Die Erde, ein Körnchen im Universum – Seite 1

Wo kommen wir her? Und sind wir allein im Universum? Es sind die existenziellen Fragen, denen James Peebles, Michel Mayor und Didier Queloz ihre Forschung gewidmet haben. Auf der Suche nach Antworten haben sie nicht nur die Entstehung des Universums mit seinen Milliarden Galaxien und Galaxienhaufen hinterfragt, sie wagten es auch, die Besonderheit der Erde zu entzaubern. "Begründer des goldenen Zeitalters der Kosmologie" seien sie. Deshalb erhalten die drei Kosmologen dieses Jahr den Nobelpreis in Physik.

Doch beginnen wir ganz am Anfang, beim Urknall. Er ist die verlässlichste Erklärung dafür, wie Materie, Raum und Zeit einst entstanden sind. Vor etwa 13,8 Milliarden Jahren, so die gängige Vorstellung. Was in jenem Moment genau geschah, ist nicht zu sagen. Aber es gab wohl zunächst nicht mehr als eine heiße, ungeordnete Plasmasuppe aus Protonen, Elektronen und Photonen. Es dauerte etwa 380.000 Jahre, bis sich alles so weit abgekühlt hatte, dass Wasserstoff- und Heliumatome entstehen konnten, woraufhin Photonen endlich frei waren und Licht begann, ungehindert durch den Raum zu fliegen: Diese ersten Strahlen reichen bis ins Heute.

Der Urknall glüht also nach. Zwar nur sehr schwach, aber dennoch konnten die Forscher Arno Penzias und Robert Wilson das im Jahr 1964 messen. Sie empfingen mit einer Antenne Signale aus dem Weltraum, ein konstantes Rauschen, das sie sich nicht erklären konnten. Für den Nachweis dieser Hintergrundstrahlung erhielten sie 1978 einen Nobelpreis. Dabei war es James Peebles von der Princeton-Universität in New Jersey, der ihnen die Erklärung für ihre Entdeckung lieferte. 

Der Kanadier hatte mit seinem Doktorvater Robert Henry Dicke die kosmische Mikrowellenstrahlung in den Sechzigerjahren vorausgesagt. Er war überzeugt: Es müsse eine überall existierende kosmische Strahlung geben, die gleichmäßig aus allen Richtungen vom Weltall auf die Erde trifft, weil sie durch den Urknall entstanden ist. Er hatte recht und sollte noch öfter recht behalten. Denn die Vorhersage der Sechzigerjahre war bloß seine erste wesentliche Erkenntnis.

Die Hintergrundstrahlung sagt zunächst nur aus, dass das Universum gleichförmig ist. Wie aber haben sich Galaxien gebildet? Peebles entwickelte also die Theorie, dass sich in der Strahlung Unregelmäßigkeiten messen lassen müssten, die gewissermaßen die Saatkörner für größere Materiegewächse sind. Als einer der ersten erstellte er entsprechende Simulationen am Computer und stellte fest: Wenn man etwas nicht ganz Gleichförmiges sich selbst überlässt, können sich daraus Strukturen bilden. In den frühen Achtzigerjahren haben Forscher basierend auf dieser Annahme dann gezeigt, dass es diese Strukturen wirklich gibt.

Das kosmische Netz war entdeckt, was die nächste Schlussfolgerung mit sich brachte – an der erneut Peebles maßgeblich beteiligt war: Wir sehen eigentlich viel zu wenig in der Strahlung, als das allein daraus so viele Galaxien in so kurzer Zeit entstanden sein können. Da muss noch etwas sein, dachte der Kosmologe. Neutrinos, vermuteten manche. Doch die Theorie ging nicht auf. Im Jahr 1982 war es wieder Peebles, der die neue durchschlagende Idee hatte: Es könnte ein Elementarteilchen sein, das wir noch gar nicht kennen. Ein Teilchen, das schwer und langsam ist, also kalt statt heiß wie Neutrinos. Die kalte Dunkle Materie war in der Welt.

Es gibt mehr, als zu sehen ist

Mit Peebles theoretischen Werkzeugen und Berechnungen begann eine neue Ära der modernen Kosmologie. "Er hat dafür gesorgt, dass das Urknallmodell von dem Szenario wie es Einstein, Lemaître und Hubble entwickelt haben, zu einem kohärenten Modell der Kosmologie bis hin zur Entstehung von Galaxien und der großräumigen Struktur wurde", sagt der Astrophysiker Matthias Steinmetz vom Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam. Somit konnten Forscherinnen und Wissenschaftler endlich mit großer Sicherheit sagen, wie alt das Universum ist, was aus ihm werden wird und das wohl nur fünf Prozent des Universums aus Atomen und Molekülen bestehen, den Rest machen nach jetziger Kenntnis Dunkle Materie (etwa 25 Prozent) und Dunkle Energie (70 Prozent) aus. Bislang hat die allerdings niemand nachgewiesen. Fest steht nur, dass es da draußen mehr gibt, als Astronomen sehen können.

Die Theorie des kanadischen Kosmologen, dem die Nobeljury eine Hälfte des Preisgeldes zuerkennt, lieferte also die Grundlage für das moderne Verständnis der Geschichte unseres Universums, vom Urknall bis zur Gegenwart – inklusive neuer Rätsel. "Dieser Nobelpreis ist eher eine Ehrung für ein Lebenswerk", sagt Astrophysiker Steinmetz.

So weit, so gut. Doch wie fügt sich die Menschheit in dieses große Ganze ein? Sind wir wirklich allein in diesem riesigen, sich ausdehnenden Universum? Diesem nicht minder großen Thema ist die zweite Hälfte des diesjährigen Nobelpreises in Physik gewidmet. So haben die Schweizer Astronomen Michel Mayor und Didier Queloz im Jahr 1995 etwas entdeckt, was viele bis dahin für unmöglich hielten: einen riesigen Planeten, der einen sonnenähnlichen Stern fern unseres eigenen Sonnensystems umkreist – einen Exoplaneten.

Die beiden Forscher von der Uni Genf hätten "ein Bild des Universums gezeichnet, das weit sonderbarer und weit schöner ist, als wir es uns jemals hätten vorstellen können", begründet das Nobelkomitee seine Entscheidung. Die Suche nach einer zweiten Erde konnte beginnen. 

Diesen fernen Planeten hätte es theoretisch gar nicht geben dürfen

Tatsächlich übertraf der erste je entdeckte Exoplanet 51 Pegasi b alle bisherigen Vorstellungen. Schnell bewegte er sich um seinen Stern 51 Pegasi, der in unserer Heimatgalaxie, der Milchstraße, liegt, und 50 Lichtjahre von der Erde entfernt ist. Der Planet braucht bloß vier Tage für eine Umrundung, entsprechend nah muss er seinem Stern sein und entsprechend heiß. Ein Gasball, vergleichbar mit dem riesigen Jupiter unseres Sonnensystems.

Nach den bis dahin gängigen Theorien über die Entstehung von Planeten hätte es 51 Pegasi b, der heute den Namen Dimidium trägt, gar nicht geben dürfen. Das bedeutet: Die Theorie war falsch, neue durften, ja mussten her. Und mit ihnen kamen weitere Entdeckungen.

Die Erde scheint nicht mehr so etwas Besonderes zu sein.
Ruth Titz-Weider, Deutsches Zentrum für Luft und Raumfahrt

"Die Entdeckung des ersten Exoplaneten hat zu einer starken Suche nach weiteren geführt, und damit Planetenphysik wieder zu einem Teil der Astronomie gemacht", sagt Gerd Steinle-Neumann, Akademischer Rat am Bayerischen Geoinstitut der Universität Bayreuth. Weltraumteleskope wie Hubble seien eigens dafür umgewidmet oder wie Kepler und TESS neu gebaut worden. Mit Erfolg.

Heute ist ein Exoplanet kaum mehr eine Nachricht wert. Rund 4.000 Exoplaneten sind bislang offiziell anerkannt, Tausende weitere warten auf eine Bestätigung. Es sind die spezifischen Eigenschaften der Planeten aus Gas, Eis und Gestein, die inzwischen begeistern. Da gab es jüngst K2-18b, der einen 110 Lichtjahre entfernten Stern umkreist, und bei dem Astronomen Wasserdampf nachwiesen (Nature Astronomy: Tsiaras, Angelos, et al., 2019). Oder Kepler-1625b, der möglicherweise einen etwa neptungroßen Mond besitzt (Science Advances: Teachey & Kipping, 2018). 2017 wurde außerdem bekannt, dass Astronomen gut 39 Lichtjahre von der Erde entfernt ein Sternsystem entdeckt haben, in dem mindestens sieben Planeten eine Sonne namens Trappist-1 umkreisen (Nature: Gillon et al., 2017). Es sollte fortan zu Michael Mayors Favoriten gehören.

Die Alleinstellung der Erde als einziger für Menschen bewohnbarer Planet sei dank Mayor und Queloz infrage gestellt, sagt Steinle-Neumann. "Wir sind die erste Generation, die mit Sicherheit sagen kann, dass es außerhalb unseres Sonnensystems noch andere Planetensysteme gibt", sagt die Planetenforscherin Ruth Titz-Weider vom Deutschen Zentrum für Luft und Raumfahrt (DLR). Damit habe sich unsere Stellung im Weltall verändert, vielleicht relativiert: "Unser Planet scheint nicht mehr so etwas Besonderes zu sein", sagt die DLR-Forscherin weiter. Allerdings habe man noch keinen Gesteinsplaneten entdeckt, der auch um einen Stern wie unsere Sonne kreist und zwar in einem Abstand, der Wasser und damit Lebensformen, wie wir sie kennen, erlauben würde. Doch was nicht ist, kann noch werden. Irgendeine Form von außerirdischem Leben müsse es geben, da sind sich viele Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler einig.

Es sei doch irgendwie ironisch, sagte James Peebles auf der Pressekonferenz anlässlich der Nobelpreisverkündung am Dienstag: "Wir haben diese klare Vorstellung von Leben auf anderen Planeten. Wir können aber auch sehr sicher sein: Wir werden diese anderen Lebensformen niemals sehen." Wer weiß, auch Nobelpreisträger können mal irren.