Was wissen wir über das Universum?

Wir haben schon viel über das Universum (auch Weltall oder Kosmos genannt) herausgefunden. Das ist uns gelungen, weil wir das Universum immer besser beobachten können, zum Beispiel mit immer besseren Teleskopen – und weil wir die Naturgesetze immer besser verstehen, also die Regeln, nach denen das Universum funktioniert. In der Vorlesung an der Kinder-Uni haben wir den Stand der Wissenschaft zu vier spannenden Fragen über das Universum besprochen:

Wie ist das Universum entstanden? Wir wissen, dass das Universum zu Beginn extrem heiss und «dicht» war. Alles, was wir vom Universum sehen, war in einem Raumbereich «zusammengepresst», der kleiner war als ein Fussball – vermutlich sogar noch sehr viel kleiner. Wir nennen diesen Anfang den «Urknall». Er hat vor etwa 13,8 Milliarden Jahren stattgefunden, und es gab zu dieser Zeit noch keine Sterne und Galaxien. Seit dem Urknall dehnt sich das Universum aus und kühlt ab. Dabei dehnt sich der Raum selbst aus. Veranschaulichen kann man sich das mit einem Hefekuchen, der beim Backen aufgeht. Die Rosinen im Hefekuchen stellen die Galaxien dar, die sich durch das Aufgehen des Teigs (d. h. die Ausdehnung des Universums) voneinander entfernen. Vieles über den Urknall ist noch unbekannt – zum Beispiel wie er genau abgelaufen ist und auch, was möglicherweise vor dem Urknall war - falls es überhaupt ein «Davor» gab. Nicht sicher vorhersagen können wir ausserdem, wie das Universum einmal enden wird. Aktuell dehnt es sich immer schneller aus. Dafür ist die sogenannte «dunkle Energie» verantwortlich, von der wir noch nicht wissen, woraus sie genau besteht. Bleibt ihre Energiedichte konstant, wird sich das Universum weiter ausdehnen. Sollte sie in Zukunft abnehmen, könnte es auch wieder schrumpfen.

Wie gross ist das Universum, und wie viele Sterne gibt es? Um diese Frage zu beantworten, haben wir zunächst besprochen, dass das Licht eine begrenzte Geschwindigkeit hat. Es ist sehr schnell und legt ungefähr 300 000 km in der Sekunde zurück. Von der Erde zum Mond braucht es 1,3 Sekunden, zur Sonne 8,3 Minuten, zum Neptun etwa 5 Stunden und zum nächstgelegenen Stern, Proxima Centauri, 4,2 Jahre. Entfernungen im Universum messen wir in «Lichtjahren». Unsere Sonne ist eine von ungefähr 200 Milliarden Sternen, welche unsere Galaxie, die Milchstrasse, bilden. Der Durchmesser der Milchstrasse beträgt etwa 100 000 Lichtjahre. Die nächstgelegene Galaxie, Andromeda, ist 2,5 Millionen Lichtjahre von uns entfernt. Wenn man noch weiter «herauszoomt», sieht man, dass sich die Galaxien in Galaxienhaufen ballen. Dazwischen liegen Bereiche mit nur wenigen Galaxien. Insgesamt sieht die Verteilung der Galaxien aus wie ein «kosmisches Netz». Durch die endliche Geschwindigkeit des Lichts und die Entstehung des Universums vor 13,8 Milliarden Jahren können wir nur einen begrenzten Bereich des Universums beobachten (= «beobachtbares Universum»). Dieser ist aber sehr gross: Er hat einen Radius von 46 Milliarden Lichtjahren, und es gibt dort geschätzt 2 Billionen (2000 Milliarden) Galaxien. Wenn jede von ihnen etwa 200 Milliarden Sterne besitzt, kommt man auf eine riesige Anzahl an Sternen – allein im beobachtbaren Universum. Das gesamte Universum ist aber vermutlich noch sehr viel grösser.

Gibt es schwarze Löcher wirklich? Wenn es um geheimnisvolle Objekte im Universum geht, ist häufig von «schwarzen Löchern» die Rede. Beschrieben werden sie oft als gefrässige Monster im Universum, die alles verschlingen, das ihnen zu nahe kommt. Wissenschaftlich betrachtet sind schwarze Löcher Objekte, die eine so starke Gravitation besitzen, dass nicht einmal Licht ihnen entkommen kann. Wir wissen mittlerweile, dass es solche Objekte tatsächlich gibt. Sie bilden sich beispielsweise am Lebensende von Sternen, die viel massereicher sind als unsere Sonne. Ein riesiges schwarzes Loch existiert zudem im Zentrum unserer Milchstrasse. Es heisst Sagittarius A* und hat etwa 4 Millionen Sonnenmassen. Aber man muss keine Angst vor ihm haben – es ist 26 000 Lichtjahre von uns entfernt. «Sehen» können wir schwarze Löcher nicht direkt, da von ihnen kein Licht ausgeht. Aber beobachten können wir sie trotzdem, zum Beispiel indem wir die Strahlung messen, die entsteht, wenn Materie in ein schwarzes Loch stürzt, und auch durch ihre Gravitationseffekte. Seit etwa 10 Jahren können wir faszinierende Ereignisse mit schwarzen Löchern beobachten – nämlich wenn sich zwei schwarze Löcher nahekommen, umkreisen und schliesslich zu einem grösseren schwarzen Loch verschmelzen. Dabei entstehen Gravitationswellen – kleine Dehnungen und Stauchungen des Raums, die sich im Universum ausbreiten wie Wasserwellen auf einer Wasseroberfläche. Mittlerweile haben wir viele solcher Ereignisse durch ihre Gravitationswellensignale beobachten können. (Keine Angst: Die Gravitationswellen, die auf der Erde ankommen, sind absolut ungefährlich.)

Gibt es ausserirdisches Leben? Trotz intensiver Suche nach Signalen von ausserirdischen Lebensformen konnte bisher noch kein Beweis für ausserirdisches Leben gefunden werden. Allerdings gehen die meisten Wissenschaftler*innen davon aus, dass es existiert. Gestützt wird diese Vermutung durch die Entdeckung von immer mehr Planeten, die andere Sterne umkreisen – sogenannte «Exoplaneten». Mittlerweile sind mehr als 5000 Exoplaneten entdeckt worden. Einige davon befinden sich sogar in der sogenannten «habitablen Zone», in der gute Bedingungen für Leben existieren könnten. Planeten in der habitablen Zone haben einen Abstand von ihrem Stern, der es möglich macht, dass Wasser in flüssiger Form existiert. Für Leben, wie wir es kennen, ist flüssiges Wasser eine wichtige Voraussetzung. Wäre der Planet näher an seinem Stern, wäre es zu heiss, und Wasser würde verdampfen. Wäre er weiter weg, wäre es zu kalt, und Wasser würde gefrieren. Ein besonders spannender Exoplanet, über den aktuell viel berichtet wird, heisst K2-18b. Er hat die achtfache Masse der Erde und ist 124 Lichtjahre von der Erde entfernt. Besonders spannend ist, dass er eine Atmosphäre besitzt, in der Anzeichen für Wasserdampf, Methan und Kohlendioxid gefunden wurden – und sogar Hinweise auf bestimmte Schwefelverbindungen, die auf der Erde von Wasserlebewesen gebildet werden. Das sind faszinierende Entdeckungen, aber noch kein Beweis, dass dort tatsächlich Leben existiert.

Wir haben schon viel gelernt, aber es gibt noch viele Geheimnisse im Universum. Deshalb können wir in der Forschung gut Verstärkung gebrauchen. Vielleicht ist das ja in der Zukunft auch etwas für dich?