Beobachtungstipp im August 2014

Merkwürdig! Vor einigen Monaten rauschte eine Pressemitteilung über den Äther, dass das Hubble-Space Telescope die bisher entfernteste Galaxie des Universums entdeckt hat in einer Distanz von 30 Milliarden Lichtjahren. Ihr Licht ist über 13 Milliarden Jahre unterwegs zu uns gewesen und ganz zu Beginn des Universums losgeschickt worden. - Da passt doch etwas nicht! Wie kann das Licht denn 30 Milliarden Lichtjahre in nur 13 Milliarden Jahren zurücklegen? Sollten die fernsten Objekte von denen man Notiz nehmen kann, nicht innerhalb eines Radius von 13,7 Milliarden Lichtjahren zu finden sein, wenn das Universum nach neuesten kosmologischen Vorstellungen nur 13,7 Milliarden Jahre alt ist? Da es keinen Aufschrei unter den Wissenschaftlern gab, als diese Pressemitteilung veröffentlicht wurde, scheint alles mit rechten Dingen zugegangen zu sein. Offensichtlich ist alles nicht so einfach. Aber wie?

Gehen wir zurück in die 20'er Jahre des letzten Jahrhunderts. Albert Einstein hatte bereits seine spezielle und die allgemeine Relativitätstheorie vorgestellt, die ein anderes Bild auf Raum, Zeit, Masse und Energie zeichnet als wir es von der Newton'schen Physik her kennen. Ausgehend davon, dass nichts schneller als Lichtgeschwindigkeit geschehen kann, räumte er mit der alten Vorstellung der Physik, insbesondere der Gravitation, auf. Die allgemeine Relativitätstheorie beschreibt die Gravitation als Krümmung der Raumzeit durch Masse. Masse und auch Energie, welches nach Einsteins spezieller Relativitätstheorie eigentlich das gleiche ist, krümmt also die Raumzeit. Für uns Erdenkinder bedeutet das, dass wir nicht durch eine Gravitationskraft auf der Erde festgehalten werden. Die Masse der Erde krümmt die Raumzeit und wir bewegen uns auf direktem Weg durch sie. Die Krümmung erscheint uns als Gravitationskraft, die uns an die Erde bindet.

Diese Vorstellung hat einen Schönheitsfehler, die zuvor schon die Newton'sche Weltvorstellung verunstaltete. Ein Universum mit gekrümmten Raumzeiten ist nicht statisch. Alle Massen würden sich in der Raumzeit aufeinander zubewegen, so dass das Universum in sich zusammenfallen würde. Kein neues Problem. Auch Newton kämpfte gegen die Vorstellung, dass die alleinige Anziehungskraft der Gravitation irgendwann dazu führen würde, dass sich alle Massen im Mittelpunkt vereinigen würden. Ein Problem, welches nicht richtig geklärt werden konnte. Auch Einsteins Theorie konnte den Makel nur mit einem Kunstgriff abmildern, indem er einen Term in seine Berechnungen einführte, der als eine Art Antigravitation fungierte - die kosmologische Konstante.

Einstein war theoretischer Physiker und arbeitete nie an einer Sternwarte. In den 20'er Jahren beobachtete der Astronom Edwin Hubble am großen 2,4m-Teleskop auf dem Mt. Wilson Galaxien - also ferne Milchstraßensysteme. Es war eine spannende Zeit für die Astronomen, denn in den 20'er Jahren erst wurde man sich der Natur dieser Spiralnebel bewusst. Die Astronomen waren in zwei Lager gespalten. Das eine Lager war der Ansicht bei diesen Spiralnebeln handelt es sich um Objekte innerhalb der Milchstraße, neu entstehende Sternensysteme in deren Staubscheiben sich Planeten entwickeln. Das zweite Lager vermutete, dass die Spiralnebel ferne Milchstraßensysteme sind, die der eigenen Milchstraße ähneln. Dieser Streit ging als die große Debatte in die Geschichte der Astronomie ein.

Die Entdeckungen der Astronomen, insbesondere die Forschungen von Edwin Hubble, bestätigten das zweite Lager. Mittels Spektralanalyse konnte Hubble nachweisen, dass die Spiralnebel kein Spektrum wie normale Gasnebel aufwiesen. Vielmehr fand man Spektren, die an Sternspektren erinnerten. Eine weitere Entdeckung waren veränderliche Sterne im Andromedanebel, sogenannte Cepheiden, mit deren Hilfe man die Entfernung des Andromedanebels auf mindestens eine Million Lichtjahre abschätzen konnte. Moderne Werte gehen von 2,4 Mio. Lichtjahren aus. Damit schienen die Nebel Objekte weit außerhalb der Milchstraße zu sein.

Hubble entdeckte, dass die Spektrallinien der meisten Galaxien etwas ins Rote verschoben waren. Nur wenige Galaxien zeigten eine Blauverschiebung der Spektrallinien. Der Andromeda-Nebel war so eine. Das beschäftige ihn sehr, so dass er weitere Untersuchungen anstellte und herausfand, dass das Licht der Galaxien umso mehr ins Rote verschoben war, je weiter sie offenbar entfernt sind. Interpretiert man die Rotverschiebung als Dopplereffekt, kommt man zu der Auffassung, dass die Galaxien vor uns flüchten. Je weiter sie entfernt sind, desto größer ist die Fluchtgeschwindigkeit. Hubble und sein Kollege Milton Humason fanden eine einfache Relation zwischen der Entfernung und der Fluchtgeschwindigkeit (R = H x v, wobei R die Entfernung ist, H die Hubblekonstante und v die gemessene Fluchtgeschwindigkeit). Die Hubblekonstante ist ein Maß für die Größe der Fluchtgeschwindigkeit, angegeben in km/s pro Megaparsec. Sie lag zwischen 50 und 100km/s pro Megaparsec und war zunächst recht ungenau. Moderne Werte liegen bei ca. 72km/s pro Megaparsec. Damit ist die Bestimmung der Entfernung einer Galaxie recht simpel, wenn man die Fluchtgeschwindigkeit mittels der Rotverschiebung bestimmt. Eine Galaxie, die sich mit 500km/s von uns entfernt, sollte somit 500km/s / 72 km/s pro MPc gleich 6,94 MPc, das entspricht 22,6 Millionen Lichtjahre, von uns entfernt sein. Ein MPc entspricht 3,26 Mio. Lichtjahren. Diese schöne Entdeckung kam auch Einstein zu Ohr und er verwarf seine kosmologische Konstante, weil Hubbles Entdeckung einem statischen Universum widersprach. Der Physiker George Lemaitre entwickelte aus den Überlegungen Einsteins und den Entdeckungen Hubbles das Modell eines expandierenden Universums. Er schlug vor, dass die Galaxienflucht nicht durch Eigenbewegungen der Galaxien zu erklären ist, sondern dass der Raum zwischen den Galaxien selber expandiert. Die Beobachtung der Rotverschiebung ist dieselbe. Die Umstände sind aber sehr unterschiedlich. Die Rotverschiebung bei Galaxienflucht ist dem Dopplereffekt zuzuschreiben. Ein Analogon findet man im Bereich der Akustik, wenn zum Beispiel ein Krankenwagen mit Martinshorn an uns vorbeifährt und der Ton tiefer klingt, wenn der Krankenwagen vorübergefahren ist. Die ausgesandten Wellen werden schon bei der Emission in den langwelligen Bereich verschoben. In einem expandierenden Universum werden die Wellen durch den sich ausdehnenden Raum während der ganzen Reise zu uns gestreckt.

Das Lemaitre-Universum führt, wenn man es zeitlich zurückdreht, zur Urknalltheorie. Zunächst war die Urknalltheorie sehr umstritten. Die Vorstellung, dass das ganze Universum aus einem Uratom entstehen sollte und sich seither unaufhaltsam ausdehnt, klingt sehr verwegen. Doch viele Indizien stützen die Theorie des Urknalls und liefern heute eine sehr verfeinerte Vorstellung. Allerdings geben Beobachtungen auch neue Rätsel auf, die unsere Vorstellung vom Kosmos zu einem unvollständigen Gebilde machen. Die moderne Hubble-Konstante führt zu einem Kosmos, der 13,7 Milliarden Jahre alt ist. Seit dem Urknall expandiert der Kosmos unaufhörlich. In der frühen Phase muss die Expansion inflationär gewesen sein und Raumzeitbereiche für immer voneinander getrennt haben. Nur so lässt sich die Homogenität des Weltalls erklären. Große Teleskope blicken heute immer tiefer in den Kosmos und entdecken Galaxien, die scheinbar mit Überlichtgeschwindigkeit vor uns fliehen. Sie verletzten dabei aber nicht Einsteins Aussagen der Relativitätstheorie, nach der sich nichts schneller als das Licht bewegen darf. Es sind ja nicht die Galaxien, die fliehen, sondern der Raum, der sich ausdehnt, nach der Vorstellung Lemaitres.

Vielleicht an dieser Stelle kurz einige Worte zum Zusammenhang zwischen Rotverschiebung und Bestimmung der Flucht- bzw. Expansionsgeschwindigkeit. Die Rotverschiebung wird unter Astronomen gerne mit z angegeben. Z ist eine dimensionslose Verhältniszahl, die die Verschiebung der Spektrallinien eines Objekts in Relation zur Laborwellenlänge angibt (z = Δλ/λ). Ein z von 2 gibt an, dass die Wellenlänge um das doppelte von der Laborwellenlänge ins Rote verschoben ist. Die Expansion des Universums hat das Spektrum weit verschoben. Unsere ferne Galaxie zu Beginn des Artikels hat eine Rotverschiebung von z = 8. Die H-Alphalinie des Wasserstoffs ist bei einer Wellenlänge von 5.248 Nanometer zu finden. Im Labor liegt sie bei 656 Nanometer. Um das Spektrum dermaßen ins Rote zu verschieben, muss sich der Raum zwischen uns und der Galaxie um den Faktor 9 (z + 1) vergrößert haben.

Die errechnete Fluchtgeschwindigkeit entspräche der achtfachen Lichtgeschwindigkeit. Bei derart großen Rotverschiebungen kann man Hubbles einfaches Gesetz nicht mehr so unbedarft anwenden. Mit einem Zusatzterm werden die relativistischen Effekte in die Betrachtung einbezogen, so dass die Fluchtgeschwindigkeit nicht die Lichtgeschwindigkeit übertrifft (z + 1 = (1 - (v / c)^2 )^0,5 / 1 - ( v / c) für die Spezialisten unter uns). Berücksichtigt man die relativistischen Effekte bei einer Rotverschiebung von 8, so erhält man anstatt 2.398.336km/s (8 x Lichtgeschwindigkeit) einen korrigierten Wert von 292.480km/s (0,97-fache Lichtgeschwindigkeit). Teilt man die korrigierte Geschwindigkeit durch die gültige Hubblekonstante, so erhält man die Entfernung, die das Licht zu uns zurücklegte. In diesem Falle wären das 13,248 Milliarden Lichtjahre. Das vom Hubble-Space-Teleskop beobachtete Licht ist bereits 13,248 Milliarden Jahre zu uns unterwegs. Dieser Wert wird uns oft in populärwissenschaftlichen Artikeln als Entfernung zur Galaxie angegeben. Bei kleinen Rotverschiebungen und Fluchtgeschwindigkeiten weit unterhalb der Lichtgeschwindigkeit kann man so vorgehen und erhält einen guten Anhaltspunkt für die Entfernung der Galaxien, da die Lichtlaufzeit nicht nennenswert von der Entfernung der Galaxie verschieden ist. Anders sieht es aber aus, wenn die Entfernungen kosmologisch werden und mehrere Milliarden Lichtjahre überspannen. Während das Licht unserer entfernten Galaxie zu uns unterwegs ist, steht die Welt nicht still. Das Universum dehnt sich weiter aus und treibt die Galaxie von uns fort. In diesem Fall sogar zu einer Distanz von 30 Milliarden Lichtjahren. Das expandierende Universum ermöglicht uns einen Blick der zwar zeitlich nur 13,7 Milliarden Jahre in die Vergangenheit schweift, doch eine Tiefe von über 46 Milliarden Lichtjahre zulässt. Umgekehrt sieht das Hubble-Space-Telescope die Galaxie, wie sie vor 13 Milliarden Jahren aussah. Der Blick in die Tiefe des Weltalls ist immer eine Zeitreise. Und während dieser Zeit dehnte sich das Universum natürlich auch aus. Als die Galaxie das Licht aussendete war sie uns noch sehr viel näher. In diesem Fall waren es 3,3 Milliarden Lichtjahre, was einem Neuntel der heutigen Distanz entspricht. Schließlich dehnte sich das Universum während der Lichtlaufzeit um das 9-fache aus. Entsprechend wirkt sie auch größer, als man es von einem Objekt vermuten würde, welches 30 Milliarden Lichtjahre entfernt ist.

Die Entfernungsangaben von kosmischen Objekten sind nicht so trivial, wie wir es im täglichen Umgang kennen. In einem expandierenden Universum muss man einige Effekte beachten. Das hier angewendete Modell geht von einem flachen Universum aus. Flach bedeutet, dass die Expansion des Universums konstant ist. Beobachtungen ferner Supernovaereignisse deuteten in den letzten Jahren daraufhin, dass das Universum nicht flach, sondern offen ist. Man beobachtet eine beschleunigte Expansion. Ursache ist eine unbekannte Energieform, die sogenannte dunkle Energie, die das Universum auseinandertreibt. Man geht davon aus, dass die dunkle Energie ca. 73% des Universums ausmacht. Die Hubble-Konstante ist dann eher ein Hubble-Parameter. Durch die Berücksichtigung kosmischer Parameter, wie die treibende Kraft der dunklen Energie oder der Anteil der dunklen Materie an der Gesamtmasse des Universums, ergeben sich leichte Verschiebungen der Werte bei der Berechnung von Entfernungen mit Hilfe der Rotverschiebung, weil Beschleunigungsparameter und Bremsparameter berücksichtigt werden müssen. Bei einem offenen Universum mit einem Anteil an Dunkler Energie von 73% wäre die Lichtlaufzeit nur 10,7 Milliarden Jahre statt 13 Milliarden Jahre im Falle unserer entfernten Galaxie. Die Entfernungsangabe ist also sehr davon abhängig, welche Vorstellung wir vom Universum haben. Hier sollten wir aus der Vergangenheit lernen und das uns präsentierte mit Vorsicht genießen. Schon Albert Einstein wähnte sich auf einem Irrweg, als er seine Kosmologische Konstante verwarf. Die moderne Kosmologie führte die Kosmologische Konstante in Form der Dunklen Energie wieder ein. - Vielleicht ist das die Eselei der modernen Kosmologie. Aber spannend ist es auf jeden Fall!

Clear Skies,
Christian Overhaus