprinzip der allgemeinen Relativitätstheorie. Licht, das von einer Lichtquelle mit einer gegebenen Frequenz nach oben (also vom Gravitationszentrum weg) ausgestrahlt wird, wird dort mit einer geringeren Frequenz gemessen.

Das bedeutet also insbesondere, dass bei einem Lichtsignal mit einer bestimmten Anzahl von Schwingungen der zeitliche Abstand zwischen dem Beginn und dem Ende des Signals beim Empfänger größer ist als beim Sender.

Die Entwicklung von Atomuhren hat es möglich gemacht, den Einfluss der Gravitation auf die Zeit auch direkt zu messen. Im Prinzip ist diese Messung eine Variation der Nachweise der gravitativen Rotverschiebung.

Die Annahme des Urknalls und die räumliche Expansion des Universums als Ganzes

Heute wissen wir: Als Expansion des Universums wird die von Beobachtungen abgeleitete Zunahme der räumlichen Ausdehnung des Universums bezeichnet.

Diese wird über die stetige Zunahme der Entfernung weit voneinander entfernter Objekte im Raum definiert. In Übereinstimmung mit der Urknall-Theorie hat sich die Expansion des Universums nach der anfänglichen Inflation in den ersten Milliarden Jahren seiner Existenz verlangsamt.

Seitdem nimmt die Ausdehnungsgeschwindigkeit wieder zu.

Die Erklärung dieser beobachteten beschleunigten Expansion ist Gegenstand aktueller Forschung und hat zum Konzept der Dunklen Energie geführt. Zudem kennen wir die „Fluchtgeschwindigkeit“ des Universums: Das Universum expandiert räumlich – und zwar als Ganzes!

Laut der heute gängigsten Theorie ist die kosmologische Rotverschiebung kein Dopplereffekt im eigentlichen Sinne, sondern beruht auf der allgemeinen zeitlichen Zunahme von Abständen im Universum.

Dies führt zu der Annahme des Urknalls, da die Abstände zwischen den Galaxien in diesem Modell zu einem endlichen Zeitpunkt in der Vergangenheit verschwinden und daher ein Zustand unendlich hoher Dichte vorliegt.

1998 veröffentlichte Beobachtungen weit entfernter Supernovae zeigen, dass die Expansion des Universums heute beschleunigt abläuft. Die Beschleunigung der Expansion wird mit dem Lambda-CDM-Modell beschrieben.

Diese Ergebnisse stimmen überein mit Untersuchungen der kosmischen Hintergrundstrahlung, beispielsweise mittels des Satelliten „Wilkinson Microwave Anisotropy Probe“ (WMAP, früher MAP, auch Explorer 80), einer 2001 gestarteten US-amerikanische Raumsonde, die bis 2010 in Betrieb war.

Als Ursache wird Dunkle Energie angenommen, eine zeitlich variable Verallgemeinerung der kosmologischen Konstante.

Dunkle Energie konnte bislang nicht direkt nachgewiesen werden; ihre einzigen derzeit beobachtbaren Auswirkungen beziehen sich auf die Expansion des Universums sowie die Strukturbildung im Universum.

Aus einigen Beobachtungen, die im Rahmen der normalen Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker-Metrik nicht verstanden werden können, schließt man auf eine Phase exponentieller Expansion in der Frühzeit des Universums. Diese Expansionstheorien werden Inflationstheorien genannt. Es werden auch Erklärungsversuche im Rahmen der allgemeinen Relativitätstheorie untersucht.

Harald Lesch und Klaus Kamphausen haben in ihrem Buch „Die Menschheit schafft sich ab – Die Erde im Griff des Anthropozän“ (Knaur Taschenbuch, München 2016, S. 29) die Ausdehnung des Universums wie folgt beschrieben:

Es ist der Raum, der sich bewegt, in dem er sich ausdehnt. Die Galaxien schwimmen praktisch mit diesem Raum davon. Stellen Sie sich Rosinen in einem aufquellenden Hefeteig vor: Es scheint so, als bewegten Sie sich selbst, tatsächlich aber werden sie mitgetragen. Damit Sie den Unterschied zwischen bewegen und bewegt werden auch wirklich verstehen – er ist im wahrsten Sinne des Wortes weltbewegend –, gebe ich Ihnen noch ein weiteres Beispiel: Nehmen Sie einen Luftballon und kleben sie mehrere Wattebäuschchen darauf. Das sind ihre Galaxien. Jetzt blasen Sie den Ballon auf. Was sehen Sie? Die Wattebäuschchen behalten ihre Form und bleiben Dank Klebstoff auf der Stelle, aber sie entfernen sich trotzdem voneinander. Der Abstand zwischen den Wattebäuschchen wird immer größer, und zwar um so schneller, je weiter sie am Anfang voneinander entfernt waren.“

Brian P. Schmidt, Adam Guy Riess und Saul Perlmutter mit ihrem Nachweis der beschleunigten Ausdehnung des Universums durch die Beobachtung ferner Supernovae (Ende der 1990er-Jahre)

An der Harvard University konnte ein „High-Z Supernova Search Team“ von Brian P. Schmidt und Adam Guy Riess Ende der 1990er-Jahre mittels Supernovae nachweisen, dass sich das Universum beschleunigt ausdehnt. Ein anderes Team war das „Supernova Cosmology Project“ von Saul Perlmutter.

Adam Guy Riess befasste sich vor allem mit der Nutzung von Supernovae als kosmologische Entfernungsmaßstäbe; Mit dem Hubble-Weltraumteleskop verfolgte er ein Suchprogramm nach Supernovae bei noch höherer Rotverschiebung, das bis in die früheren verzögerten Ausdehnungsphasen des Universums reicht.

2011 wurde den drei Wissenschaftlern für ihre Entdeckung der beschleunigten Expansion des Universums durch die Beobachtung ferner Supernovae der Nobelpreis für Physik verliehen.

Brian Schmidt (2011)
Quelle: Wikipedia
Adam Riess (2011)
Quelle: Wikipedia
Saul Perlmutter (2011)
Quelle: Wikipedia

Die immer schneller beschleunigte Ausdehnung des Weltalls

Seit 1998 wissen wir überdies, dass sich das Weltall sogar immer schneller beschleunigt ausdehnt. Für diese sensationelle Erkenntnis wurden die 3 Physiker Adam Riess, Brian Schmidt und Saul Perlmutter im Jahr 2011 mit dem Physiknobelpreis ausgezeichnet.

Nachdem sich die Expansion des Universums gemäß der Urknall-Theorie nach der Inflation verlangsamt hat, nimmt die Ausdehnungsgeschwindigkeit seither zu.

Die Ausdehnungs-Geschwindigkeit heißt zu Ehren des Entdeckers Hubble-Konstante. Sie stellt in der „Hubble-Formel“ den Zusammenhang zwischen der Entfernung einer Galaxie und der Geschwindigkeit her, mit der sie sich von uns entfernt und wie schnell sich das Weltall ausdehnt.

Präziser muss man allerdings sagen, dass sich die Hubble Konstante im Laufe der Entwicklung des Universums beständig verändert. Vor allem in der Phase der sog. Inflation hat sich das Weltall in relativ kurzer Zeit dramatisch aufgebläht.

Sehr ferne Galaxien haben Fluchtgeschwindigkeiten, die größer sind als in einem materiedominierten Universum. Aus der genauen Vermessung der bereits beschriebenen Hintergrundstrahlung lässt sich mit einem mathematischen Modell die Expansionsrate des heutigen Weltalls hochrechnen.

Zudem hat man dadurch, dass die Anfangstemperatur des Universums – wie bereits gesagt – eine Trillionstel Sekunde nach dem „Urknall“ mit 1032 Kelvin bekannt ist, eine Temperatur-Zeit-Korrelation.

Wenn sich das Universum ausbreitet, wird es kälter, d.h. jeder Zeitpunkt entspricht einer bestimmten Temperatur. Damit gibt es eine kosmische „Uhr“, die uns die räumliche Vergrößerung des Universums darstellt.

Beschleuniger, wie der Large Hardon Collider (LHC) werden gebaut, um den Zustand des 1 Trillionstel Sekunde jungen Universums zu simulieren. So wurde Anfang Juni 2016 festgestellt, dass sich das Universum noch 5 bis 9 % schneller als bisher angenommen ausdehnt.

Die Ausdehnung des Kosmos anstelle der langsamen Abbremsung der Ausdehnung durch die gegenseitige Anziehung der Materie

Eigentlich sollte die gegenseitige Anziehung der Materie die Ausdehnung des Kosmos langsam abbremsen, doch stattdessen expandiert er immer schneller.

Bisher weiß niemand, was für die zunehmende Expansion verantwortlich sein könnte. Dies veranlasste James Peebles, der am 10.12.2019 in Stockholm den Physik-Nobelpreis erhielt, 1984 zu seiner vielleicht größten wissenschaftlichen Leistung und einem radikalen Schritt: Er rehabilitierte Einsteins „Eselei“ und führte die ursprünglich von Albert Einstein ersonnene sog. kosmologische Konstante wieder ein, die heute unter dem Namen „Dunkle Energie“ bekannt ist.

Bei der Suche nach der Ursache der stärker beschleunigten Ausdehnung des Weltalls tappen die Forscher wortwörtlich noch „im Dunklen“: Aber bislang erklären sich die Astrophysiker die Expansion des Weltalls mit einer überall vorhandenen mysteriösen „Dunkle Energie“ als treibende Kraft für die Expansion des Kosmos. Deren Natur ist allerdings noch weitgehend unbekannt und unterliegt weiterhin intensiver Forschung.

Zu diesem Zweck wurde am 25.12.2021 das James-Webb-Teleskop als Nachfolger des legendären Hubble-Weltraumteleskops ins All geschossen.

2019 haben der US-Amerikaner James Peebles sowie die Schweizer Michel Mayor und Didier Queloz jeweils zur Hälfte den Nobelpreis für Physik für ihre Beiträge zum Verständnis des Universums und des Platzes der Erde im Kosmos erhalten.

Mit ihren Entdeckungen haben sie maßgeblich zum Verständnis unseres Platzes im Universum beigetragen: Peebles hat mit seinen Forschungen zum Kosmos den „theoretischen Rahmen“ geschaffen, der die Grundlage für das moderne Verständnis der Geschichte des Universums, vom Urknall bis zu Gegenwart, gebildet hat.

Mayor und Queloz entdeckten 1995 den ersten Planeten außerhalb unseres Sonnensystems, der einen sonnenähnlichen Stern, 52 Pegasi, umkreist. Seitdem sind über 4.000 Exoplaneten in der Milchstraße gefunden worden. Diese Entdeckungen haben die Vorstellungen von der Welt für immer verändert.

Die neueste Vermessung des Universums und die Verschärfung der kosmologischen Rätsel im Rahmen des Projekts „Pantheon+“ (20.10.2022)

Woraus besteht das Universum – und wie schnell dehnt es sich aus?

Zu diesen Fragen hat ein internationales Forschungsteam am Harvard Smithsonian Center for Astrophysics in den USA im Oktober 2022 im Rahmen des Projekts „Pantheon+“ die bislang die bislang präzisesten Daten zu Zusammensetzung und Ausdehnung des Universums ermittelt.

Dazu werteten die Astronomen Daten von über 1.500 Sternexplosionen in bis zu 10,7 Mrd. Lichtjahren Entfernung aus. Das Problem: Das so ermittelte Tempo der kosmischen Expansion steht in deutlichem Widerspruch zu einem mit einer anderen Methode ermittelten Wert. Dies deutet auf die Existenz eines bislang unbekannten physikalischen Phänomens im jungen Kosmos hin.

Das 16.000 Lichtjahre von der Erde entfernte Objekt „G299“
als Überrest einer Supernova vom Typ Ia
Copyright: NASA/CXC/U.Texas

Im Rahmen des Projekts „Pantheon+“ hat das Team den zeitlichen Verlauf der Helligkeit von Sternexplosionen eines bestimmten Typs gesammelt und ausgewertet.

Wenn ein Stern wie unsere Sonne seinen nuklearen Energievorrat vollkommen aufgebraucht hat, endet er als Weißer Zwerg. Nur noch etwa so groß wie die Erde kühlt ein solcher Sternen-Überrest über Jahrmilliarden hinweg langsam ab.

Bildet ein solcher Weißer Zwerg jedoch ein Doppelsystem mit einem zweiten großen Stern, so kann er diesem Doppelsystem Materie – hauptsächlich in Form von Wasserstoff-Gas – entreißen. Irgendwann hat ein Weißer Zwerg dann so viel frischen Wasserstoff angesammelt, dass es zu einer thermonuklearen Explosion kommt – einer Supernova des Typs Ia. Solche Explosionen sind für Astronomen äußerst wertvoll, denn sie leuchten alle gleich hell auf.

Wie hell eine solche Supernova am irdischen Himmel leuchtet, hängt deshalb nur von ihrer Entfernung ab. Aus der beobachteten Helligkeit der Sternexplosion können Astronomen also die Entfernung der Supernova berechnen.

Ausgestattet mit dieser „kosmischen Messlatte“ können Himmelsforscher durch die Beobachtung vieler Supernovae in unterschiedlichen Entfernungen bestimmen, woraus das Universum besteht und wie schnell es sich ausdehnt.

Die Daten von Pantheon+ bestätigen zunächst einmal mit bislang unerreichter Genauigkeit das bisherige kosmologische Modell: Die Materie, aus der Sterne, Planeten und auch wir Menschen bestehen, macht nur einen verschwindend kleinen Anteil von etwa fünf Prozent des Kosmos aus.

Dominiert wird das Universum von Dunkler Materie und Dunkler Energie – zwei bislang mysteriösen Substanzen.

Die Dunkle Materie trägt etwa 25 Prozent zum Kosmos bei und sorgt dafür, dass Galaxien und Galaxienhaufen von der Schwerkraft zusammengehalten werden – allein die sichtbare normale Materie würde dazu nicht ausreichen. Ohne Dunkle Materie wären im Kosmos daher niemals Sterne, Planeten und auch kein Leben entstanden.

Die Forscher vermuten, dass die Dunkle Materie aus bislang unbekannten Teilchen besteht. Doch alle Versuche, solche Teilchen aufzuspüren, blieben bislang ohne Ergebnis.

Noch rätselhafter ist die Dunkle Energie. Das Universum ist vor 13,8 Milliarden Jahren beim Urknall entstanden und dehnt sich seither immer weiter aus. Durch die Anziehungskraft der Materie sollte diese kosmische Expansion langsam abgebremst werden.

Tatsächlich ist das Gegenteil der Fall: Sie beschleunigt sich. Als Ursache sehen die Forscher eine Art von innerer Energie das Raumes. Die Daten von „Pantheon+“ zeigen jetzt, dass diese Dunkle Energie sich im Verlauf der kosmischen Geschichte vermutlich nicht verändert hat, sie ist konstant.

Brisant ist die Antwort von „Pantheon+“ auf die Frage, wie schnell sich das Universum heute ausdehnt. Astronomen beschreiben die Ausdehnungsgeschwindigkeit mit der Hubble-Konstanten, benannt nach Edwin Hubble, dem Entdecker der kosmischen Expansion. Pantheon+ liefert für die Hubble-Konstante einen Wert von 73,4 mit einer Unsicherheit von nur noch 1,3 Prozent.

Es gibt jedoch eine zweite, unabhängige Methode, die Hubble-Konstante zu bestimmen. Sie basiert auf einer genauen Untersuchung der kosmischen Hintergrundstrahlung – einer Art Strahlungsecho des Urknalls – und liefert einen Wert von 67,4 mit einer Unsicherheit von 0,7 Prozent. Die Zahlenwerte geben an, um wie viele Kilometer der Abstand zweier Objekte, die 3,26 Millionen Lichtjahre – ein Megaparsec – auseinander liegen, pro Sekunde zunimmt.

Der Unterschied zwischen den beiden Werten wird als Hubble-Spannung bezeichnet. Bislang gab es unter Forschern immer noch die Hoffnung, dass der Unterschied sich schlicht als statistischer Fehler erweist. Doch mit den neuen Daten von „Pantheon+“ ist die Wahrscheinlichkeit dafür auf weit unter ein Zehntausendstel Prozent gesunken.

Die Forscher hatten gehofft, mit ihren Daten eine mögliche Lösung für das Problem zu finden. Stattdessen müssen sie nun viele verbliebene Erklärungen verwerfen und die Unterschiede sind ernster als je zuvor.

Die Hubble-Spannung deutet auf eine neue Physik im jungen Kosmos hin – und inzwischen gibt es dazu viele theoretische Überlegungen. Aber diese Theorien müssen erst noch dem wissenschaftlichen Prozess standhalten, sich also durch weitere Beobachtungsdaten überprüfen lassen.

Die Mikronova – Eine neue Art von Sternenexplosion

Bisher kannten Astronomen nur die sog. Supernovae als extrem energiereiche Sternenexplosionen. Ein internationales Astronomen-Team hat nun im Jahr 2022 bei der Suche nach Planeten ferner Sterne zufällig eine neue Art von Sternexplosion, die sog. Mikronovae, aufgespürt.

Künstlerische Darstellung eines galaktischen Nebels mit Sternenexplosionen
Copyright: picture alliance / Zoonar

„Mikronova“, das klingt harmlos, klein, niedlich. Aber man sollte sich davon nicht täuschen lassen. Zwar sind die neu erforschten Explosionen im Vergleich zu Supernovae wohl tatsächlich klein.

Sie stoßen nur etwa ein Tausendstel der Energie wie gewöhnliche Novae aus – doch nach irdischen Maßstäben sind es immer noch gewaltige Ereignisse: Die dabei verbrannte Menge an Wasserstoff entspricht etwa der 40.000-fachen Masse des Mount Everest. Ursache dieser Strahlungsblitze sind thermonukleare Explosionen an den Polen Weißer Zwergsterne. Sie stellen das Verständnis von thermonuklearen Explosionen in Frage.

Nova-Explosionen kennen Astronomen seit Jahrhunderten: Manche Sterne leuchten immer wieder über mehrere Wochen hinweg ungewöhnlich hell auf. Dabei handelt es sich um Weiße Zwerge – Endstadien der Entwicklung von Sternen ähnlich unserer Sonne, die ihren nuklearen Energievorrat verbraucht haben und etwa auf die Größe des Erdballs geschrumpft sind.

Bildet ein solcher kompakter Weißer Zwerg mit einem normalen Stern ein Doppelsystem, so kann er mit seiner Anziehungskraft seinem Partnerstern Materie – vor allem Wasserstoff – entreißen.

Sammelt sich auf der Oberfläche des Weißen Zwergs genügend Wasserstoff an, so kommt es zu einer thermonuklearen Reaktion, der Fusion von Wasserstoff zu Helium, die sich explosionsartige über die gesamte Oberfläche des Zwergsterns ausbreitet: Der Stern leuchtet hell als Nova auf.

Doch in den Daten des US-Weltraumteleskops TESS, das auf die Suche nach Planeten bei anderen Sternen spezialisiert ist, stießen die Forscher auf Sternexplosionen, die sich nicht mit diesem Modell erklären lassen.

Ähnlich wie bei Novae steigt auch hier die Helligkeit eines Sterns an, allerdings nicht so stark und lediglich für mehrere Stunden. Die Forscher konnten insgesamt drei derartige Ereignisse in den TESS-Daten identifizieren.

Wie die Beobachtungen zeigen, finden die Mikronovae auf Weißen Zwergen mit starken Magnetfeldern statt. Offenbar lenken diese Magnetfelder die dem Partnerstern entrissene Materie bevorzugt zu den magnetischen Polen des Weißen Zwergs. Dabei kann an der Basis der Magnetpole der Wasserstoff festgehalten werden. Dadurch findet die Kernfusion dann nur an diesen Polen statt.

Die Forscher haben also das erste Mal gesehen, dass die Wasserstoff-Fusion auch lokal begrenzt stattfinden kann.

Das Alter des Universums: Die zeitliche Rückrechnung bis zu dem „Ur-Punkt“ der unendlichen Materie- und Energiedichte (vor 13,82 Mrd. Jahren)

Aus der Erkenntnis, dass sich das Universum ständig weiter ausdehnt, kamen insbesondere Edwin Hubble, Alexander Alexandrowitsch Friedmann (1922, 1924) und Georges Lemaître (1927) auf den konsequenten Gedanken, dass das Universum irgendwann viel kleiner gewesen sein müsse.

Bei der „zeitlich rückwärts“ gerichteten Betrachtung nannte Lemaître den Ursprung des Universums und den Anfang der Schöpfungsgeschichte dann das „Uratom“. So wurde er dann zum eigentlichen Begründer der „Urknall-Theorie“.

Aus der aktuellen Ausdehnungsgeschwindigkeit des Universums können die Wissenschaftler heute zeitlich rückwärts recht präzise das Alter des Universums berechnen.

Die Hubble-Konstante spielt in der Kosmologie damit eine zentrale Rolle, da in ihr z.B. Beispiel das Alter des Universums codiert ist. Aus den sichtbaren Helligkeitsunterschieden der aus großer Distanz beobachteten Sterne, die alle etwa die gleiche Leuchtkraft entwickeln, können die Wissenschaftler die Entfernung von Galaxien und die Beschleunigung der Expansion herleiten und – umgekehrt – den genannten Zeitpunkt der Entstehung des Universums zurückrechnen.

Heute wissen wir, und dass das Tempo der Ausdehnung des Weltalls – möglicherweise aufgrund der sog. Dunklen Energie – sogar zunimmt und sich das Weltall seit 5 oder 6 Mrd. Jahren immer schneller ausdehnt. Formal führt die Lösung zu einem „Ur-Punkt“ vor 13,82 Mrd. Jahren, zu dem

  • der Wert des Skalenfaktors verschwindet,
  • das Universum keine Ausdehnung hatte und
  • die Temperatur sowie Materie- und Energiedichte unendlich groß werden.

Die Erforschung der Frühzeit des Universums mit neuen Teleskopen und Observatorien

Zudem können die Kosmologen heute mit neuen Teleskopen und Observatorien weiter denn je in die Vergangenheit blicken und hierduch das Alter und die Evolution des Universums besser verstehen.

Denn wer Milliarden Lichtjahre entfernte Galaxien und Sterne beobachtet, sieht sie so, wie sie vor Milliarden Jahren waren.

Auf diese Weise können die Forscher rekonstruieren, auf welche Art und seit wann die „Dunkle Energie“ Einfluss auf die Entwicklung des Alls nimmt. Das Hubble Weltraumteleskop ermöglicht hierbei tiefste Blicke ins All und hat unser Bild vom Kosmos und von Schwarzen Löchern, schillernden Gasnebeln und fernen Planeten verändert.

Die Messungen der kosmischen Hintergrundstrahlung zur Beobachtung des frühen Universums und der Entstehung des Universums

Die Messungen der kosmischen Hintergrundstrahlung haben eine Beobachtung des frühen Universums und einen der ersten Beweise für die Theorie von der Entstehung des Universums ermöglicht.

In ihr sind vielfältige Informationen aus der Jugendzeit des Weltalls enthalten – unter anderem lässt sich daraus durch Vergleich mit heutigen Daten auch die Hubble-Konstante ermitteln.

Den Forschern war bewusst, dass sich die kosmische Hintergrundstrahlung am besten vom Weltraum aus vermessen lässt. Denn auf der Erde beeinflussen Rauscheffekte die Messung der Strahlung stark; zudem schwankt die Transmissionsfähigkeit der Erdatmosphäre im Mikrowellenbereich.

Infolgedessen entstand bei der NASA Mitte der 80er Jahre der erste speziell dafür ausgelegte Satellit: der „Cosmic Background Explorer“, kurz „COBE“. Der Start erfolgte 1989. Die wissenschaftliche Leitung des Projekts lag in den Händen von John Mather, George Smoot und David Wilkinson. Wilkinson verstarb 2002, John Mather und George Smoot erhielten für deren Arbeiten an und mit dem COBE-Satelliten 2006 den Physiknobelpreis.

Von COBE wurden dann von 1989 bis 1993 Fluktuationen in der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung durch ein differenzielles Mikrowellenradiometer entdeckt.

Die Größe der Fluktuationen ist größer als der Horizont zu dem Zeitpunkt, als die Hintergrundstrahlung emittiert wurde. Daraus folgt, dass die Fluktuationen primordial sind und aus einer Zeit vor der Trennung von Strahlung und Materie (Transparenz) stammen.

Der „Horizont“ ist derjenige Bereich, in dem kausale Verbindungen bestehen können, z.B. durch die Laufzeit von Licht. Mit dem am 14.05.2009 gestarteten „Planck“-Weltraumteleskops (auch Planck Surveyor genannt) der ESA konnten die Wissenschaftler zudem durch eine größere Auflösung noch genauere Erkenntnisse über die Inflationsepoche gewinnen und die kosmische Hintergrundstrahlung mit großer Genauigkeit vermessen.

Darin sind Fluktuationen in der dichten kosmischen Ursuppe zu sehen, aus denen später die großen Strukturen im Universum entstanden sind.

Heute nimmt man an, dass die kosmologische Inflation unmittelbar nach dem Urknall in winzigen zeitlichen Dimensionen und Mini-Bruchteilen von Sekunden stattgefunden hat.

Die genauen Details und Umstände der Inflation sind aber noch nicht bekannt. Als ein starkes Indiz dafür, dass tatsächlich eine Inflation mit bestimmten Eigenschaften stattgefunden hat, werden allerdings die Messungen der Temperaturschwankungen der kosmischen Hintergrundstrahlung bei der Entkopplung der Materie von der Hintergrundstrahlung in der „Postinflationsphase“ gewertet.

Durch die Ausdehnung und die damit verbundene Abkühlung des Universums spaltete sich der Rest der Ur-Kraft abermals auf in:

  • die starke Kernkraft und
  • die elektroschwache Kraft.

Dabei verselbstständigte sich die starke Kraft, die zwischen den Kernteilchen wirkt. Diese wird heute durch die sog. Quanten-Chromodynamik (QCD) mit den sog. W- und Z-Bosonen als kraftvermittelnde Teilchen beschrieben. Zurück blieb die sog. elektroschwache Kraft, die das Universum in jede der 3 Raumrichtungen um mindestens 50 Größenordnungen explodieren ließ.

Offenbar erfüllte in der Phase der sog. Inflation ein mächtiges sog. Inflatonfeld in den Sekunden 10-35 bis 10-33 das All. Es wurde von Teilchen, den Inflatonen, gebildet, die der Schwerkraft entgegenwirkten, indem sie die kosmische Ausdehnung extrem beschleunigten.

Dies führte dazu, dass sich das Universum innerhalb eines winzigen Sekundenbruchteils um das 100-Billionen-Billiarden-fache von der Größe eines Protons auf den Umfang eines Fußballs aufblähte, weil es von exotischen Inflatonen, für die die Schwerkraft abstoßend wirkte, auseinandergetrieben wurde; dies waren Teilchen, die nie wieder im Universum auftauchten.

Dabei wurden gewaltige Mengen Energie frei, die das Inflatonfeld weiter fütterten und zu einer Ausdehnung des Universums um einen Faktor zwischen 1.030 und 1.050 führten. Der Bereich, der dem heute beobachtbaren Universum entspricht, hätte dabei der Theorie zufolge von einem Durchmesser, der den eines Protons weit unterschreitet, auf etwa 10 cm expandieren müssen.

Zudem poppte das kosmische Kügelchen in der kurzen Phase der Inflation zur Größe eines Medizinballs auf, mit folgenden 2 Konsequenzen:

  • Erstens entstand mit dem strukturellen Übergang des sog. falschen Vakuums zum heutigen sog. richtigen Vakuum das 2018 indirekt durch die Higgs-Teilchen nachgewiesene Higgs-Feld. Dieses Feld verlieh durch den gigantischen Energiegewinn allen damals existierenden Teilchen ihre Massen.
  • Zudem kam es zu der gigantischen und exponentiellen Expansion des Universums, wobei sich die Teilchen überlichtschnell (superluminal), d.h. mit weit über Lichtgeschwindigkeiten voneinander entfernten.

Durch die Aufblähung des Universums wurden die aufgrund der Quantenmechanik immer vorhandenen winzigen Dichteschwankungen auf die Größe von Galaxien aufgeblasen, womit man deren Existenz erklärt.

In der mehrdimensionalen Analysis, der Vektorrechnung und der Differentialgeometrie ist ein skalares Feld (kurz Skalarfeld) eine Funktion, die jedem Punkt eines Raumes eine reelle Zahl (Skalar) zuordnet, z.B. eine Temperatur.

Danach entstanden einige der heute noch bekannten Teilchen, etwa die Elektronen und Positronen, Quarks und Antiquarks, Neutrinos, Vorläufer der Photonen sowie die Gluonen, die für die Vermittlung der Starken Kernkraft zuständig sind. Teilchen und Antiteilchen waren in gleicher Zahl vorhanden, trafen sie sich, annihilierten sie sich gegenseitig. Es herrschte ein ständiges Kommen und Gehen. Dabei bremste sich die Ausdehnung ab.

Diese überlichtschnelle Ausdehnung des Universums steht nicht im Widerspruch zur Relativitätstheorie von Einstein, da diese nur eine überlichtschnelle Bewegung im Raum, nicht jedoch eine überlichtschnelle Ausdehnung des Raumes selbst verbietet.

Nicht die Teilchen im Raum bewegten sich auseinander, sondern ihre Eigengeschwindigkeit war Null. Vielmehr war es der Raum selbst, der mit den darin befindlichen Teilchen so rasant expandierte, wobei keine Information superluminal übertragen wurde.

Bereits nach der Inflationsphase hatte das Universum praktisch die heutigen Abmessungen.

Seitdem dehnte sich das Universum wieder relativ langsam aus, wobei es bis heute seine derzeit bekannte Gestalt angenommen hat. Aber wohl gemerkt: Nur der Raum des Universums dehnt sich aus, nicht dagegen die Galaxien und Sterne im Universum.

Wenngleich das Inflationsmodell bei der Erklärung der (physikalischen) Kosmologischen Konstante in Albert Einsteins Gleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie versagt, welche die Gravitationskraft als geometrische Krümmung der Raumzeit beschreibt, erklärt es doch viele wichtige kosmologische Eigenschaften unseres Universums auf verblüffend einfache Weise:

  • die globale Homogenität des Kosmos (Horizontproblem),
  • die geringe Krümmung des Raumes (Flachheitsproblem),
  • die Tatsache, dass keine magnetischen Monopole beobachtet werden,
  • die großräumigen Strukturen im Kosmos wie Galaxien und Galaxienhaufen und
  • das Spektrum der Temperaturschwankungen der kosmischen Hintergrundstrahlung in der „Postinflationsphase“.

Darüber hinaus erklärt die Inflations-Theorie die Dichtefluktuationen, aus denen als Folge von Quantenfluktuationen des Inflatonfeldes die Galaxien und Galaxienhaufen hervorgegangen sind.

Die extreme Expansion vergrößerte diese Fluktuationen auf entsprechend makroskopische Größe, was eine Standard-Expansion nicht in ausreichendem Maße hätte leisten können.

Unklar ist bis heute die Ursache für das Ende der Inflation.

Eine mögliche Erklärung ist die Tatsache, dass die Inflatonen – wie nachfolgend beschrieben – in der sog. Quark-Ära im Bruchteil von 1 Sekunde zerfielen. Nach den sog. Slow-Roll-Modelle soll das Inflatonfeld ein energetisches Minimum erreicht haben, sodass die Inflation endete; eine Alternative ist das bereits beschriebene GUT-Modell, in denen das Ende der Inflation durch Brechung der GUT-Symmetrie erklärt wird.

Aktuell verfolgen viele Experten das Konzept der „ewigen Inflation“.

Dies bedeutet, dass sich das Universum nach dem Urknall unendlich schnell ausgedehnt haben muss, und dass die inflationäre Ausdehnung bis heute weiter anhält. Nur einige Regionen und Sonderbereiche des Kosmos sollen eine Ausnahme darstellen, die sich quasi als „Taschen“ mit eigenen Naturgesetzen gebildet haben sollen und in denen die Inflation zum Stillstand gekommen sein soll.

Unser Teil des Universums, also alle Sterne, die wir beobachten können, sollen Teil einer solchen Tasche sein. Nur diese Teile des Universums wären überhaupt bewohnbar. Für immer wären wir von den anderen Taschen mit ewiger Inflation getrennt.

Die Theoretiker sprechen daher auch von einem Multiversum, also einem Kosmos, in dem je nach Region viele verschiedene Arten von Naturgesetzen nebeneinander gültig sein können.

Im „Journal of High Energy Physics“ der Universität Cambridge ist eine Studie erschienen, die Stephen Hawking noch 7 Wochen vor seinem Tod am 14.03.2018 gemeinsam mit dem Wissenschaftler Thomas Hertog von der Universität Löwen in Belgien verfasst hat.

In dieser Studie haben Stephen Hawking und Thomas Hertog die Idee eines „Multiversums in einem Meer ewiger Inflation mit Taschen“ zurückgewiesen.

Dabei haben sie eine deutlich einfachere Theorie vom Beginn des Universums, dem Urknall, begründet, die die Fachwelt auf den Kopf stellen könnte. Wie sie berechnet haben, enthält ihre neue Theorie zugleich Aussagen zur wabenartigen Struktur des Universums, die experimentell überprüfbar sein sollen.

Als Grundlage haben Hawking und Hertog die sog. Stringtheorie angewendet, die die Quantenphysik, Allgemeine Relativitätstheorie und Gravitation gemeinsam zum Ansatz bringt. Diese nimmt an, die kleinsten Teile des Universums seien kleine schwingende Saiten, die die Physik der Quanten mit der Physik der Einstein’schen Gravitation verbinden.

Dabei haben die beiden Forscher diese Stringtheorie benutzt, um Zeit als eine Art Hologramm zu beschreiben. Bei einem Hologramm lässt sich dreidimensionaler Raum als Projektion auf einer zweidimensionalen Fläche darstellen.

Ihnen zufolge gibt es am Ende der Inflation des Universums nach dem Urknall eine Art Oberfläche, die aber erst durch unsere Vorstellungen von Zeit ihre Gültigkeit bekommt. Anders als die Theoretiker des Multiversums beschreiben Hawking und Hertog, dass es nach dieser Grenze der Zeit keine unendliche Ausdehnung mehr gibt.

Das Universum habe damit genau die einfachen Strukturen, die im Prinzip auch mit Hilfe der Astronomie beobachtbar sind.

Nach dem Tod seines Kollegen möchte Hertog die gemeinsame Arbeit fortsetzen. Er hofft, dass vom Anbeginn der Zeit Gravitationswellen ausgesendet worden sind, die sich heute noch beobachten lassen, ähnlich dem „Rauchen eines Colts“. Mit den gegenwärtigen Detektoren auf der Erde können sie zwar noch nicht gemessen werden.

Ob Hawking und Hertog recht behalten, wird sich aber eines Tages mithilfe von künftigen Gravitationswellendetektoren überprüfen lassen. Denn im All stationierte Detektoren dürften eines Tages in der Lage sein, das Echo des Urknalls zu vermessen, woraus sich die Natur der kosmischen Inflation wird ableiten lassen.

Forschungssatelliten, die Hawkings letzte These überprüfen könnten, sind bereits von der ESA geplant. Es sollen 3 Satelliten ins All gebracht werden, die gemeinsam einen hochempfindlichen Gravitationswellendetektor bilden. Das Projekt trägt den Namen „ELISA“.

Die Satelliten „Cosmic Background Explorer” (COBE) und „Wilkinson Microwave Anisotropy Probe“ (WMAP, früher MAP, auch Explorer 80) (2001 – 2010)

Bereits in den Jahren 1989 bis 1992 erforschte der „Cosmic Background Explorer“ (COBE) aus einem Erdorbit die kosmische Hintergrundstrahlung.

Wie bereits beschrieben, stimmt die mit dem Lambda-CDM-Modell errechnete Beschleunigung der Expansion überein mit Untersuchungen der kosmischen Hintergrundstrahlung, beispielsweise mittels des NASA-Nachfolger-Satelliten „Wilkinson Microwave Anisotropy Probe“ (WMAP, früher MAP, auch Explorer 80).

Diese 840 kg schwere US-amerikanische Raumsonde war am 30.06.2001 auf einer Delta-II-7425-10-Trägerrakete gestartet und bis 2010 in Betrieb. Sie diente zur Erforschung von Unregelmäßigkeiten in der kosmischen Hintergrundstrahlung.

Von dieser Strahlung sollte eine Karte angefertigt werden, daher passt auch die Abkürzung „MAP“ (zu dt.: Karte). WMAP drehte sich in ca. 129 Sekunden langsam um die eigene Achse. Ihr Hauptkörper war etwa turmförmig und trug ein „Pseudo-Correlation-Radiometer“ genanntes Instrument, mit zwei Rückseite an Rückseite angebrachten Gregory-Antennen von 1,4 m × 1,6 m Hauptspiegelgröße. Die Sekundärspiegel waren 0,9 m × 1,0 m groß. Es maß auf den Frequenzen 22, 30, 40, 60 und 90 GHz. Die Signalanteile, die bei beiden Antennen identisch sind, wurden nicht registriert. Das verbleibende Signal wurde gemessen.

Im Dezember 2002 wurde die Sonde in „WMAP“ umbenannt, wobei das „W“ für den Physiker David Todd Wilkinson (1935–2002), einen der Entdecker bzw. Erforscher der kosmischen Hintergrundstrahlung steht.

WMAP sollte eine um den Faktor 20 verbesserte Karte erstellen. Die Instrumente konnten Temperaturunterschiede im Bereich von 20 Millionstel Grad messen. Für WMAP wurde auch ein neuer Beobachtungsort ausgewählt: der sonnenabgewandte Lagrange-Punkt L2. Deshalb wurde WMAP als Raumsonde und nicht als Satellit eingestuft.

Die Messungen decken den gesamten Himmel ab. Die gemessenen Temperaturfluktuationen spiegeln die Materieverteilung im Universum zum Zeitpunkt der Entkopplung von Strahlung und Materie wenige hunderttausend Jahre nach dem vor etwa 13,7 Mrd. Jahren erfolgten Urknall wider. Die Strahlung ist insgesamt extrem homogen, die Schwankungen relativ zum Mittelwert, der gegenwärtig bei etwa 2,7 Kelvin liegt, betragen etwa 5·10−5.

Die von WMAP gemessenen Temperaturschwankungen
der kosmischen Hintergrundstrahlung: Rot entspricht höheren Temperaturen, blau niedrigeren Temperaturen.
Quelle: Wikipedia

Eine Nachfolgemission, das europäische Planck-Weltraumteleskop, wurde im Mai 2009 mit einer Ariane-Rakete gestartet und die Raumsonde Planck vermaß von August 2009 bis Oktober 2013 die Strahlung mit dreifacher Auflösung – bei besserer Ausblendung der Störstrahlung.

Das Weltraumteleskop „Kepler“

Im März 2009 startete die NASA das „Kepler-Weltraumteleskop“, um nach extrasolaren Planeten (Exoplaneten) zu suchen. Benannt wurde das Projekt nach dem deutschen Astronomen Johannes Kepler, der Anfang des 17. Jh.s die Gesetzmäßigkeiten der Planetenumlaufbahnen erkannte.

Mitte Mai 2013 erklärte die NASA, dass Kepler infolge zweier defekter Reaktionsräder nicht mehr mit der bisherigen Präzision ausgerichtet werden konnte. Am 15.08.2013 wurde die Hauptmission daher eingestellt. Allerdings konnte Kepler mit einer modifizierten Mission (K2 genannt) weiterhin nach Exoplaneten suchen.

So konnte dann ein internationales Astronomen-Team der NASA mithilfe des Weltraumteleskops „Kepler“ 2015 das (bislang bekannte) älteste Sonnensystem mit 4 Planeten erdähnlicher Größe, genannt „Kepler-444“, entdeckt; dessen Geburtsstunde liegt etwa 11,3 Mrd. Jahre, also „nur“ etwa 2,5 Mrd. Jahre nach dem Urknall vor 13,82 Mrd. Jahren, zurück. Der Fund belegt, dass während des Großteils der etwa 13,82 Mrd. Jahre währenden Geschichte des Universums Planeten von erdähnlicher Größe entstanden sind.

Daher ist es denkbar, dass auch in den frühen Phasen des Universums lebensfreundliche Welten existiert haben. Die wissenschaftlichen Beobachtungen wurden am 30.10.2018 aufgrund von Treibstoffmangel beendet, und am 15.11.2018 wurde das Teleskop endgültig abgeschaltet.

Das Hubble Weltraumteleskop, die Entdeckung des ältesten Sterns mit der Geburtsstunde „nur“ 2,5 Mrd. Jahre nach dem Urknall sowie die derzeitige Ausdehnung des Weltalls mit 13,5 Mrd. Lichtjahren (24.04.1990)

Als erstes wurde am 24.04.1990 das von der NASA und der ESA gemeinsam entwickelte und nach dem Astronomen Edwin Hubble benannte Hubble-Weltraumteleskop (englisch Hubble Space Telescope, kurz HST) an Bord des Space Shuttles Discovery“ mit der Space-Shuttle-Mission STS-31 vom Weltraumbahnhof Cape Canaveral ins All gestartet, am nächsten Tag im Orbit ausgesetzt und danach durch mehrere Reparatur- und Wartungsmissionen verbessert.

„Das „Hubble Space Telescope“ im Einsatz
Copyright: Getty Images/Stocktrek

Seitdem umkreist das fliegende Observatorium in 550 km Höhe mit einer Geschwindigkeit von 28.100 Stundenkilometer – seit gut 30 Jahren – die Erde. Ohne den störenden Einfluss der Erdatmosphäre kann das Autobus-große und 11 Tonnen schwere Weltraumteleskop viele Beobachtungen machen, die vom Erdboden aus nicht möglich gewesen wären. Es arbeitet im Bereich des elektromagnetischen Spektrums vom Infrarotbereich über das sichtbare Licht bis in den Ultraviolettbereich. Der Spiegeldurchmesser beträgt 2,4 Meter.

Aber entsprechend betagt ist die Technik. Das NASA Standard Spacecraft Computer-1-System (NSSC-1) ist ein Rechner aus den 1980er-Jahren. Seither hat es häufiger technische Probleme gegeben, es wurde mehrmals von NASA-Astronauten repariert.

Kein anderes Forschungsinstrument genießt weltweit so große Popularität wie das Weltraumteleskop „Hubble“. Inzwischen hat es mehr als 1,5 Millionen Aufnahmen zur Erde gefunkt und spektakuläre Bilder von Planeten, Sternen, Asteroiden und fernen Galaxien geliefert. „Hubble“ hat das Universum gleichsam erfahrbar gemacht und bei vielen Menschen das Interesse an Astronomie geweckt.

Man kann auch sagen, dass es die Astronomie revolutioniert hat. Die von „Hubble“ geschossenen Fotos sind nicht nur von hohem ästhetischem Reiz, sondern sie liefern den Astrophysikern auch tatsächlich relevante neue Erkenntnisse. So haben Wissenschaftler bislang in mehr als 19.000 begutachteten Fachartikeln über von „Hubble“ gemachte Entdeckungen berichtet.

Der große Vorteil von „Hubble“ im Vergleich zu irdischen Teleskopen besteht darin, dass es nicht durch die Erdatmosphäre hindurch in die Tiefen des Alls blicken muss. Weder Regenwolken, Staubteilchen noch Luftturbulenzen beeinträchtigen „Hubbles“ kristallklaren Blick. Die Leistungsfähigkeit von „Hubble“ ist mit der Zeit sogar größer geworden. Bei Wartungsmissionen wurden defekte Teile ausgetauscht beziehungsweise auch noch funktionierende Teile durch bessere ersetzt. Zuletzt ist „Hubble“ im Jahr 2009 gewartet worden.

Forscher haben für die Messung der Ausdehnung des Universums verschiedene Maßstäbe entwickelt. Eine sehr bewährte Methode nutzt regelmäßig pulsierende Riesensterne, die sog. Cepheiden in anderen Galaxien, die auch „kosmische Meilensteine“ genannt werden.

Bei ihnen handelt es sich um eine Gruppe der pulsationsveränderlichen Sterne, bei denen die Schwankungen in der Helligkeit streng periodisch erfolgen. Diese Sterne leuchten bis zu 100.000 Mal heller als unsere Sonne und sind daher auch über große Distanzen zu sehen. Dabei schwankt ihre Helligkeit in einem gleichmäßigen Takt, dessen Länge von der Leuchtkraft des jeweiligen Sterns abhängt.

Daraus lässt sich sehr gut ihre Entfernung bestimmen: Auf Grund des Schwankungsrhythmus kennen die Astronomen die absolute Helligkeit eines Cepheiden-Sterns und können so ausrechnen, wie weit er entfernt sein muss, damit er am irdischen Firmament gerade so hell erscheint wie beobachtet.

Auf diese Weise kennen die Wissenschaftler von jedem untersuchten Cepheiden nicht nur die exakte Position am Himmel, sondern auch seine genaue Entfernung. Die Periode hängt direkt mit ihrer Leuchtkraft zusammen und gibt Aufschluss darüber, wie hell sie strahlen.

Der Vergleich, wie hell ferne Cepheiden erscheinen, mit der Helligkeit naher Cepheiden ermöglicht es zu bestimmen, wie weit die jeweiligen Heimatgalaxien der Sterne entfernt sind

Besonders wichtige Ergebnisse sind:

  • Höchstempfindliche Aufnahmen zur Untersuchung der Entwicklung von Galaxien, wie das Hubble Deep Field, Hubble Ultra Deep Field und Hubble Extreme Deep Field.
  • Kalibrierung der kosmischen Entfernungsskala durch Beobachtung von Cepheiden in nahen Galaxien
  • Untersuchung der sich beschleunigenden kosmischen Expansion anhand der Helligkeit bzw. Rotverschiebung von fernen Supernovae durch Beobachtung ferner Supernovae sowie die Bestimmung der Kosmologische Konstante bzw. Dunkle Energie; die beschleunigte Expansion lässt sich sehr gut mit einer kosmologischen Konstante beschreiben und ist Bestandteil des erfolgreichen Lambda-CDM-Modells, des Standardmodells der Kosmologie.
  • Nachweis von Schwarzen Löchern in den Kernregionen vieler naher Galaxien und unserer Heimatgalaxie, der „Milchstraße“.

Astronomen um den US-Nobelpreisträger Adam Riess schließen aus neuen Messergebnissen des „Hubble“-Weltraumteleskops, dass das Universum auf 13,5 Mrd. Lichtjahre ausgedehnt ist und sich zurzeit in jedem Jahr um 1 weiteres Lichtjahr erweitert.

Da 1 Lichtjahr diejenige Strecke ist, die das Licht in einem Jahr zurücklegt und die knapp 10 Billionen Kilometern entspricht, ist das Universum also in jeder Richtung sage und schreibe 13,5 Mrd. mal 10 Billionen Kilometer groß ist.

Die erhöhte kosmische Expansionsrate steht im deutlichen Unterschied zu der bisher gemessenen Ausdehnung des jungen Universums direkt nach dem Urknall.

Im Dezember 1995 wurde mit dem Hubble-Weltraumteleskop in der damals maximalen technischen Auflösung das Bild eines kleinen Teils des Sternenhimmels, genannt Hubble Deep Field (HDF) oder Hubble-Tiefenfeld aufgenommen wurde. Der ausgewählte Bereich des Himmels enthält nur wenige nahe Sterne und andere nahe Objekte, sodass weit entfernte Galaxien bis zu einer Entfernung von etwa 12 Mrd. Lichtjahren beobachtet werden konnten. Das Hubble Deep Field ermöglicht so die Untersuchung der Entwicklung von Galaxien im frühen Universum.

Das Hubble Deep Field
Quelle: Wikipedia

Eines der Ziele des Hubble-Weltraumteleskops (HST) war es, hochauflösende Aufnahmen von weit entfernten Galaxien zu machen, die vom Boden nicht möglich sind. Über der Atmosphäre beobachtet das HST frei von atmosphärischen Störungen, wodurch es im Ultraviolettbereich viel empfindlicher sehen kann als Teleskope auf der Erde (sobald gute adaptive optische Korrekturen auch im sichtbaren Bereich möglich sind, können Teleskope der 10-Meter-Klasse auf der Erde mit dem Hubble-Weltraumteleskop konkurrenzfähig werden).

Obwohl der Teleskopspiegel am Anfang sphärische Aberration zeigte, war das Teleskop bereits seit Anfang 1990 in der Lage, Galaxien in zuvor unerreichbarer Entfernung aufzunehmen. Da Licht viele Milliarden Jahre braucht, um von weit entfernten Galaxien zur Erde zu kommen, sieht man diese in dem Zustand, den sie im frühen Universum hatten. Durch die Ausdehnung der Beobachtungsmöglichkeiten zu immer weiter entfernten Galaxien kann man daher besser verstehen, wie sich diese entwickeln.

Für das Hubble Deep Field wurde ein Bereich im Großen Bären (Big Dipper) ausgewählt, der relativ frei von störenden Sichteinflüssen und umgebenden hellen Sternen ist.

Das HDF in einer von Hubbles ständigen Beobachtungszonen
Quelle: Wikipedia

Das Gebiet ist so klein, dass sich darin nur wenige Sterne der Milchstraße befinden. Alle anderen Objekte sind Galaxien, darunter die nach dem Urknall jüngsten und deshalb am weitesten entfernten, die man bis dahin beobachtet hatte.

Da so viele sehr junge Galaxien gefunden wurden, ist das HDF ein Meilenstein in der Erforschung des frühen Universums und wurde zur Quelle von fast 400 wissenschaftlichen Artikeln. Das Gebiet hat eine Kantenlänge mit etwa demjenigen Winkel, unter dem ein Tennisball in 100 m Entfernung erscheint. Das Bild ist eine Überlagerung von 342 Einzelbildern, die mit der Wide Field and Planetary Camera 2 (WFPC2) des Hubble-Weltraumteleskops im Verlauf von 10 Tagen zwischen dem 18. und 28.12.1995 aufgenommen wurden.

Drei Jahre nachdem die HDF-Beobachtungen gemacht wurden, wurde eine Region in der südlichen Hemisphäre ausgesucht und auf die gleiche Weise ausgewertet. Das Bild erhielt den Namen Hubble Deep Field South.

Aus den Gemeinsamkeiten zwischen den beiden Regionen schloss man, dass das Universum im größeren Maßstab homogen und isotrop ist und dass sich die Erde in keinem speziellen Gebiet des Universums befindet (das kosmologische Prinzip).

2004 wurde ein weiteres Bild veröffentlicht, genannt Hubble Ultra Deep Field, welches mit einer Belichtungszeit von 11,3 Tagen im sichtbaren Licht nochmals tiefer ins Universum hineinblickt.

Den bisher tiefsten Blick in das Universum gewährt das 2012 herausgegebene Bild Hubble Extreme Deep Field mit einer Belichtungszeit von 23,1 Tagen. Dabei richteten die Astronomen eine Kamera mehr als 100 Stunden lang auf einen kleinen, scheinbar nahezu völlig leeren Himmelsbereich im Sternbild „Großer Bär“: Die Aufnahmen des „Hubble extreme Deep Field“ erfolgten mit einer Gesamtbelichtungszeit von 22 Tagen und es folgten weitere, zum Teil noch längere Belichtungen in verschiedenen Wellenlängenbereichen des Lichts.

Die Aufnahmen Hubbles vor und nach der optischen Korrektur
Quelle: Wikipedia

Laut NASA und ESA gelten die Aufnahmen als bislang tiefster Blick ins sichtbare Weltall. Zum ersten Mal konnte auch die Atmosphäre eines Planeten bei einem anderen Stern untersucht werden. Außerdem konnten in den Tiefen des Weltalls einige der ersten Galaxien aufgespürt werden, die nach dem Urknall entstanden sind, und auch das älteste Sternenlicht, das je aufgenommen wurde.

Hubbles Daten haben ikonische Bilder des Weltalls erbracht und führten außerdem zu der Entdeckung, dass das Weltall sich nicht nur ausdehnt, sondern dass diese Ausdehnung stetig an Tempo zunimmt; Hubble hat mit seinen Messungen auch die derzeitige Ausdehnung des Weltalls auf 13,5 Mrd. Lichtjahre präzisieren können.

Aber für die Tiefenbeobachtung stößt es an physische Grenzen. Für die Infrarotsuche nach uralten Galaxien aus der Anfangszeit des Weltalls sind seine Instrumente nicht leistungsfähig genug.

Wissenschaftler verzweifeln oftmals an der Technik aus dem vergangenen Jahrtausend. Im Juni 2021 hat es das Hubble-Teleskop getroffen und die Nasa musste verkünden: „Wir sind blind.“ Wegen Computerproblemen – offenbar die Fehlfunktion einer Speicherplatine –hatte das Hubble-Weltraumteleskop seinen Dienst versagt.

Den Ingenieuren fällt in so einem Moment genau das ein, was auch irdischen Computernutzern meist hilft: „Reboot tut immer gut“. Doch ein Neustart des Computers hat das Hubble nicht wieder sehend gemacht. Alle Anstrengungen, das System wieder zum Laufen zu bringen, sind bislang gescheitert. Die Gerätschaften des Teleskops verharren jetzt in einer Art Sicherheitsmodus.

Insgesamt hat die Menschheit dem Hubble-Weltraumteleskop aber viel zu verdanken. In den vergangenen 3 Jahrzehnten hat es unzählige Aufnahmen von Galaxien, Sternen und Phänomenen gemacht, die unser Bild vom Universum geprägt haben.

Aber im Grunde gibt es auch auf der Erde genug zu tun. Viele alte Maschinen und Kraftwerke laufen noch mit betagter Technik. Erst vor 2 Jahren hat die US Air Force ein 40 Jahre altes Computersystem modernisiert, das die Atomstreitkräfte koordinierte.

Das Strategic Automated Command and Control System (SACCS), über das beispielsweise Alarmmeldungen an Raketenbunker geschickt werden, lief auf einem IBM-Series/1-Computer, in dem noch Acht-Zoll-Floppy-Discs verwendet wurden. Dieses Modell wurde 1976 eingeführt. Das Militärportal „C4ISRnet“ zitierte einen Air-Force-Offizier, der das Alter des Computers sogar als Grund für seine Sicherheit ansieht: „Was keine IP-Adresse hat, kann auch nicht gehackt werden.“

Das weitere Schicksal und das Ende des „Hubble“ Weltraumteleskops

Zurzeit ist nicht absehbar, wie lange das Teleskop noch Bilder liefern wird. Allerdings besitzt „Hubble“ im Gegensatz zu seinem Nachfolger „James Webb“ kein eigenes Triebwerk.

„Hubble“ verliert daher Energie und gelangt auf niedrigere Umlaufbahnen, weil es auch in einer Höhe von 530 Kilometern über der Erde immer noch Moleküle der Erdatmosphäre gibt, die für ein wenig Reibung sorgen. Je tiefer der Orbit, umso mehr Luftteilchen gibt es dort und umso größer wird die Reibung. Der Prozess des Abstiegs wird mit der Zeit also immer schneller.

Wenn „Hubble“ zwischenzeitlich nicht mit fremder Hilfe wieder in eine höhere Umlaufbahn gehoben wird, dürfte das Teleskop etwa im Jahr 2040 in der Erdatmosphäre verglühen.

Die Frage ist daher: Kann und will man dieses Ende verhindern und „Hubble“ für weitere Jahrzehnte einsatzfähig halten? Um diese Frage zuz beantworten, hat die amerikanische Weltraumbehörde NASA Raumfahrtfirmen aufgerufen, Vorschläge zu machen, wie das berühmte Weltraumteleskop gerettet werden könnte.

Denkbar wäre es zum Beispiel, dass eine Crew-Dragon-Kapsel der Firma SpaceX zu „Hubble“ fliegen und das Forschungsinstrument auf eine höhere Bahn anheben könnte. Falls man sich zu einem solchen Projekt entschließen sollte, hätte dies den sentimentalen Aspekt, den Pionier der Weltraumteleskope nicht verglühen zu lassen. Allerdings könnte es nach mehr als drei Jahrzehnten wissenschaftlich-technischem Fortschritt sinnvoller sein, einen „Hubble II“ mit neuester Messtechnik zu bauen.

Zu den Highlights der „Hubble“-Beobachtungen gehört die Kollision eines Asteroiden mit dem Riesenplaneten Jupiter. Dieser Crash konnte dank „Hubble“ live verfolgt werden. Ohne „Hubble“ hätte man die Bahn des mysteriösen Objekts „Ouamuamua“ nicht verfolgen können. Dieser interstellare Asteroid hatte unserem Planetensystem im Jahr 2017 einen kurzen Besuch abgestattet.

Auch hat „Hubble“ hat Monde entdeckt, die den Zwergplaneten Pluto umrunden, und Geburtsstätten von Sternen in kosmischen Wolken beobachtet.

Nicht zuletzt hat „Hubble“ zahlreiche Exoplaneten entdeckt, also Planeten, die nicht unsere Sonne, sondern einen fernen Stern umkreisen. Für die Erforschung der Atmosphären dieser Exoplaneten ist allerdings das in diesem Jahr in Betrieb genommen Weltraumteleskop „James Webb“ deutlich besser geeignet. Im Gegensatz zu „Hubble“ kann es auch Messungen im Infrarot-Wellenlängenbereich durchführen.

Die 5 Weltraumteleskope der NASA im Rahmen ihres Great Observatory Programms

Im Rahmen ihres Great Observatory Programms wurden von der NASA 4 Weltraumteleskope geplant:

  • das James-Webb-Weltraumteleskop als Nachfolger des Hubble-Weltraumteleskops
  • das Compton Gamma Ray Observatory
  • das Chandra X-Ray Observatory
  • das Spitzer-Weltraumteleskop und
  • der Imaging X-Ray Polarimetry Explorer (IXPE).

Das James-Webb-Weltraumteleskop als Nachfolger des Hubble-Weltraumteleskops (25.12.2021)

Mehr als 30 Jahre haben Astronomen und Laien die wunderbaren Bilder bestaunt, die das Weltraumteleskop „Hubble“ von Galaxien, Planeten und Monden geliefert hat. Am 25.12.2021 wurde nun das „James-Webb-Weltraumteleskop“ (engl.: James Webb Space Telescope, abgekürzt JWST) als sein Nachfolger mit einer Ariane-5-Rakete vom europäischen Weltraumbahnhof Kourou in Französisch-Guayana ins All geschossen.

Das James-Webb- Weltraumteleskop
durchmustert das Universum im Bereich des Infrarotlichts
Copyright: ESA / D. Ducros
Copyright: AFP

Benannt ist das neue Teleskop der Superlative nach dem früheren NASA-Chef James Edwin Webb (*07.10.1906; †27.03.1992), dem vom Februar 1961 bis zum Oktober 1968 zweiten Administrator der NASA, unter dessen Ägide die erste Landung von Menschen auf dem Mond geplant wurde.

Das Teleskop soll 1,5 Mio. Kilometer weit in den Weltraum fliegen und für diese Strecke etwa 4 Wochen benötigen. Das James-Webb-Teleskop wurde laut Betreiberangaben rund 30 Jahre lang entwickelt und kostete etwa 10 Mrd. US-$ (8,8 Mrd. Euro).

Das JWST ist ein Gemeinschaftsprojekt der NASA, der ESA und der kanadischen Weltraumagentur (CSA). Mit dem Teleskop sollen die ältesten Galaxien des Weltalls erkundet werden.

Mit dem Teleskop wollen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler mehr über das frühe Universum lernen.

Sie erhoffen sich von den Aufnahmen unter anderem Erkenntnisse über die Zeit kurz nach dem Urknall vor rund 13,8 Milliarden Jahren. Die Aufnahmen sollen den Astronomen daher einen Blick zurück in die Frühzeit des Universums ermöglichen, ferne Planeten erforschen und noch brillantere Bilder liefern als „Hubble“.

Nach dem Urknall vor etwa 13,8 Milliarden Jahren hat das Universum nur aus Wasserstoff und etwas Helium bestanden. Die Elemente, aus denen wir hauptsächlich bestehen (Kohlenstoff, Sauerstoff, Stickstoff) wurden vor etwa 13 Mrd. Jahren in den Sternen dieser ersten Galaxien erbrütet.

Durch Supernova-Explosionen sind sie in unseren Bereich des Universums geschleudert worden. Dort ist dann vor 4,5 Mrd. Jahren unser Sonnensystem und unsere Erde entstanden.

Das Teleskop erforscht die Frühzeit des Kosmos, nur einige hundert Millionen Jahre nach dem Urknall vor etwa rund 13,8 Milliarden Jahren. Astronomen versprechen sich Rückschlüsse auf die Bildung der ersten Sterne und Galaxien. Sie hoffen auf Bilder von Sternen, die älter sind als unser Sonnensystem und vielleicht nicht mehr existieren – und möglicherweise sogar auf Hinweise auf eine zweite Erde, beziehungsweise die Frage, ob es Leben in fremden Welten geben könnte.

Vor allem soll das James Webb Teleskop helfen, die Fragen zu beantworten:

  • Gibt es Leben auf anderen Welten?
  • Was geht im Kern eines Schwarzen Loches vor sich?
  • Existieren Wurmlöcher, als Verbindung zu anderen Stellen im Universum?
  • Haben sich zuerst Sterne gebildet oder zuerst die Galaxien?
  • Und wie? Und wann? Und warum?

Im Gegensatz zu „Hubble“ umkreiste das „JWST“ nach seinem Start nicht die Erde, sondern wurde an einem 1,5 Mio. Kilometer entfernten Ort an der sonnenabgewandten Seite am Lagrange-Punkt L2 des Erde-Sonne-Systems stationiert. Dort ist das Teleskop nicht nur vor irdischen Störungen geschützt, sondern kann nahezu antriebslos gemeinsam mit der Erde um die Sonne kreisen.

Während Hubble im sichtbaren, nahen ultravioletten und nahen infraroten Spektrum gearbeitet hat, ist JWST auf Infrarotastronomie spezialisiert, sodass es etwa fünfmal mehr Licht als „Hubble“ sammeln kann.

Dieser Strahlungsbereich bietet den Astronomen beispielsweise Einblicke in die Entstehung von Planeten.

Mit Hilfe der Informationen aus dem 360-Grad-Panorama unserer Galaxie wird es zu den Stellen gelenkt, die im Hinblick auf die Entstehung von neuen Sternen besonders spannend sind. Dort soll das Weltraumteleskop noch detailliertere Infrarot-Aufnahmen machen.

Das Teleskop „James Webb“
Copyright: dpa-infocom GmbH

Ober- und Unterseite des James-Webb-Weltraumteleskops
Quelle: Wikipedia

Mit erdgebundenen Fernrohren lassen sich preiswert Langzeitbeobachtungen von kosmischen Objekten durchführen. Da die Erde aber unter der „Lichtverschmutzung“ leidet, können die Wissenschaftler nicht sehr weit schauen. Nur, wenn alle Lichter für ein paar Minuten ausgeknipst würden, könnten sie lichtschwächere Objekte vor die Linse bekommen, die weiter weg sind im Universum.

Hier kommt das James Webb Weltraumteleskop ins Spiel. Teleskope im Weltraum sind zwar teuer, aber auch sehr effizient. Sie müssen nämlich nicht durch die Atmosphäre schauen. Die Luftschichten filtern einen Teil des einfallenden Lichts aus, etwa das ultraviolette und einen Großteil des infraroten. Das James Webb Weltraumteleskop wird all diese Frequenzen sehen können.

Außerhalb der irdischen Luftverschmutzung wird es seinen Beobachtungsposten im All weit weg von der Erde beziehen, weiter noch als der Mond von der Erde entfernt ist. Umgeben von der Schwärze des Kosmos‘ kann es dort die Neugier der Astronomen befriedigen. Mit irdischen Teleskopen lassen sich keine Planeten außerhalb des Sonnensystems aufspüren. Diese Exoplaneten sind zu klein, sie sind zu weit weg, und sie sind zu lichtschwach. Aber gerade sie sind spannend.

„James Webb“ wird einen viel schärferen Blick als „Hubble“ haben und kann weiter in der Zeit zurückschauen als es „Hubble“ jemals gelungen ist. Die Astronomen werden bislang unbekannte Galaxien sehen, die gerade erst entstehen und die dabei sind, die Struktur des Universums zu bilden.

Mit dem James Webb Teleskop möchten die Forscher herausfinden, wie das Weltall in seiner Frühzeit ausgesehen hat. Damit ist aber nicht nur der sichtbare Lichtbereich gemeint. Die wirklich interessanten Dinge spielen sich im All oft in einem Frequenzbereich ab, den Menschen nicht wahrnehmen können.

Zum Beispiel bei den Wellenlängen von ultraviolettem und infrarotem Licht. „Hubble“ kann, wie das menschliche Auge, dieses Licht nicht wahrnehmen. Doch „James Webb“ wird Infrarotlicht sehen können. Dieses Licht durchdringt Gas und Staub viel besser als sichtbares Licht. Das neue Teleskop wird also in kosmische Gas- und Staubwolken hineinblicken können. Es wird, davon sind die Forscher überzeugt, in ihr Inneres schauen und dort beobachten können, wie die Materie dort kollabiert und sich zu neuen Sternen verdichtet.

Das Webb-Team hatte bereits 3 Tage nach dem Start begonnen, als entscheidenden Schritt zur Vorbereitung der Inbetriebnahme des Weltraumteleskops „James Webb“ den etwa der Größe eines Tennisplatzes entsprechenden Sonnenschutzschild ferngesteuert zu entfalten. Mit dem vollständigen Aufspannen des Sonnenschutzschildes konnte eine der kompliziertesten Prozeduren beim Aufbau des Teleskops erfolgreich abgeschlossen werden.

Der Sonnenschutzschild in etwa der Größe eines Tennisplatzes
Copyright: dpa-infocom GmbH

Es handelte sich dabei um einen „unglaublichen Meilenstein“ und ein „Wunderwerk der Technik“, der für den Erfolg der Mission äußerst wichtig ist. Denn die Abschirmvorrichtung wird das Teleskop vor Licht und Hitze von Sonne, Erde und Mond schützen und die Arbeit bei Temperaturen von unter etwa minus 229 Grad ermöglichen.

Bei der rund 8 Tage dauernden Entfaltung des Schutzschildes mussten tausende Teile präzise zusammenarbeiten. Denn es besteht aus 5 Schichten. Jede der Folien ist ungefähr so dünn wie ein menschliches Haar und mit reflektierendem Metall beschichtet. Der dadurch gebotene Schutz entspricht in etwa der Größenordnung des Sonnenschutzfaktors 1 Million.

Am 24.01.2022 war das „James-Webb-Weltraumteleskops (JWT)“ auf Position. Alles bei der „James Webb“-Mission lief nach Plan. Das Triebwerk wurde knapp 5 Minuten eingeschaltet und das JWT am vorgesehenen Ort im All positioniert. Mit einer Geschwindigkeit von 1,6 Metern pro Sekunde schwenkte das JWT in seinen Orbit um den Lagrange-Punkt L2 ein, der gut 1,5 Mio. Kilometer von der Erde entfernt ist.

Dort erzeugen die Schwerkraftfelder von Sonne und Erde zusammen eine Art Gravitationsmulde, in der sich Satelliten relativ ortsfest positionieren lassen. Denn die Lagrange-Punkte oder Librationspunkte sind 5 Punkte im System zweier Himmelskörper, an denen ein leichter Körper antriebslos den massereicheren Himmelskörper umkreisen kann, wobei er dieselbe Umlaufzeit wie der masseärmere Himmelskörper hat und sich seine Position relativ zu diesen beiden nicht ändert.

Daher haben die Wissenschaftler für die beiden Weltraumobservatorien Plank und JWT den besonderen Arbeitsplatz ausgesucht, den sog. Lagrange-Punkt L2 im Himmelskörpersystem Sonne – Erde.

Die nach Joseph-Louis Lagrange benannten Punkte sind Orte, in denen zwischen zwei Himmelskörpern ein gravitativer Gleichgewichtszustand eintritt, so dass eine Raumsonde an dieser Stelle scheinbar „verharrt“. In jedem dieser Himmelskörpersysteme lassen sich insgesamt 5 Punkte L1 bis L5 finden, auf denen sich die Gravitationskräfte die Waage halten.

Der Begriff „Punkt“ ist etwas irreführend, denn sowohl Herschel als auch Planck stehen im „Punkt“ L2 nicht still, sondern beschreiben komplizierte Orbits um diesen imaginären Punkt herum.

Der Lagrange-Punkt L2 des Systems Sonne – Erde, 1,5 Millionen Kilometer von der Erde entfernt, ist ein für die Weltraumastronomie besonders interessanter Ort: Eine Insel der Stabilität im Weltraum. Vom Teleskop aus gesehen, stehen Sonne und Erde hintereinander und immer in der gleichen Richtung. Blickt man von der Erde zum Teleskop, dann sieht man von ihm stets die gleiche Seite – ähnlich dem Erdmond, der uns nur seine Vorderseite zeigt.

Der L2 liegt in einer Linie mit Sonne und Erde
Quelle: ESA

So wie sich die Erde im Laufe eines Jahres um die Sonne bewegt, bewegen sich auch die Teleskope Herschel und Planck parallel mit der Erde um unser Zentralgestirn.

L2 entpuppt sich damit als exklusiver Beobachtungsplatz: Die Teleskope können im Laufe eines Jahres von L2 aus das gesamte Firmament beobachten, wobei Erde, Mond und Sonne im „heißen“ Rücken sind und die empfindlichen Instrumente auf der Vorderseite stets im Schatten liegen.

Um die von der Sonne und dem Erde-Mond-System kommende thermische Strahlung abzufangen, genügt also ein einziger Schutzschild. Die Antenne in Form eines Horns hat eine hohe Richtwirkung zur Übertragung großer Datenraten und streut deshalb die abgestrahlten Funkwellen nur mit 15 Grad. Die Erde darf also vom Satelliten aus gesehen nicht mehr als 15 Grad von der Sonne entfernt sein, um den Datenstrom ständig empfangen zu können.

Sonnenschirm und Teleskopspiegel waren entfaltet und die Position am Lagrange-Punkt L2 war erreicht. Nun hieß es „cool“ werden, denn wenn die Betriebstemperatur erreicht war, konnte die Forschung beginnen.

Das Infrarot-Teleskop „James Webb“ am Lagrange-Punkt L2
Copyright: NASA

Das bedeutet allerdings nicht, dass das James-Webb-Teleskop fest an einem Ort steht. Vielmehr umrundet es den Punkt L2 auf einem Orbit mit einem Durchmesser von rund 800.000 Kilometer. Pro Jahr wird das Teleskop auf dieser Bahn 2 Umläufe machen.

Zugleich dreht sich der Lagrange-Punkt mit der Erde einmal pro Jahr um die Sonne. Im Mittel alle 22 Tage wird das Triebwerk von JWT erneut gezündet, um die Bahn zu korrigieren. Insbesondere die von der Sonne ausgehende Strahlung würde das Teleskop ansonsten mit der Zeit aus seiner optimierten Bahn werfen.

Ursprünglich wurde die JWT-Mission von der NASA für eine Dauer von 10 Jahren konzipiert. Der Start des James-Webb-Teleskops mit einer Ariane-5-Rakete an Weihnachten 2021 verlief indes so perfekt, dass für die Reise von der Erde zum Lagrange-Punkt deutlich weniger Treibstoff als geplant verbraucht wurde.

Mit der jetzt noch im Tank befindlichen Menge wird man JWT mindestens 20 Jahre stabil in seinem Orbit halten können. Ist der Treibstoffvorrat allerdings verbraucht, wird JWT nicht mehr nutzbar sein.

Das James-Webb-Teleskop ist für die Messung von Infrarotlicht ausgelegt. Damit die Sensoren die schwachen Signale aus den Tiefen des Alls registrieren können, müssen sie auf tiefste Temperaturen gebracht werden. Daher ist JWT mit einem mehrschichtigen Tennisplatz großen Sonnenschirm ausgestattet, der die Strahlung unseres Zentralgestirns vom Teleskop abhält.

JWT hat also immer die Sonne, und damit auch die Erde, im Rücken. Sein Teleskop kann immer nur von Sonne und Erde weg in das Weltall blicken. Die Erforschung von Merkur, Venus und Erde durch JWT ist mithin nicht möglich. Der Mars wäre der nächstgelegene Planet, von dem JWT Infrarotlicht auffangen könnte.

Die Geometrie und Positionierung der Teleskopspiegel ist so, dass JWT zu jedem Zeitpunkt nur 35 Prozent des kosmischen Himmels sehen kann. Innerhalb dieses Bereichs kann die Beobachtungsrichtung auch kurzfristig geändert werden, wenn man von dem geplanten Messprogramm abweichen möchte, um zum Beispiel eine Supernova in den Fokus zu nehmen. Im Laufe eines Jahres kann „James-Webb“ allerdings in jede beliebige Richtung schauen – außer nach Innen ins Sonnensystem.

Das „James-Webb“-Teleskop hat im April 2022 seinen Forschungsbetrieb aufgenommen. Bis dahin waren alle Teile des James-Webb-Teleskops rein passiv auf die vorgesehene Arbeitstemperatur abgekühlt. Im Schatten des Sonnenschirms herrscht Weltraumkälte in der Nähe des absoluten Temperaturnullpunkts. Nach und nach strahlte die Materie Wärmenergie ins All ab. Die Arbeitstemperatur der Detektoren liegt bei 60 Kelvin, also circa minus 210 Grad Celsius.

Das „James-Webb“-Teleskop im Forschungsbetrieb
Copyright: AFP

Um wissenschaftlich relevante Informationen zu erhalten, ging es in den folgenden Wochen um die Justage der Instrumente und die Feinausrichtung der einzelnen Spiegelsegmente. Sie können mit einer Präzision von einem Zehntausendstel des Durchmessers eines menschlichen Haars eingestellt werden.

Erst als die Phase der passiven Kühlung abgeschlossen war, ging auch eine aktive Kryotechnik in Betrieb, mit der sich einzelne Komponenten auf bis zu 7 Kelvin (minus 266 Grad Celsius) kühlen lassen.

Bereits im Februar 2022 hatte das Teleskop erste Bilder zur Erde geschickt – darunter Fotos von einem Stern und ein Selfie. Mit den noch etwas verschwommenen Bildern sollte bewiesen werden, dass die Kamera und die 18 Spiegelsegmente des Teleskops grundsätzlich funktionierten.

Manchen Forschern wurde im Frühjahr 2022 beim Anblick des Fotos schwindelig: Das Teleskop hatte bei einer Testaufnahme die 18 sechseckigen Spiegel des Teleskops zusammengeschaltet, um zu sehen, wie gut das Gerät 1,6 Mio. Kilometer von der Erde entfernt funktioniert.

Wegen der Form der Spiegel und der Filter sah der Stern besonders stachelig und rot aus. Dabei entstand beim Überlagern der 18 Einzelaufnahmen ein wunderschönes Bild, das die Wissenschaftler in Staunen versetzt und das die „stacheligen Strahlen eines Sterns“ namens „2MASS J17554042+6551277“ zeigt. Er ist 2000 Lichtjahre von der Erde entfernt, wobei ein Lichtjahr gut 9,4 Billionen Kilometern entspricht. Sein Licht ist etwa 100 mal schwächer als das menschliche Auge erkennen kann.

Der Stern namens „2MASS J17554042+6551277″
Copyright: AP

Die Experten waren besonders vom Hintergrund begeistert: Die Galaxien, die dort zu sehen sind, sind mehrere Milliarden Jahre alt. Sie hoffen, mit Hilfe des James-Webb-Teleskops weit in die Geschichte des Universums zurückblicken können – bis wenige Hundert Millionen Jahre nach dem Urknall vor rund 13,8 Milliarden Jahren.

Ein erster wissenschaftlicher Paukenschlag geschah dann am 11.07.2022, als der NASA-Chef Bill Nelson zum ersten Mal Bilder des frühen Universums veröffentlichte. „Heute ist ein historischer Tag“, sagte US-Präsident Joe Biden, als ihm der NASA-Chef das „tiefste und schärfste Infrarot-Bild des frühen Universums“ präsentierte.

Die Bilder des „James Webb“-Teleskops würden die Welt daran erinnern, „dass Amerika große Dinge tun kann“, sagte Biden. Zugleich gab er zu, dass schon die Vorstellung jener rund 1,5 Millionen Kilometer, die das Teleskop ins All fliegen soll, „mein Gehirn sprengen“.

US-Präsident Biden bei der Präsentation der Bilder
Copyright: Evan Vucci/AP/dpa
„Wir können nun in die Vergangenheit des Universums schauen“
Copyright: WELT/ Christina Lewinsky

Zu sehen sind dort Galaxien, die ihr Licht vor mehr als 13 Mrd. Jahren und damit kurz nach dem Urknall ausgesendet haben. Nie zuvor ist Wissenschaftlern ein Blick so weit zurück in Raum und Zeit gelungen – gleichsam in die Kindertage unseres Universums.

Dieser Forschungserfolg von „James Webb“ ist wahrlich ein wissenschaftlicher Paukenschlag – und nur der Auftakt für eine Fülle von Daten, von denen sich Forscher viele neue Erkenntnisse über die Evolution des Universums und die Entstehung des Lebens erhoffen.

Man könnte das „James Webb“ sogar als eine Philosophie-Maschine bezeichnen, denn es kann zur Beantwortung der großen Fragen „Woher kommen wir?“, „Wohin gehen wir?“, „Unter welchen Voraussetzungen kann Leben auf einem Himmelskörper entstehen?“ „Wie bringt das All jene Moleküle hervor, aus denen Leben entstehen kann?“ wichtige Mosaiksteine liefern.

„James Webb“ wird in den Atmosphären von Exoplaneten nach Indizien für die Existenz von Leben suchen. Das Projekt „James Webb“ zeigt, zu welchen Anstrengungen und Leistungen die tief im Menschen verwurzelte Neugier führen kann.

Vielleicht stärkt der Blick in die Weiten des Universums – und zurück auf den kleinen blauen Planeten – auch das Bewusstsein dafür, wie töricht vieles ist von dem, was Menschen auf der Erde tun.

Jedes Bild sei „eine neue Entdeckung“ und werde „der Menschheit einen Blick auf das Universum ermöglichen, wie wir es noch nie gesehen haben“, sagte der NASA-Chef. Die gezeigten Galaxien entstanden vor mehr 13 Mrd. Jahren und damit relativ bald nach dem Urknall.

Die Gesamtheit der Bilder wurde einer einstündigen Live-Übertragung präsentiert:

Der Galaxienhaufen SMACS 0723

Copyright: dpa/Space Telescope Science Institut
Das erste der neuen Fotos heißt “Webb’s First Deep Field” und zeigt den Galaxienhaufen SMACS 0723. Einmal festgehalten in blauem Licht dank MIRI-Kamera und Orange durch die NIRCam-Kamera (r.)
Copyright: NASA, ESA, CSA, STScI, Webb ERO Production Team

Das erste Foto der neuen Aufnahmen wurde „Webb‘s First Deep Field“ getauft und zeigt den Galaxienhaufen SMACS 0723. Die Entfernung zur Erde beträgt etwa 4,6 Mrd. Lichtjahre. SMACS 0723 ist ein Himmelsausschnitt, der von der Südhalbkugel der Erde aus sichtbar ist.

Der Ausschnitt sei in etwa so groß ist wie ein Sandkorn, das jemand auf dem Boden in der Hand hält, so die NASA bei der Präsentation. Es enthüllt Tausende von Galaxien, aber auf dem Bild ist nur „ein kleiner Teil des Universums“ zu sehen, sagte Nasa-Chef Bill Nelson. Seine Erklärung an Biden: „Das Licht, was du auf einem dieser kleinen Flecken siehst, ist seit 13 Mrd. Jahren unterwegs.“

Der Carinanebel

Copyright: NASA, ESA, CSA, and STScI
Copyright: NASA, ESA, CSA, and STScI

Der Carinanebel ist einer der größten und hellsten Emissionsnebel am Himmel der südlichen Hemisphäre. Er befindet sich schätzungsweise 7.600 Lichtjahre entfernt außerhalb unseres Sonnensystems am dort gelegenen Planeten „Wasp-96 b“. Der Carinanebel beherbergt zahlreiche riesige Sterne, die teilweise größer als unsere Sonne sind.

Der Südliche Ringnebel

Der Südliche Ringnebel
Copyright: NASA, ESA, CSA, STScI, and the Webb ERO Production Team
Copyright: NASA, ESA, CSA, STScI, and the Webb ERO Production Team

Der Südliche Ringnebel (auch „Eight-Burst-Nebula“ oder NGC 3132 genannt) ist ein Planetarischer Nebel, der vorwiegend aus einer Gaswolke besteht, die einen sterbenden Stern umkreist. Er ist etwa 2000 Lichtjahre von der Sonne entfernt, hat einen Durchmesser von fast einem halben Lichtjahr und expandiert mit einer Geschwindigkeit von rund 15 Kilometern pro Sekunde.

Das Stephans Quintett

Das Stephans Quintett im Sternbild Pegasus
Copyright: NASA, ESA, CSA, and STScI
Copyright: NASA, ESA, CSA, and STScI

Ungefähr 290 Mio. Lichtjahre entfernt liegt Stephans Quintett, im Sternbild Pegasus. Es wurde bekannt als erste zusammenhängende Gruppe von Galaxien, die jemals entdeckt wurde – am 22.09.1877 von dem französischen Astronomen Édouard Jean-Marie Stephan. Die Galaxiengruppe besteht aus den Galaxien NGC 7317, NGC 7318A, NGC 7318B, NGC 7319 und NGC 7320C.

Die Galaxien NGC 7317 bis NGC 7319 bilden ein räumlich enges, wechselwirkendes System in etwa 300 Millionen Lichtjahren Entfernung. Vier der fünf Galaxien bewegen sich aufgrund der gegenseitigen Gravitationswirkung, weshalb die Spiralarme der Galaxien unregelmäßig verformt sind. Das Bild besteht aus über 150 Mio. Pixeln und fast 1.000 einzelnen Bilddateien.

Der Exoplanet WASP-96b

Die Grafik namens “Hot Gas Giant Exoplanet WASP-96 b Atmosphere Composition, NIRISS Single-Object Slitless Spectroscopy” des Exoplaneten
Copyright: NASA, ESA, CSA, and STScI

WASP-96b ist ein gigantischer Planet außerhalb unseres Sonnensystems, der überwiegend aus Gas besteht. Der Planet liegt fast 1.150 Lichtjahre von der Erde entfernt und umkreist seinen Stern ungefähr alle drei bis vier Tage. Er ist halb so massiv wie Jupiter und wurde im Jahr 2014 entdeckt.

Die Idee zu dem Nachfolger des derzeit noch aktiven Weltraumteleskops Hubble hatten Astronomen bereits in den 90er Jahren. Der Bau begann 2004. Das von den USA, Kanada und der europäischen Raumfahrtbehörde Esa gebaute James-Webb-Teleskop war Ende 2021 von Französisch-Guayana gestartet und späht seit dem vergangenen Sommer in 1,6 Millionen Kilometern Entfernung von der Erde in die Tiefen des Alls.

Wissenschaftler hoffen, mit dem zehn Milliarden Dollar teuren Gerät bis zur Entstehung der ersten Sterne und Galaxien vor 13,7 Milliarden Jahren zurückblicken und neue Erkenntnisse über die Entstehung des Universums gewinnen zu können.

Mehr als zehntausend Menschen in den USA, Kanada und Europa arbeiteten an dem Teleskop mit, das Budget des Projekts von Nasa, kanadischer Weltraumbehörde CSA und europäischer Weltraumagentur ESA wuchs auf zehn Milliarden Dollar (rund 9,9 Milliarden Euro) an.

Auch das Max-Planck-Institut für Astronomie, die Universität Köln und mehrere deutsche Unternehmen sind beteiligt. Die Mission soll 20 Jahre dauern.

Das Compton Gamma Ray Observatory

Das zu Ehren des Physikers und Nobelpreisträgers Arthur Holly Compton „Compton Gamma Ray Observatory“ (CGRO) genannte Weltraumteleskop für Gammaastronomie war das zweite der 4 weltraumgestützten Teleskopen der NASA im Rahmen des „Great Observatory Programms“ geplant.

Die Instrumente von CGRO deckten mit 20 keV bis 30 GeV einen weiten Bereich des elektromagnetischen Spektrums ab und suchten im Energiebereich 20 bis 600 keV nach Gammablitzen. Mit acht Detektoren an jeder Ecke des Satelliten konnte es den gesamten nicht von der Erde verdeckten Teil des Himmels beobachten.

Gammablitze (GRB) sind Energieausbrüche im Universum mit großen Mengen elektromagnetischer Strahlung. Die Bezeichnung „Gammablitz“ hat sich wahrscheinlich eingebürgert, weil die Vela-Satelliten zur Detektion der Gammastrahlung von Kernwaffenexplosionen gedacht und ausgerüstet waren.

Um Gammastrahlung im engeren, kernphysikalischen Sinn handelt es sich bei den Gammablitzen nicht. Die Entstehung der Gammablitze ist noch nicht vollständig geklärt. Erstmals wurde ein Gammablitz am 02.07.1967 mit den US-amerikanischen Vela-Überwachungssatelliten beobachtet, die eigentlich zur Entdeckung oberirdischer Atombombentests dienten.

Insgesamt wurden etwa 2.000 Messungen von Gammablitzen vorgenommen. Ihre gleichmäßige Verteilung am Himmel deutete an, dass sie nicht in der Milchstraße sondern in weit entfernten Galaxien ausgelöst wurden. Dass die Strahlen aus den Tiefen des Weltraums kamen, wurde erst 1973 durch Wissenschaftler im Los Alamos National Laboratory in New Mexico mit den Daten der Satelliten sicher festgestellt.

Darstellung eines hellen Gammablitzes in einer Sternenformation.
Quelle: Wikipedia

Das „Chandra X-Ray Observatory“ und das „Imaging X-Ray Polarimetry Explorer“ (IXPE) zur Beobachtung von Sternenexplosionen oder Schwarzen Löchern

Das Chandra X-ray Observatory ist ein Satellit mit einem Röntgenteleskop. Er wurde am 23.07.1999 von der NASA mit dem Space Shuttle Columbia in eine Erdumlaufbahn gebracht (Mission STS-93) und ist nach dem Astronomen Subrahmanyan Chandrasekhar benannt.

Dieser Satellit registriert in einer Bahnhöhe von 105.312 km über der Erde Röntgenstrahlung, die aus besonders heißen Regionen im Weltall stammt: von Sternenexplosionen zum Beispiel oder aus Regionen mit Schwarzen Löchern.

Mithilfe seiner Manövriertriebwerke wurde der Satellit im Weltraum auf eine stark exzentrische Ellipsenbahn gebracht, die weitgehend über dem Strahlungsgürtel der Erde liegt, so dass die Messung nicht durch die Bremsstrahlung von Teilchen des Sonnenwindes und der kosmischen Strahlung beeinflusst werden kann.

Der Röntgensatellit Chandra ist nach dem Hubble Space Telescope im optischen Bereich und dem Compton Gamma Ray Observatory im Gamma-Bereich das 3. der 5. Weltraum-Observatorien, die von der NASA im Rahmen des Great Observatory Programs geplant wurden.

Im Infrarot-Bereich wurde dieses Programm durch das Spitzer-Weltraumteleskop komplettiert. Die Bilder von Chandra haben mit einer maximalen Auflösung von 0,5 Bogensekunden eine deutlich bessere Schärfe als Bilder früherer Missionen. Der sehr erfolgreiche deutsche Röntgensatellit „ROSAT“ hatte im Vergleich dazu eine Auflösung von etwa 4 Bogensekunden.

„Chandra“ funkte nach seinem Start im Jahr 1999 zunächst Röntgenbilder von Cassiopeia A, dem Überrest einer Supernova-Explosion, die sich im 17. Jh. ereignet hat. Seinerzeit erhitzte die Schockwelle die umgebende Gaswolke so stark, dass sie Röntgenlicht aussendet. Cassiopeia A ist rund 11.000 Lichtjahre entfernt und hat einen Durchmesser von rund 10 Lichtjahren hat.

Cassiopeia A aufgenommen vom Röntgensatelliten Chandra
Copyright: NASA

Im Jahr 2006 wurde mit Chandra SN 2006gy die bis dahin energiereichste Supernova-Explosion entdeckt.

Chandra-Aufnahme von SN 2006gy und Kern der Galaxie NGC 1260
Quelle: Wikipedia

Das Weltraumteleskop „Spitzer“ zur Betrachtung unserer Milchstraße

Als weiterer Teil des Great Observatory Program der NASA betrachtet das Weltraumteleskop „Spitzer“ insbesondere unsere Milchstraße.

Der Imaging X-Ray Polarimetry Explorer (IXPE)

Im Dezember 2021 schickte die NASA ein weiteres Röntgenteleskop in eine Erdumlaufbahn. Der „Imaging X-Ray Polarimetry Explorer“ (IXPE) umkreist die Erde über dem Äquator in 600 Kilometer Höhe und hat erste Bilder gemacht – von der schon von „Chandra“ untersuchten Cassiopeia A.

IXPE kann erstmals die Polarisation von Röntgenlicht messen – also die Ausrichtung der Schwingungsebenen. Aus den Messungen von „Chandra“ konnten sie bereits ableiten, dass sich im Zentrum von Cassiopeia A ein kompaktes Objekt befinden muss – ein Neutronenstern oder ein Schwarzes Loch.

Fazit

Unsere Reise durch die frühe kosmische Geschichte zeigt eindrucksvoll, wie weit die menschliche Neugier und wissenschaftliche Forschung uns in die Mysterien des Universums geführt haben. Von den ersten Momenten nach dem Urknall bis hin zur Entstehung der ersten Sterne und Galaxien, haben wir tief in die Vergangenheit geblickt und dabei erstaunliche Entdeckungen gemacht.

Mit der fortschreitenden Technologie, exemplarisch dargestellt durch das James-Webb-Weltraumteleskop, stehen wir nun an der Schwelle zu noch tieferen Einblicken in das Universum. Jedes neue Teleskop, jede zusätzliche Beobachtung bringt uns nicht nur näher an das Verständnis der unendlichen Weiten des Kosmos, sondern erinnert uns auch an unsere eigene winzige, aber einzigartige Stellung im Universum.

Die Erforschung des Alls ist letztendlich eine Reise zu uns selbst – ein Spiegel, der uns zeigt, woher wir kommen und welche Möglichkeiten noch vor uns liegen.

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