Astronomie Der Weg zum All-Wissen

Immer präziser beschreiben die Naturwissenschaften den Makro- und Mikrokosmos. Wo führt das hin? Lässt sich am Ende die Entstehung von All und Leben ohne Gott erklären?

Unser Wissen vom Weltall ruht auf zwei Säulen: der astronomischen Beobachtungstechnik und unserer Kenntnis der Naturgesetze. Seine Erforschung begann im Altertum mit der Vermessung des Sternhimmels, etwa der Höhe eines Sterns über dem Horizont. Die Erfindung des Fernrohrs im 15. Jahrhundert ließ die Astronomie zur modernen Wissenschaft werden, die auf Theoriebildung und sehr genauer Beobachtung beruht.

Die lange Technikgeschichte der Himmelsbeobachtung lieferte im ersten Drittel des 20. Jahrhunderts vor allem dank neuer, großer Teleskope neue Erkenntnisse. Je größer ihre Linsen oder Spiegel, umso mehr Licht konnten sie sammeln und selbst schwächste Lichtpunkte und Nebelflecken sichtbar machen. Sie zeigten uns, dass die Sonne und ihre Planeten zusammen mit etwa hundert Milliarden anderen Sternen sich um den Mittelpunkt eines gewaltigen scheibenförmigen Sternsystems bewegen, des Milchstraßensystems, auch Galaxis genannt. Sie verrieten uns auch, dass unsere Galaxis nicht das einzige Sternsystem ist, dass vielmehr zahllose Galaxien im sonst nahezu leeren Weltall schweben. Diese Entdeckung gelang dem Astronomen Edwin P. Hubble mit den damals größten Teleskopen der Welt, allen voran dem Spiegelteleskop auf dem Mount Wilson in Kalifornien, nördlich von Los Angeles. Hubble erkannte, dass alle Galaxien voneinander wegfliegen – und damit das Weltall als Ganzes expandiert.

Aber auch das unermüdliche Spähen durch kleinere Teleskope hat bis in die jüngste Vergangenheit hinein Astronomen immer wieder in Aufregung versetzt. Im November 1995 meldeten die Schweizer Michael Mayor und Didier Queloz, dass um eine Sonne im Sternbild Pegasus ein Planet kreist. Etwa fünf Tage benötigt er für einen Umlauf. Wir können ihn allerdings nicht sehen, da sein Licht von dem seiner Sonne überstrahlt wird. Er macht sich bemerkbar, weil er bei seinem Umlauf seine Sonne taumeln lässt. Endlich hatten die Astronomen gefunden, was sie schon lange vermuteten: Nicht nur um unsere Sonne, auch um andere Sterne kreisen Planeten. Seither hat man Hunderte solcher Exoplaneten gefunden.

Bei der Fahndung nach Schurkenstaaten wird die Gammastrahlung entdeckt

Die Teleskope liefern uns fast ausschließlich Informationen, die im sichtbaren Licht aus dem Weltall zu uns gelangen. Aber schon 1932 bemerkte der tschechische Funkingenieur Karl Jansky in den USA, dass das Zentrum unserer Galaxis Radiowellen aussendet. Diese Entdeckung war die Geburt der Radioastronomie. Wie das sichtbare Licht durchdringen auch Radiowellen die Erdatmosphäre nahezu ungehindert. Heute wissen wir, dass der Weltraum aus allen Richtungen von Radiowellen aller Frequenzen durchlaufen wird. Von der Sonne, von den Zentren vieler Galaxien und von Gaswolken zwischen den Sternen treffen Radiowellen auf unsere Teleskope. Neutronensterne, die manchmal übrig bleiben, wenn Sterne explodieren, senden regelmäßige Radiopulse aus.

Besonders energiereiche Radiostrahlung heißt Mikrowellenstrahlung. Deren Entdeckung bescherte den Amerikanern Arno Penzias und Robert W. Wilson 1978 den Nobelpreis. Beim Versuch, ein neues Radioteleskop zu justieren, bemerkten die beiden, dass ihr Empfänger eine schwache Strahlung registrierte, die aus allen Himmelsrichtungen eintraf. Diese Strahlung war vorhergesagt worden von dem in den USA arbeitenden russischen Physiker George Gamow. Er war überzeugt, dass das Weltall in einer Explosion, dem Urknall, geboren wurde. Die heiße Strahlung dieser Explosion müsste sich während der Ausdehnung des Alls abgekühlt haben, meinte er, und heute im Mikrowellenbereich liegen. Penzias und Wilson hatten sie per Zufall entdeckt.

Wellen im ultravioletten und infraroten Bereich dringen nur stark geschwächt durch die Atmosphäre. Die kosmische Infrarotstrahlung durchdringt jedoch auch dichte Wolken kosmischen Staubes, die zwischen den Sternen stehen. Nur im Infrarotbereich können wir bis zum Zentrum unserer Milchstraße blicken, um das sich alles dreht. Sterne, die sich dort bewegen, verraten uns, dass im Zentrum der Galaxis ein unsichtbarer Körper steht, der etwa das Viermillionenfache der Masse unserer Sonne umfasst, ein Schwarzes Loch.

Raumsonden können jenseits unserer schützenden Atmosphäre Strahlung in allen Frequenzen des elektromagnetischen Spektrums empfangen, neben sichtbarem Licht auch Ultraviolett- und Röntgenstrahlung, ja sogar die hochenergetische Gammastrahlung, die sonst in der Atmosphäre stecken bleibt und die Erdoberfläche nicht erreicht. Die kosmische Gammastrahlung wurde aber nicht bei der Erforschung des Weltalls entdeckt, sondern bei der Fahndung nach Schurkenstaaten, die heimlich Atombomben zünden. 1963 einigten sich Briten, Amerikaner und Sowjets auf ein Kernwaffenverbot im Weltraum. Kernexplosionen setzen schlagartig Gammastrahlen frei. Deshalb brachten die USA ihre Vela-Satelliten in etwa 100000 Kilometer hohe Umlaufbahnen. Deren Gammastrahlen-Empfänger sollten eventuelle Verstöße gegen das Abkommen registrieren. Alles war höchst geheim. So wurde erst 1973 bekannt, dass die Satelliten Gammastrahlen registriert hatten, die aus dem All drangen. Ihre Ursprünge, gewaltige Ausbrüche in fernen Galaxien, sind die energiereichsten Explosionen im Weltall. Vermutlich begleiten sie die Bildung eines Schwarzen Loches.

Die zweite Säule unseres All-Wissens bilden die Naturgesetze. Im 17. Jahrhundert begannen die Gelehrten, Himmelserscheinungen durch Gesetzmäßigkeiten zu erklären, die sie von der Erde kannten. Zaghafte Versuche in dieser Richtung gab es schon bei den griechischen Philosophen. In England erkannte Isaac Newton an der Bewegung der Planeten die Gesetze der Mechanik und der Gravitation. Ihre große Bewährungsprobe kam 1846. Es gelang mit den Newtonschen Gesetzen, aus Unregelmäßigkeiten der Bahn des frisch entdeckten Planeten Uranus die Existenz eines weiteren Planeten vorherzusagen, dessen Schwerkraft die Uranus-Bewegung stört. Der Franzose Leverrier errechnete sogar den Ort, wo man ihn am Himmel suchen müsste. Tatsächlich fanden Berliner Astronomen dort den Planeten Neptun. Die Herleitung von Naturgesetzen aus der Beobachtung hatte es gestattet, einen neuen Planeten zu finden. Die Entdeckung Neptuns zeigt beispielhaft: Astronomen nutzen die physikalischen Naturgesetze – und bestätigen mit ihren Entdeckungen gleichzeitig deren Gültigkeit.

Kants Vermutung fremder Welten nahmen nur wenige Astronomen ernst

Manchmal aber weisen sie auch auf Lücken im Weltbild der Physiker hin. Die Quelle der Sonnenenergie, die schon seit Jahrmilliarden die Erde wärmt, war bis in die 1920er Jahre ein großes Rätsel. Erst dann erkannten Forscher, dass nur Kernenergie, vor allem die Fusion von Wasserstoff zum Element Helium, die Sonne über so lange Zeit strahlen lassen konnte. Als der englische Astrophysiker Arthur Eddington damals die Temperatur im Sonneninneren abschätzte, kam er jedoch »nur« auf etwa 40000 Grad Celsius – zu kühl für eine Fusionsreaktion! Die Atome in der Sonne wären bei dieser Temperatur zu »lahm«, um zu verschmelzen. Eddington aber hielt hartnäckig an der Fusion als Energiequelle der Sterne fest. Wenige Jahre danach wurde die Quantenmechanik geboren, nach der die Atome in der Sonne sehr wohl verschmelzen können. Die Sonne ist eben doch ein Kernreaktor – und Eddingtons Rechnung gemäß der alten Mechanik hatte eine Lücke im Weltmodell der klassischen Physik gezeigt.

Es gäbe noch viel über wichtige Fortschritte aus jüngerer Zeit zu berichten, doch das lässt sich in dem neu erscheinenden Band nachlesen. Aber in welche Richtung wird es weitergehen?

Vor hundert Jahren glaubten wir noch, unser Milchstraßensystem wäre die einzige Galaxie im sonst leeren Raum. Nur wenige Astronomen nahmen Immanuel Kants Vermutung aus dem Jahre 1755 ernst, wonach viele der im Fernrohr erkennbaren schwachen Nebelflecken Milchstraßensysteme sein sollen wie das unsere. Niemand ahnte vor einem Jahrhundert, wie lange die Sonne schon so strahlt wie heute. Niemand wusste, dass es Neutronensterne gibt, die Strahlen aussenden, wie sie der Würzburger Conrad Wilhelm Röntgen entdeckt hatte. Niemand ahnte, dass es Schwarze Löcher gibt und dass aus dem Weltall Wellen kommen wie die, mit denen der Italiener Guglielmo Marconi die ersten radiotelegrafischen Funksignale von Europa nach Amerika gesendet hatte. Wer mag da voraussagen, wie unser Bild vom Weltall in hundert Jahren aussehen wird?

Entstand das Leben auf der Erde, oder kam es aus den Weiten des Alls?

So unsicher ich mich fühle, über die künftige Entwicklung der Astronomie zu spekulieren, so bin ich mir doch sicher, was ich mir an zukünftigen Erkenntnissen wünsche, obwohl ich sie mit großer Wahrscheinlichkeit nicht mehr erleben werde.

Die Vorgänge im Weltall werden wesentlich von der Schwerkraft gesteuert. Sie sorgt dafür, dass die Gasmassen der Sterne nicht einfach verpuffen, sie bindet die Erde an die wärmende Sonne, hält die Sterne der Galaxien beieinander. Bis heute hat sie alle Tests bestanden, sogar die durch die Relativitätstheorie zur klassischen Theorie hinzukommenden Erscheinungen. Beispiel Merkur. Er umrundet die Sonne nicht einfach in einer Ellipsenbahn, wie es die klassische Mechanik verlangt; vielmehr dreht sich seine Bahnellipse geringfügig, sodass der Planet bei jedem Umlauf eine etwas andere Bahn durchläuft als zuvor. Das widerspricht der klassischen Mechanik. So genau wir von der Erde aus messen können, sagt aber die Relativitätstheorie diese Bewegung richtig voraus. Doch die klassische Theorie wurde durch Einstein nicht falsch, sie ist nur eine Näherung von Einsteins genauerer Theorie, brauchbar nur für schwache Schwerefelder. Aber soll die Relativitätstheorie die absolute Wahrheit sein? Bewegt sich Merkur exakt so, wie sie es verlangt? Neuere Messungen der kosmischen Expansion deuten auf zusätzliche, bisher unbekannte Kräfte hin. Sie beeinflussen die Bewegungen der Galaxien und die Expansion des ganzen Weltalls und werden etwas vage als Dunkle Materie und Dunkle Energie bezeichnet. Folgen auch sie aus Einsteins Gleichungen? Dazu könnten wir vielleicht aus der Bewegung des Merkur etwas lernen, wenn wir sie genauer messen. Von der Erde aus können wir seine Position nur auf einige Kilometer genau bestimmen. Im Jahr 2013 wird die europäisch-japanische Sonde BepiColombo zum Merkur starten. Eine ihrer Aufgaben lautet, die Bewegung des Planeten zu vermessen und seine Position auf zehn Zentimeter genau zu bestimmen. Folgt Merkur der Relativitätstheorie auch bis zu dieser Präzision? Oder weicht er von der errechneten Bahn geringfügig ab und sagt uns, dass Einsteins Theorie noch nicht das letzte Wort ist? Ist sie nur die Näherung einer noch allgemeineren Theorie, so wie die klassische Mechanik nur eine Näherung der Relativitätstheorie ist?

So konkret mein erster Wunsch nach mehr Erkenntnis ist, so vage kommt mir meine zweite Frage vor: Irgendwann entstand auf der Erde Leben. Wir wissen nicht, wie das im Detail vor sich ging, aber die Bedingungen waren nicht außergewöhnlich. Es entstand auf einem Planeten, der von seiner Sonne über Milliarden Jahre warm gehalten wurde und auf dem flüssiges Wasser existierte. Es entstand aus den Stoffen, die wir auch heute auf der Erde finden. Das aber ist in unserem Milchstraßensystem keine Ausnahmesituation. Die irdischen Stoffe findet man im gesamten Weltall, nicht nur in unserer Galaxis, sondern auch in den Galaxien in den entferntesten Winkeln. Auch andere Sterne werden von Planeten umkreist. Auf vielen von ihnen herrschen wahrscheinlich die gleichen Bedingungen wie auf der Erde vor Milliarden Jahren, als hier das Leben begann. Wenn die gleichen Stoffe wie auf der Erde unter den damaligen Bedingungen zusammenkommen, entsteht dann nach einiger Zeit notwendigerweise Leben?

Und entstand das Leben überhaupt auf der Erde, oder kam es aus den Weiten des Raumes? Schon Anfang des 20. Jahrhunderts vermutete der schwedische Chemiker Svante Arrhenius, mikroskopische Lebenskeime könnten sich durch den Weltraum verbreiten und so Leben von einem Planeten zum anderen tragen. Doch wie sollen die durch den Raum vagabundierenden Lebenskeime die sterilisierende Strahlung der Sterne überleben? Vielleicht kommen sie mit einem Schutzpanzer. Wenn ein großer Meteorit auf einem Planeten einschlägt, spritzt Materie nach oben. Ein Teil wird in den Raum geschleudert und irrt vielleicht Millionen Jahre lang durch das Sonnensystem. Lebenskeime im Inneren solch kleinerer Meteoriten könnten dann, abgeschirmt vor den Todesstrahlen, überleben. Wird der Meteorit von einem Planeten aufgefangen, könnten die Lebenskeime dort weiterleben und sich entwickeln. Auf der Erde fand man mehrere Meteoriten, die offensichtlich vom Mars gekommen sind. Haben einige von ihnen auch Lebenskeime mitgebracht? Viele meiner Kollegen halten die Frage, ob es außerhalb der Erde Leben gibt, für unseriös, zu nahe bei der Science-Fiction-Literatur. Das mag ja so sein – aber trotzdem würde ich es gerne wissen.

Meine dritte Frage wird wahrscheinlich niemals beantwortet. Es ist die Gretchenfrage nach Gott, die Astronomen immer wieder gestellt wird. Die alten Germanen verstanden die Gewittererscheinungen nicht, also schufen sie sich Götter, die Menschen mit Blitz und Donner schrecken. Als man Gewitter auf Naturgesetze zurückführen konnte, wurde der Donnergott überflüssig. So hat die Naturwissenschaft in der Vergangenheit Gott immer weiter zurückgedrängt. Biologen und Mediziner können körperliche Vorgänge, Krankheiten und Tod mit Naturgesetzen erklären. Vielleicht wird der Mensch einmal auch die Entstehung des Lebens aus unbelebter Materie im Rahmen der Naturgesetze verstehen. Wäre dann kein Gott mehr nötig, weil alles erklärt ist? Aber woher kommen die Naturgesetze? Sind sie am Ende gottgegeben? Sind sie wie in einem Gesetzbuch gesammelt, dessen einzelne Paragrafen wir im Laufe der Zeit begreifen lernen? Oder schaffen wir uns die Naturgesetze selbst, um uns in einer chaotisch erscheinenden Welt einigermaßen zurechtzufinden?

Vor diesen Fragen stehen wir genauso ratlos wie der alte Germane vor dem Gewitter.

Dieser Text ist eine gekürzte Fassung des Nachworts von »Faszination Kosmos«.