Da ist diese Geschichte mit dem Luftballon, Timothy Clifton kann sie nicht mehr hören. Als er zur Schule ging, erzählte sie der Physiklehrer, als er Physik studierte, erzählte sie der Professor.

Das Universum, so geht diese Geschichte, könne man mit einem Luftballon vergleichen und die Galaxien mit Punkten auf der Oberfläche des Ballons. Wenn man den Luftballon aufblase, rückten die Punkte weiter auseinander. Mit dem Kosmos funktioniere es ähnlich, in drei Dimensionen: Der Raum dehne sich aus, die Galaxien entfernten sich voneinander.

Clifton unterrichtet inzwischen an der Universität Oxford, sein Spezialgebiet ist Kosmologie. Jetzt ist er es, der Studenten die Geschichten erzählt. Und er hat sich eine neue ausgedacht: »Wir alle kennen diese billigen Luftballons, die beim Aufblasen Beulen bilden. Ein Teil dehnt sich rasch aus, und der Rest braucht seine Zeit, um aufzuholen.« So könnte das neue Bild vom Universum aussehen, sagt Clifton.

Übertragen auf drei Dimensionen, hieße das: Das Weltall dehnt sich nicht, wie bisher gedacht, überall mit derselben Geschwindigkeit aus, sondern ungleichmäßig. Einige Regionen expandieren schneller, andere langsamer. Dadurch entstehen riesige Leerräume mit wenigen, andere Gegenden mit vielen Sternen und Galaxien.

Diese Idee wird unter Kosmologen derzeit heiß diskutiert. Sie könnte die größten Probleme der Zunft lösen, darunter das Rätsel der sogenannten Antischwerkraft, die unser Universum auf geheimnisvolle Weise aufzublähen scheint. Aber der Preis für die neue Sicht aufs Universum ist hoch: Zu den Beobachtungen der Astronomen passt sie nämlich nur, wenn die Position der Milchstraße (und der Erde) gegenüber anderen Regionen des Weltalls ausgezeichnet ist. »Dieses Weltbild«, sagt Clifton, »rückt uns an einen besonderen Ort.«

 

Welche Ironie! Vor Kurzem erst hat der Bischof von Frombork (Frauenburg) in der polnischen Woiwodschaft Ermland-Masuren die Gebeine von Nikolaus Kopernikus ausgraben lassen, im kommenden Frühjahr sollen sie feierlich wieder bestattet werden, diesmal mit Gedenktafel. Kopernikus hatte hier, »im hintersten Winkel der Welt«, 1543 die Menschheit aus dem Zentrum des Alls gerückt und das heliozentrische Weltbild entworfen, dem zufolge die Erde um die Sonne kreise (und nicht umgekehrt). Der Kirche gefiel das lange nicht.

Nun erhebt sie Kopernikus mit einigen Jahrhunderten Verspätung vom Ketzer zum Helden – und derweil entwerfen einige Kosmologen ein Weltbild, das die kopernikanische Revolution fast rückgängig machen würde. Wenn Clifton und die anderen Umstürzler recht behalten, befände sich die Erde mit ihrem Sonnensystem wieder an einem zentralen Ort im All.

In diesem Streit geht es um die Interpretation von Satellitendaten und Entfernungsmessungen im Universum. Und für Nichtkosmologen um die Position des Menschen in der Welt: Wo leben wir eigentlich? Es geht aber auch um die Grundsatzfrage, ob wir das Weltall jemals als Ganzes verstehen können.

Die moderne Kosmologie beruht auf der Annahme, dass wir uns an einem durchschnittlichen Ort im Universum befinden. Könnte man das All von einem beliebigen Ort aus betrachten, würde man im Wesentlichen überall dasselbe wie von der Erde aus erblicken – Sterne, Galaxien und Galaxienhaufen, dazwischen leeren Weltraum. Es ist wie in deutschen Fußgängerzonen: Kennt man eine, kennt man alle, auch wenn McDonald’s, H&M oder Fielmann jeweils an anderen Stellen zu finden sind. Die These, dass es im Wesentlichen überall gleich aussieht, heißt in der Kosmologie das »kopernikanische Prinzip«.

Wir befinden uns im Zentrum einer ausgedünnten Sphäre im Kosmos

Der Gegenentwurf ist die Geschichte vom sich unregelmäßig aufblähenden Ballon. Ihr zufolge gibt es im Weltall ganz unterschiedliche Bereiche, manche enthalten viele Sterne und Galaxien, andere sehr wenige. Astrophysiker sprechen schlicht von »The Void«, der Leere.

Zwar ist diese bislang nicht viel mehr als eine Arbeitshypothese. Schließlich ist noch niemand zum Horizont des von uns aus sichtbaren Universums gereist (derzeit von der Erde etwa 45 Milliarden Lichtjahre entfernt) und hat von dort ein Foto geschickt. Warum The Void dennoch so viel Wirbel unter Kosmologen verursacht, versteht man nach einem Blick auf die vorherrschende Lehrmeinung.

Das wichtigste Indiz für das bisherige Weltbild ist die Mikrowellenstrahlung, die den gesamten Kosmos erfüllt. Sie wurde 400.000 Jahre nach dem Urknall emittiert und ist erstaunlich gleichförmig. Je nachdem, in welcher Himmelsrichtung man diese Strahlung misst – ihr Wert schwankt um weniger als ein Zehntelpromille. Ein gutes Indiz dafür, dass es im Prinzip überall gleich aussieht.

Auf solchen Beobachtungen und zahlreichen Berechnungen fußt heute das »Standardmodell« der Kosmologie. Demnach besitzt das Universum eine ziemlich gleichförmige Masseverteilung, ist vor etwa 13,7 Milliarden Jahren im Urknall entstanden und strebt seither stetig auseinander. Früher dachte man, die gegenseitige Anziehung der Galaxien müsste diese Ausdehnung allmählich bremsen. Doch vor elf Jahren nahm diese Entstehungsgeschichte eine erstaunliche Wendung. 

Astronomen hatten weit entfernte Sternexplosionen ins Visier genommen, die gleichsam als kosmische Zollstöcke gelten. Denn solche »Supernovae« sind – anders als Sterne oder Galaxien – alle etwa gleich hell. Über die Messung ihrer Leuchtkraft von der Erde aus lässt sich daher ihre Entfernung abschätzen. Und über die Rotverschiebung des Lichtes kann man zugleich ihre Geschwindigkeit bestimmen.

Die Daten der Supernovae liefern also ein Maß für die Expansionsgeschwindigkeit des Universums. Erstaunt stellten die Astronomen 1998 fest, dass weit entfernte Explosionen schwächer leuchteten als erwartet: Die Expansion des Universums schien sich nicht etwa zu verlangsamen, sondern immer mehr zu beschleunigen. Warum bloß?

Eine mögliche Erklärung: Das Universum ist von einer Art Antischwerkraft erfüllt, auch »Dunkle Energie« genannt, die die Galaxien immer weiter auseinandertreibt. Berechnungen zeigten, dass diese Dunkle Energie dabei sogar den Großteil (rund 70 Prozent) des gesamten Energie-Materie-Inhalts des Universums ausmachen müsste – es war, als hätten Geologen erst im 21. Jahrhundert entdeckt, dass es Wasser auf der Erde gibt.

Damit begannen die Probleme. Einerseits fügte sich die Dunkle Energie hervorragend ins Gesamtbild. Andererseits kann niemand ihre Natur erklären. »Der physikalische Ursprung der Dunklen Energie ist leider fast so problematisch wie das Problem, das sie löst«, sagt der Kosmologe George Ellis von der Universität Kapstadt vornehm. Die französische Kosmologin Marie-Noëlle Célérier dagegen spricht von einer glatten »Lüge«. »Seit zehn Jahren sucht man die Dunkle Energie, aber man findet sie weder im Labor noch im Universum.« Auch das am Montag gestartete Weltraumteleskop Wise soll mal wieder dabei helfen, das Rätsel der Dunklen Energie zu lösen. Célérier glaubt nicht an solche Versprechen.

Die französische Kosmologin war eine der Ersten, die unsere Milchstraße wieder an einen besonderen Ort im Universum setzten. Nachdem die Messungen von 1998 veröffentlicht worden waren, suchte sie nach einer alternativen Erklärung der Daten. Ihre Idee: Wir befinden uns im Zentrum einer ausgedünnten Sphäre im Kosmos (der »Leere«), die etwa halb so groß ist wie das sichtbare Universum.

Innerhalb dieser Sphäre gibt es nur ein Viertel so viel Materie (Staub, Sterne, Galaxien) wie im selben Raumvolumen außerhalb. Also ist hier auch die Gravitationskraft schwächer, und unsere Region konnte sich schneller ausdehnen als andere. Und deshalb erscheinen die Sternexplosionen weiter entfernt – optische Täuschung statt Dunkler Energie.

 "Das kopernikanische Prinzip in allen Ehren, aber es ist im Grunde unbewiesen"

Der Mensch als Beobachter im Zentrum des Universums? Diese Konsequenz der Leere-Lehre löst schnell Unbehagen aus, erinnert sie doch an ein vormodernes Weltbild. Tatsächlich arbeitet Célérier daran, die zentrale Position der Milchstraße zu relativieren: Könnte nicht das unendliche Universum auch außerhalb unseres Horizonts von riesigen, materiearmen Löchern durchsetzt sein? Vom »Schweizer-Käse-Modell« sprechen die Experten.

Célérier brütet noch darüber, ob es mit den bisherigen Beobachtungen der Astronomen übereinstimmt. Falls ja, gäbe es eben viele Leeren. Aber auch die wären mit dem Standardmodell unvereinbar.

Steht also ein antikopernikanischer Paradigmenwechsel bevor? Jedenfalls werden die Thesen der Konterrevolutionäre ernsthaft diskutiert. »Das kopernikanische Prinzip in allen Ehren, aber es ist im Grunde unbewiesen«, sagt George Ellis. Er halte es zwar für »extrem unwahrscheinlich«, dass die Erde wirklich im Zentrum einer Leere sitze. »Aber warum sollte das Universum nicht unwahrscheinlich sein?« Ähnlich argumentiert Timothy Clifton. Das neue Weltbild sei unästhetisch, »aber es geht ja nicht darum, ob wir es schön finden oder nicht«.

Nein, so richtig zu mögen scheint kaum ein Kosmologe die These von der Leere. »Dieses Modell ist ein Biest«, sagt Torsten Enßlin vom Max-Planck-Institut für Astrophysik in Garching: »Es wird so schnell nicht totzukriegen sein.«

Manch einer fürchtet schon um lieb gewonnene Gewissheiten. »Wenn man das kopernikanische Prinzip aufgibt, muss man neu anfangen«, warnt der Astronom Bruno Leibundgut von der Europäischen Südsternwarte in Garching, der 1998 an den Zollstockmessungen beteiligt war. Physikstudenten, sagt Leibundgut, »wird von klein auf eingebläut, dass das kopernikanische Prinzip ganz vernünftig ist«. Ohne dieses lasse sich aus Einsteins Formeln nicht mehr die Geometrie der Raumzeit berechnen, könne man das Universum nicht mehr als Ganzes verstehen.

Allerdings hat auch das Standardmodell der Kosmologie seinen Haken. Ihm zufolge befinden wir uns zwar an einem typischen Ort im Universum, aber nicht in einer typischen Zeit. Denn Sterne, Planeten und Leben können nur zum jetzigen Zeitpunkt (plus/minus ein paar Milliarden Jahre) existieren. In hundert Billionen Jahren werden die Sterne unserer Milchstraße nur noch als ausgebrannte Materieklumpen oder Schwarze Löcher durch den Weltraum geistern. Andere Galaxien werden dann außer Sichtweite geraten, weil die Dunkle Energie den Raum enorm dehnt. Für Astronomen gäbe es dann nichts mehr zu tun.

Wer heute Himmelsforschung betreibt, kann sich also glücklich schätzen – und an die Arbeit machen. Ob wir wirklich auf einem Logenplatz im Universum sitzen, soll nun mit neuester Satellitentechnik entschieden werden. Einige Astronomen wollen schon Anzeichen für die große Leere gesehen haben – in Form driftender Galaxienhaufen, die sich alle in die gleiche Richtung zu bewegen scheinen, als würden sie von einer Materie am Rand des sichtbaren Weltalls angezogen. Diese Beobachtung ist aber umstritten.

Einfacher scheint es, die Verteilung der Galaxien im Universum kurzerhand nachzumessen. Dieser Aufgabe dient die Sloan Digital Sky Survey (SDSS) in New Mexico, eine Art Volkszählung der Sterne. Anfang Dezember veröffentlichte Torsten Enßlin mit einigen Kollegen die bislang größte dreidimensionale Landkarte des Universums, basierend auf den SDSS-Aufnahmen von 463.000 Galaxien. Die Karte reicht 2,1 Milliarden Jahre tief ins All – und enthält keine Hinweise auf eine ausgedünnte Region. Allerdings soll die kosmische Leere ja auch eher zehn bis zwanzig Milliarden Lichtjahre durchmessen. Bis die Karte so weit reicht, werden nach heutigem Tempo noch ein paar Jahrzehnte verstreichen. So lange kann der Streit um ein postkopernikanisches Weltbild nicht warten.

Enßlin denkt nun darüber nach, ob man mit dem im Mai gestarteten Planck-Satelliten der Esa* schneller zum Ziel käme. Der vermisst das Echo des Urknalls, die Mikrowellenstrahlung. Ein Teil davon wird von fernen kosmischen Gaswolken reflektiert. Gäbe es die Leere tatsächlich, wären die Frequenzen des reflektierten Lichts leicht verschoben. Wenn Planck diese schwachen Signale in ein paar Jahren empfinge, wäre das zwar noch kein Foto von weit draußen, aber immerhin eine Art schwacher Widerschein in einem fernen Spiegel.

Der Frauenburger Nikolaus Kopernikus veröffentlichte sein Werk, als er im Sterben lag. Nach seinem Tod vergingen 100 Jahre, bis begnadete Astronomen wie Tycho Brahe, Galileo Galilei und Johannes Kepler die kopernikanische Revolution vollendet hatten. Mit der Lehre von der Leere könnte es schneller gehen.

Mitarbeit: Tobias Hürter

*Anm. d. Red.: im Artikel war zunächst vom Planck-Satelliten der US-Weltraumbehörde Nasa die Rede. Planck ist jedoch ein Satellit der europäischen Weltraumbehörde Esa. Wir bitten den Fehler zu entschuldigen.