Der Urknall

Nach der vorherrschenden Theorie entstand das Universum vor über 10 Milliarden Jahren, die Schätzungen schwanken zwischen 15 und 18 Milliarden Jahren. Es entstand aus dem Nichts in einer gewaltigen Explosion und expandierte rasch.

Raum und Zeit sind Eigenschaften dieses Universums und daher sind Fragen wie "Was war denn vorher?" nicht zu beantworten, weil es vielleicht kein vorher gibt. Der Raum unseres Universums ist gekrümmt, deswegen ist es, obwohl endlich, unbegrenzt. So ähnlich wie auf einer Kugelfläche wie der Erde: Obwohl die Fläche endlich groß ist, kann man beispielsweise mit einem Flugzeug beliebig lange immer in die gleiche Richtung fliegen, ohne an ein Ende zu kommen.

Seit dem Urknall dehnt sich das Universum immer weiter aus. Die Frage der Kosmologen war nun: Würde sich das Universum unbegrenzt immer weiter ausdehnen, oder würde die Anziehungskraft der vorhandenen Materie ausreichen, die Expansion aufzuhalten und umzukehren? Einig war man sich, daß die Expansion durch die Gravitation gebremst werden würde.

So entstanden zwei vorherrschende Modelle der Zukunft des Universums:

• Erstens, das Universum wird sich immer weiter ausdehnen. Dabei zwar langsamer werden, aber sich unbegrenzt weiter ausdehnen. Die Entropie nimmt immer mehr zu und irgendwann werden alle Sterne ausgebrannt sein. Das Universum endet als riesiges, schwarzes Nichts ohne Leben.
• Zweitens, die Materie reicht aus und irgendwann ist die Expansion gestoppt. Die Gravitation beginnt, das Universum wieder zusammenstürzen zu lassen. Und zwar solange, bis wieder die gesamte Masse des Universums in einem einzigen Punkt ohne Ausdehnung konzentriert ist. Das führt zu einem neuen Urknall und der Zyklus beginnt von neuem.

Rotverschiebung

Wie kann man nun entscheiden, welches Modell zutrifft? Dabei hilft der Dopplereffekt. Jeder kennt den Dopplereffekt, wenn zum Beispiel ein Feuerwehrwagen mit Martinshorn an einem vorbeirast. Solange der Wagen auf einen zufährt, erscheint der Ton höher zu sein und wenn er wegrast, ist der Ton tiefer.

Mit Licht geht das genauso. Bewegt sich eine Lichtquelle mit hoher Geschwindigkeit auf einen zu, verschiebt sich ihr Spektrum zu kürzeren Wellenlängen, bewegt sie sich weg, entsprechend zu größeren Wellenlängen.

So kann man auch bestimmen, ob sich ein Stern auf einen zu oder von einem weg bewegt. Man analysiert sein Spektrum, und wenn es ins rötliche verschoben ist, bewegt er sich von uns weg. Ist es bläulicher, kommt er näher.

Durch die Expansion des Universums bewegen sich im Prinzip alle Sterne auseinander, also von uns weg. Natürlich gibt es durch lokale Gruppenbildung wie in unserer Galaxis auch den Fall, daß sich Sterne auf uns zu bewegen. Aber wenn wir Sterne außerhalb unserer Galaxiengruppe beobachten, bewegen sich fast alle weg. Ihr Spektrum erscheint röter und deswegen spricht man von Rotverschiebung.

Allerdings ist die Rotverschiebung weit entfernter Objekte nicht direkt auf den Dopplereffekt zurückzufüren, denn eigentlich bewegt sich ja nicht das Objekt von uns weg, sondern der Raum selbst dazwischen dehnt sich aus. Aber das vernachlässigen wir hier einfach mal.

Das Problem

Das klingt sehr schön und logisch. Es gibt nur ein Problem: Woher weiß man denn, wie das Spektrum des Sternes vorher aussah? Denn nur dann kann man ja feststellen, wie stark es verschoben ist. Es ist ja nicht so, daß alle Sterne gleich wären, im Gegenteil. Es gibt Zwergsterne, die noch 100 Milliarden Jahre leuchten werden, aber nur schwach und in rotem Licht. Andere verbrennen ihre gigantische Masse in einem Tausendstel dieser Zeit oder weniger und brennen enorm hell und eher blau.

Im Nahbereich unserer eigenen Galaxie kann man Methoden finden. Es gibt sogenannte Wandelsterne, die sich periodisch verändern und deren Spektren man recht gut kennt. Leider sind sie eher lichtschwach und über große Entfernungen nicht brauchbar. Aber um die Zukunft des Universums zu bestimmen, muß man die Rotverschiebung von sehr weit entfernten Sternen messen, um sie mit den näheren zu vergleichen.

Supernovae Typ 1a

Eine Supernova ist ein Stern, der explodiert. Dabei wird Materie teilweise mit mehreren 10000 km/s auseinander geschleudert und der Stern scheint heller als Milliarden Sonnen. Im Jahre 1054 gab es eine Supernova, die wochenlang am helligten Taghimmel beobachtet werden konnte.

Die Supernova Typ 1a ist ein Spezialfall. Dabei gibt es zwei Sterne, die einander eng umkreisen. Einer der Sterne verliert dabei Materie an seinen Partner, der immer größer wird. Irgendwann überschreitet er eine Massegrenze, ab der der Stern unweigerlich explodiert. Diese Grenze kann berechnet werden und ist bekannt.

Genauso bekannt ist auch das Spektrum, daß von einer Supernova dieses Typs ausgesandt wird. Man kann also genau feststellen, um wieviel es ins Rote verschoben ist und damit, wie schnell sich der Stern von uns entfernt. Zusätzlich scheint der Stern alleine dann so hell wie eine ganze Galaxie und kann noch über Milliarden von Lichtjahren Entfernung mit starken Teleskopen gesehen werden.
Das war etwas vereinfacht dargestellt, denn leider sind nicht alle Supernovae dieser Art wirklich genau gleich. Aber man hat Methoden gefunden, sie einigermaßen anzugleichen.

Allerdings weiß kein Mensch, wann und wo so eine Supernova zu sehen sein wird. Durch die großen Entfernungen sind sie auch nicht mit bloßem Auge zu sehen.

Mit einer Art sehr empfindlicher Digitalkamera werden von bestimmten Himmelsabschnitten, in denen viele Galaxien zu finden sind, im Abstand von einigen Wochen Bilder gemacht. Man vergleicht die Bilder miteinander, und bei Unterschieden kann man herausfinden, ob das neue Objekt eine der gesuchten Supernovae ist.

Das ist hier etwas vereinfacht dargestellt. Es handelt sich nicht um gewöhnliche Kameras und auch das Erkennen einer Supernova ist nicht einfach. Die gefundenen Objekte wurden mit dem Hubble-Teleskop im Weltall näher untersucht.

Mehrere Projekte dieser Art liefen eine ganze Zeit und es wurden auf diese Weise über 40 Supernovae gefunden, die weit weg waren und damit Aufschluß geben konnten.

Der Schock

Die Analyse ergab etwas gänzlich Unerwartetes: Die weiter entfernten Supernovae, deren Licht mehrere Milliarden Jahre zu uns gereist ist, entfernten sich mit einer anderen Geschwindigkeit als vorhergesagt!

Das bedeutet mit den gegebenen Meßdaten, daß das Universum nicht immer langsamer expandiert, sondern statt dessen sogar immer schneller!

Sofort wurden die Ergebnisse angezweifelt und von Astrophysikern in aller Welt genau unter die Lupe genommen. Es gelang aber nicht, den Teams einen Fehler nachzuweisen und Wiederholungsversuche bestätigten die Ergebnisse.

Wie soll das funktionieren? Eine Explosion, die eigentlich durch die Materie gebremst werden müsste, wird immer schneller? Nun suchen die Forscher nach einer geheimnisvollen Kraft des Nichts, die die Gravitation aufhebt, umkehrt oder was auch immer.

Und dadurch kommt plötzlich die damals von Einstein zuerst eingeführte und dann wieder verworfene kosmologische Konstante wieder in die Gleichungen der Astrophysiker...

Supernova Cosmology Project

Wer sich für dieses Thema interessiert, kann sich im Internet weitere Informationen holen auf der Homepage des Supernova Cosmology Projects.