Astronomie Das Ende von allem

Das neue Weltbild der Kosmologie ist schwindelerregend: Das Universum dehnt sich immer schneller aus. Wird die Welt eines Tages zerreißen?

© AFP/Getty Images

Die Aufnahme, die das Hubble-Weltraumteleskop zur Erde schickte, zeigt eine Supernova – das Ende eines Sterns

Die kürzeste Geschichte des Universums ermittelte unlängst das Magazin New Scientist in einem Wettbewerb. Die Leser sollten die wissenschaftliche Schöpfungsgeschichte in einem Textschnipsel auf Twitter erklären. Die kürzeste Einsendung hatte drei Zeichen: ».<∞«. Frei übersetzt: Am Anfang waren Raum, Zeit und Materie in einem winzigen Punkt konzentriert (.); nach dem Urknall dehnte sich das Universum aus (<) bis in alle Ewigkeit (∞ ist das Symbol für unendlich).

Weitere Themen

Klicken Sie auf das Bild, um auf die Seite des Magazins zu gelangen

Das ist kurz und gut. Wirklich überraschend aber ist die Tatsache, dass Physiker vor 150 Jahren auch nicht viel mehr Platz brauchten, um mit einer kühnen Behauptung die Wissenschaft des Universums zu begründen. Damals erforschten sie heiße Gase und Dampfmaschinen, und sie suchten nach einer Theorie der Wärme, der Thermodynamik.

Aber die Erde war nicht genug. Der Berliner Physiker Rudolf Clausius besaß die Dreistigkeit, das Grundgesetz der Thermodynamik kurzerhand für das gesamte Universum zu formulieren. Kühn stellte er fest: »Die Entropie der Welt strebt einem Maximum zu.« Entropie ist Physikerjargon für Unordnung. Und wenn die Unordnung wachse, so argumentierte er, drohe dem Universum der »Wärmetod«. Mit Verbrennung hat das nichts zu tun. Vielmehr würden alle Sterne und Planeten eines Tages in atomare Bestandteile aufgelöst und überall im Weltall gleichmäßig verteilt sein wie ein lauwarmes Gas – ein Schicksal, das dem heutigen Wissen über das Ende des Universums recht nahekommt.

Auch ohne Twitter brach eine Debatte vom Zaun, deren Kernfragen die Menschen bis heute beschäftigen: Existiert das Universum ewig, oder hat es einen Anfang und ein Ende? Und können wir das Universum überhaupt als Ganzes verstehen, obwohl wir ein Teil von ihm sind? Der Mensch, so viel ist sicher, wird eine Fußnote in der Geschichte des Universums bleiben. Und doch fasziniert ihn das Gesamtwerk, weil es die Grundfragen der Existenz berührt. Woher kommen wir? Wohin gehen wir? Wo ist unser Platz im Kosmos?

Damals löste die These vom Wärmetod einen Kulturkampf aus, der weit über die Fachkreise hinausreichte. »Hier wurde um Weltbilder gekämpft«, sagt die Wissenschaftshistorikerin Elizabeth Neswald, »das Ende der Welt war ein Thema, das große öffentliche Aufmerksamkeit erregte und alle Gruppen auf den Plan rief, die beanspruchten, die Welt in ihrer Gesamtheit zu deuten.«

Theologen sahen im Wärmetod eine Bestätigung biblischer Endzeitvisionen, der Fuldaer Jesuit Ludwig Dressel veröffentlichte sogar einen »Gottesbeweis auf Grund des Entropiesatzes«. Materialisten wie Friedrich Engels dagegen lehnten die Theorie aus dem gleichen Grunde ab. Zu bibelnah. Außerdem passte der Zerfall der Welt nicht zu ihrem Fortschrittsoptimismus. Die Kosmologie wurde zum Kampfplatz für Grundsatzdebatten, als Waffen dienten populärwissenschaftliche Bücher und öffentliche Vorträge. Viele Argumente beruhten auf unbeweisbaren Annahmen über das Alter oder die Größe des Universums.

Das ist heute anders. Teleskope überwachen den Kosmos wie einen Patienten auf der Intensivstation. Es gibt eine Fülle von Daten, und es gibt eine bessere Theorie der kosmischen Verhältnisse: Einsteins Relativitätstheorie. Mit ihrer Hilfe haben die Kosmologen ein neues Weltbild entworfen. An Grusel hat dieses nichts eingebüßt, im Gegenteil. Die schockierenden Thesen: Die Welt hatte einen Anfang; und am Ende wird sie leer und dunkel sein.

Vor dem Anfang existierte gar nichts, keine Zeit, kein Raum – vielleicht ein Vorgängeruniversum, wie eine Minderheit glaubt. In der ersten Nanosekunde nach dem Urknall blähte sich der Raum explosionsartig auf. Was diese Phase der Inflation (englisch für das Aufblähen) angetrieben hat, ist noch ein Rätsel. Seit einigen Jahren reift aber die Erkenntnis, dass man die Zukunft des Universums studieren muss, um den Anfang zu verstehen. Satellitenmessungen ferner Sternexplosionen zeigen nämlich, dass das Universum sich seit fünf Milliarden Jahren wieder beschleunigt ausdehnt. Eine seltsame Kraft, »Dunkle Energie« genannt, scheint den Raum zu dehnen wie Überdruck einen Luftballon. Denkbar ist, dass diese Energie das Universum auch in der ersten Nanosekunde nach dem Urknall aufgebläht hat. Bislang kann allerdings niemand ihre Natur erklären, obwohl sie immerhin mehr als 70 Prozent des gesamten Energie-Materie-Gehalts im Universum ausmachen soll.

Zum Glück haben die Kosmologen noch etwas Bedenkzeit. Wenn sie recht behalten, ist ihr eigenes Fachgebiet erst in 500 Milliarden Jahren am Ende. Dann wird die Dunkle Energie den Weltraum so weit gedehnt haben, dass selbst mit den besten Teleskopen nur noch unsere eigene Galaxie sichtbar sein wird – zu wenig, um Hypothesen über das große Ganze zu überprüfen. Bis dahin müssen alle Rätsel des Universums gelöst sein.

1. Was wissen wir über das Universum?

Wer einen Astronomen fragt, wie viel Sternlein stehn, bekommt eine ziemlich unromantische Antwort: ungefähr zehn Milliarden Billionen (oder 10²²). Sehr viele also, aber nicht unüberschaubar viele. Das liegt daran, dass die Astronomen das Universum als überschaubar definiert haben: Es ist so groß, wie das Auge reicht. Es besteht aus allem, was wir prinzipiell beobachten können.

Um einen Stern beobachten zu können, muss Licht von ihm zu uns dringen können. Dafür braucht es Zeit, acht Minuten von der Sonne, ein paar Jahre von den nächsten Sternen, Zehntausende Jahre von den nächsten Galaxien. Das Hubble-Teleskop fotografiert Galaxien, deren Licht Milliarden Jahre unterwegs war. Und der europäische Planck-Satellit empfängt Mikrowellenstrahlung, die rund 400.000 Jahre nach dem Urknall ausgesandt wurde. Aus diesen und anderen Messungen folgern Kosmologen, dass das Universum ungefähr 13,7 Milliarden Jahre alt ist. So bekommt das Universum seine Grenze: Es ist eine imaginäre Raumkugel, von deren Rand das Licht 13,7 Milliarden Jahre bis zu uns unterwegs war.

Die Sterne, die in dieser Raumkugel schweben, wiegen zusammengenommen rund 3 mal 10⁵² Kilogramm – eine Zahl mit 52 Nullen. Die große Überraschung der vergangenen Jahrzehnte war, dass das nur ein Bruchteil der Gesamtmasse des Universums ist. Lange hatten sich die Forscher über die schnelle Bewegung der Sterne am Rand von Galaxien gewundert, bis ihnen klar wurde, dass es nur eine Erklärung gibt: Die Galaxien enthalten außer gewöhnlichen Atomen noch eine unsichtbare Form von Materie, die sich grundlegend von der uns bekannten unterscheidet. Dunkle Materie nennen Kosmologen den seltsamen Stoff. Sie wissen bis heute nicht, woraus er besteht. Vielleicht kommt der neue Teilchenbeschleuniger LHC bei Genf der Dunklen Materie auf die Spur.

Sie ist alles andere als ein Randphänomen: Unsere heimische Milchstraße muss zehnmal so viel Dunkle Materie enthalten wie sichtbare, das Universum insgesamt fünfmal so viel. Aber selbst damit ist das kosmische Inventar noch nicht vollständig. Als die Astronomen das Licht von Sternexplosionen genau vermaßen, fanden sie, dass der Kosmos sich immer schneller ausdehnt, offenbar auseinandergetrieben von der Dunklen Energie. Nach allem, was die Kosmologen wissen, übernimmt sie nach und nach die Herrschaft über das Universum. Sicher ist: Diesen Zeitpunkt werden wir nicht mehr erleben. Vorher wird die Erde unbewohnbar, der Sonne geht das Licht aus, und unsere Galaxie wird kräftig durcheinandergerührt.

2. Wie endet das Leben?

Das Universum ist lebensgefährlich, vor allem wenn man sich in Galaxien aufhält: Dort schicken kollabierende Megasterne intensive Gammastrahlung in den Weltraum; kilometergroße Asteroiden rasen durchs All; und Sterne wie unsere Sonne blähen sich am Ende ihres Lebens auf und verbrennen alles, was ihnen zu nahekommt. Diese Gefahren bedrohen – mit unterschiedlichem Risiko – auch das Leben auf der Erde.

Der Asteroid, der vor 65 Millionen Jahren die Dinosaurier vernichtete, war größer als der Mount Everest. Er katapultierte Staub in die Atmosphäre, der Himmel verdunkelte sich für Jahre, die Temperaturen sanken drastisch. Solch ein Ereignis wird sich wiederholen, denn im Asteroidengürtel zwischen Mars und Jupiter befinden sich noch Hunderttausende Gesteinsbrocken, die durch Gravitationskräfte Kurs auf die Erde nehmen können. Der Astronom Alan Harris beziffert die Wahrscheinlichkeit, dass ein Mensch während seines Lebens durch einen Asteroideneinschlag ums Leben kommt, mit 1 zu 700.000 (höher, als bei einem Terroranschlag zu sterben). Den gesamten Planeten werden Asteroiden aber nicht zerstören, dafür sind sie zu klein.

Auch Sternexplosionen in unserer kosmischen Nachbarschaft sowie Gammastrahlenblitze bedrohen zunächst das Leben, nicht den Planeten Erde. Sie zerstören die Ozonschicht, daraufhin dringt mehr UV-Strahlung von der Sonne zur Erde, diese verursacht Genmutationen und zerstört Flora und Fauna. Solch eine Megakatastrophe droht statistisch nur alle 700 Millionen Jahre. Das Risiko für den Menschen ist niedriger, als beim Strandurlaub von einem Hai zerfleischt zu werden. Andererseits ist die Gefahr angesichts der mehrere Milliarden Jahre währenden Erdgeschichte durchaus real. Aber selbst wenn die Erde davon verschont bliebe, ist ihr Ende besiegelt, und daran ist die Sonne schuld.

3. Wie endet die Sonne?

Wir haben fast Halbzeit. Die Sonne ist vor 4,6 Milliarden Jahren entstanden und wird noch 6 Milliarden Jahre wie ein normaler Stern brennen. Wie die meisten Sterne besteht sie vor allem aus Wasserstoff und Helium. In ihrem Inneren herrschen eine Temperatur von 15 Millionen Grad Celsius und ein enormer Druck. Unter diesen Bedingungen verschmilzt Wasserstoff zu Helium: die Kernfusion. Sie lässt die Sonne brennen, und zwar immer stärker. Denn das Helium sammelt sich am Mittelpunkt der Sonne, dadurch verdichtet sich der Gaskern, der Druck steigt weiter, die Sonne wird wärmer und heller. Seit ihrer Entstehung vor 4,6 Milliarden Jahren ist sie bereits um 40 Prozent heller geworden. Und je heller die Sonne, umso wärmer die Erde.

In 1,1 Milliarden Jahren wird die Sonne zehn Prozent heller sein als heute und die Erde so warm, dass Wüsten die Kontinente bedecken werden. In 3,5 Milliarden Jahren ist die Sonne 40 Prozent heller als heute, auf der Erde verdampfen die Meere. In 6,3 Milliarden Jahren, die Erdoberfläche ist inzwischen steril, ist der Wasserstoff im Kern der Sonne aufgebraucht. Dann geht es richtig rund.

Im Kern der Sonne kommt die Fusion zwar mangels Wasserstoff zum Erliegen. Dadurch sinkt aber der Überdruck im Kern, und die Hülle drückt durch die Schwerkraft nach innen. In der Hülle ist noch Wasserstoff vorhanden, der sich nun weiter erhitzt, bis auch dort die Kernfusion zündet. Die dabei frei werdende Energie erhitzt die äußeren Schichten, die Sonne dehnt sich aus. Im Laufe der folgenden 1,3 Milliarden Jahre bläht sie sich auf das 100- bis 150-Fache ihrer heutigen Größe auf und leuchtet rötlich – Astronomen sprechen von einem Roten Riesen.

Von der Erde aus betrachtet, füllt sie nun ein Drittel des Himmels aus. Ihre äußeren Gasschichten werden die Umlaufbahn des Merkurs erreichen, der Planet wird abbremsen und ins Zentrum der Sonne stürzen. Ob die Venus und die Erde dieses Schicksal teilen werden, ist noch nicht sicher. Die aufgeblähte Sonne verliert nämlich an der Oberfläche Gas und wird dadurch leichter, die Anziehungskraft sinkt, Venus und Erde rücken weiter nach außen. Wenn das schneller geht, als sich die Sonne aufbläht, ist der Planet Erde gerettet – allerdings 1400 Grad heiß, die Erdkruste geschmolzen.

In 7,7 Milliarden Jahren, also 12,3 Milliarden Jahre nach ihrer Entstehung, ist der Kern der Sonne so dicht und heiß, dass Helium zu schwereren Elementen fusioniert. Schockwellen durchlaufen den Stern, in mehreren gewaltigen Eruptionen stößt die Sonne ihre äußere Hülle ab. Übrig bleibt der weiß glühende Kern aus Sauerstoff, Kohlenstoff und etwas Helium, etwa so klein wie die Erde: ein Weißer Zwerg. Noch ein paar Milliarden Jahre, und der Himmelskörper ist kalt und dunkel.

4. Wie endet die Milchstraße?

Das Ziel unserer Reise lässt sich schon heute mit bloßem Auge am Himmel ausmachen: Im Sternbild Andromeda sieht man bei klarer Nacht einen nebligen Fleck, die Andromeda-Galaxie. Sie ist etwas größer als unsere eigene Galaxie, die Milchstraße, und rund 2,5 Millionen Lichtjahre von uns entfernt (zum Vergleich: Die Milchstraße hat einen Durchmesser von 0,1 Million Lichtjahren). Milchstraße und Andromeda-Galaxie sind Nachbarn und ziehen einander durch die Schwerkraft an. Sie bewegen sich derzeit mit 120 Kilometern pro Sekunde aufeinander zu und beschleunigen dabei noch. In gut zwei Milliarden Jahren werden sie aufeinandertreffen.

Das klingt gefährlich, aber die Kollision ist lautlos. Denn obwohl mehr als 1000 Milliarden Sterne daran beteiligt sind, ist zwischen ihnen doch ziemlich viel Platz. Die Galaxien gleiten einfach durch einander hindurch, und es ist unwahrscheinlich, dass dabei auch nur zwei Sterne direkt aufeinanderkrachen. Nur durch ihre Schwerkraft, die weit ins All reicht, zerren sie aneinander.

Aus der Ferne, schreibt Philip Plait in seinem Buch Tod aus dem All, sähen die beiden kollidierenden Galaxien aus »wie zwei merkwürdige Meerestiere, die einen Kampf auf Leben und Tod austragen (oder sich gerade paaren)«. Andromeda und Milchstraße werden ein paarmal durch einander hindurchgleiten und wieder auf Abstand gehen, die Randbezirke zu langen Tentakeln ausfransend. Astronomen schließen nicht aus, dass unser Sonnensystem dabei vorübergehend die Seiten wechselt und mit der Andromeda-Galaxie mitfliegt, bevor beide Galaxien schließlich in fünf Milliarden Jahren eine einzige, elliptische Galaxie formen. Die beiden Astronomen Thomas Cox und Abraham Loeb, die diesen Kampf im Computer simuliert haben, tauften das Konglomerat »Milkomeda«.

5. Wie endet das Universum?

Das Universum ist in Bewegung, seit dem Urknall dehnt es sich aus. Ignoriert man die hypothetische Dunkle Energie, dann bestimmen zwei Kräfte das Schicksal des Universums: Der Schwung des Urknalls treibt es auseinander, die Schwerkraft der in ihm enthaltenen Materie bremst seine Expansion. Wie es weitergeht, hängt davon ab, welche Kraft gewinnt. Wenn das Universum sich für immer ausdehnt, steht ihm der Big Freeze bevor, eine moderne Variante des Wärmetodes: Dann verliert sich die Materie im immer weiteren Raum. Alle Strukturen zerfallen. Wenn hingegen die Schwerkraft stärker ist, wird das Universum einst wieder in sich zusammenfallen. Dann droht der Big Crunch, das große Knirschen. Es ist das genaue Gegenteil des Big Freeze: Immer enger wird es im Universum. Alles wird zusammengedrückt wie in einer kosmischen Schrottpresse, bis es so heiß und dicht ist wie zu Zeiten des Urknalls. Vielleicht knallt es dann wieder, und ein neuer Zyklus des Universums beginnt. Dann sprechen die Kosmologen vom Big Bounce.

Doch da spielt eben noch diese seltsame Dunkle Energie mit, die die Kosmologen erst seit Kurzem auf der Rechnung haben. Wie eine Antischwerkraft treibt sie das Universum auseinander. Und weil ihre Energiedichte, also die Energie pro Raumvolumen, konstant ist, wird die Dunkle Energie umso größer, je mehr sich der Raum ausdehnt. Wenn es so weitergeht, wird das Universum bis in alle Ewigkeit expandieren, und zwar immer schneller. In einer extremen Variante dieses Szenarios könnte die Dunkle Energie einst übermächtig werden. Sie wird alles auseinanderreißen, nicht nur Galaxien und Sterne, sondern auch Moleküle und Atome, bis nur noch Strahlung und unzerlegbare Teilchen übrig sind. Kosmologen sprechen vom Big Rip, dem Großen Reißen, einer verschärften Form des Big Freeze. Vieles davon beruht noch auf Spekulation.

Denkbar ist auch, dass das Universum keines natürlichen Todes stirbt, sondern vorher einen Unfall hat. Es könnte mit einem Nachbaruniversum zusammenstoßen. Der Physiker Paul Steinhardt von der Princeton University glaubt, dass das regelmäßig geschieht. Ihm zufolge existiert ein zweites Universum in höheren Raumdimensionen ganz in unserer Nähe. Das, was wir Urknall nennen, ist demnach nur die Innenansicht einer Kollision mit unserem Zwillingsuniversum. Die nächste Kollision in ferner Zukunft werde das Universum wieder so erschüttern, dass sein jetziger Lebenszyklus endet und ein neuer beginnt. Paul Steinhardt genießt einen guten Ruf bei seinen Fachkollegen, aber mit diesem Weltbild hat er bisher wenige von ihnen überzeugt. Immerhin hat es den Vorzug, dass es ohne die rätselhafte Dunkle Energie auskommt.

6. Gibt es Paralleluniversen?

Was für weibliche Teenager Tokio Hotel ist, das ist für Physiker die »Theorie für Alles«: das große Ziel der Sehnsucht, scheinbar so nah, aber unerreichbar. Zu gerne würden sie die ganze Welt mit einer einzigen Formel erklären, nach dem Vorbild von E=mc2, der zentralen Gleichung in Einsteins Relativitätstheorie. Der bisher ehrgeizigste Versuch, begonnen in den achtziger Jahren, ist die Stringtheorie, die alle Elementarteilchen und Kräfte als winzige vibrierende Saiten in einer elfdimensionalen Raumzeit beschreibt. Sie ist ein ungeheuer kompliziertes mathematisches Konstrukt, das aber nicht nur eine einzige Weltformel hervorzubringen scheint, sondern unüberschaubar viele Formeln. Wie viele es genau sind, wissen auch die Stringtheoretiker nicht. Jedenfalls zu viele, um diese eine Welt zu erklären.

Einige Stringtheoretiker behaupten, dass die Formelflut womöglich keine Schwäche der Theorie ist, sondern ein Abbild der Wirklichkeit, dass es also gar keine eindeutige Weltformel geben kann, weil es mehr als eine Welt gibt. Sie glauben, dass unser Universum nur eines von vielen ist. Multiversum heißt diese Vielfalt von Paralleluniversen. Auch einige Quantenphysiker und Kosmologen glauben in ihren Theorien Hinweise auf Parallelwelten zu entdecken. Das Multiversum ist bislang jedoch nichts als eine Spekulation. Niemand weiß, ob man die Hypothese jemals überprüfen oder widerlegen kann. Bis dahin dient sie Theoretikern und Philosophen als Fingerübung.

7. Werden wir das Universum jemals verstehen?

Die Kosmologie gab es bereits lange vor den Naturwissenschaften. Seit die Menschen Zeit zum Nachdenken haben, versuchen sie, sich ein Bild von der Welt zu machen. Zunächst mit der reinen Kraft der Fantasie. Manche Urkosmologen stellten sich die Erde als ruhend auf dem Rücken einer Riesenschildkröte vor. In diesem poetischen Stil ging es weiter – auch nachdem Physik und Chemie zu nüchternen Naturwissenschaften geworden waren. Bis vor wenigen Jahrzehnten war Kosmologie vor allem Glaubenssache. Manche Kosmologen waren überzeugt, dass das Universum seit je und für immer unverändert existiere. Andere glaubten an einen Urknall. Eine Entscheidung war nicht in Sicht.

Weitere Themen

Klicken Sie auf das Bild, um auf die Seite des Magazins zu gelangen

Die brachte erst die Technik. Mit Satelliten und Radioteleskopen konnten die Kosmologen nachschauen, statt nur nachzudenken, und endlich ihren Theorienfundus entrümpeln. »Ein Goldenes Zeitalter der Kosmologie«, prophezeite David Schramm 1992. »Es ist wirklich gekommen«, sagte der MIT-Kosmologe Alan Guth zehn Jahre später, »die Kosmologie ist von einem Haufen Spekulationen zu einem Zweig der harten Naturwissenschaft geworden. Jetzt entwickeln wir echte Theorien, die wir an Beobachtungen testen können.« Nun wird geforscht statt fantasiert.

Die Situation ist paradox. Einerseits fügen sich die Beobachtungen der Astronomen und Astrophysiker zu einem einheitlichen Gesamtbild. Die Expansionsgeschwindigkeit und das Alter des Universums, die Krümmung des Raums, der Energie- und Materiegehalt – alle Zahlen passen gut zusammen, die Kosmologen diskutieren mittlerweile über Nach-Komma-Stellen. Andererseits müssen sie dafür annehmen, dass das Universum zu 72 Prozent aus Dunkler Energie und zu 23 Prozent aus Dunkler Materie besteht, für deren Existenz es keine direkten Hinweise gibt.

Wenn Dunkle Energie und Dunkle Materie einmal verstanden sind, könnte der Kosmos dann endlich enträtselt sein? Schön wärs. Vielleicht geht es dann erst richtig los mit den Rätseln. Der französische Mathematiker Émile Borel schrieb 1922: »Wer weiß, ob das ganze sichtbare Universum nicht wie ein Wassertropfen auf der Erdoberfläche ist? Bewohner dieses Tropfens, so winzig wie wir im Vergleich zur Milchstraße, könnten niemals ahnen, dass es außerhalb dieses Wassertropfens noch Dinge wie Eisen oder lebendes Gewebe gibt.« Mit solchen Bedenken halten sich Kosmologen lieber nicht auf.