Die ganz großen Fragen

Mit diesem Modell der kosmischen Entwicklung können wir nun einige der ganz großen Fragen direkt angehen, insbesondere auch die eingangs gestellten.

Ist das Universum endlich oder unendlich?

Der beobachtbare Teil des Universums ist endlich und es handelt sich dabei um den orangefarbenen Bereich in Bild 5. Andererseits gibt es keinen physikalischen Grund anzunehmen, dass außerhalb unseres beobachtbaren Lichtkegels nicht noch mehr Raum existiert, der viele weitere Sterne und Galaxien enthält. Das gesamte Universum ist also höchstwahrscheinlich viel größer als das beobachtbare Universum.

Ob das gesamte Universum endlich oder unendlich ist, wissen wir nicht. Im Text oben wurde der Einfachheit halber angenommen, dass das Universum zumindest weitaus größer ist als die beobachtbare Region. So erstreckt sich zum Beispiel die horizontale rote Linie in Bild 5, die den Raum zu Zeiten des Urknalls darstellt, weit über den winzigen Abschnitt hinaus, aus dem sich das beobachtbare Universum entwickelt hat.

Hat das Universum einen Rand?

Das heutzutage von der Erde aus beobachtbare Universum hat einen Rand, der durch unseren Lichtkegel definiert wird. Alles, was außerhalb dieses Lichtkegels passiert ist, kann nämlich auf keine denkbare Weise heute von uns beobachtet werden.

Komplizierter ist die Frage, ob das gesamte Universum irgendwo außerhalb des beobachtbaren Abschnitts einen Rand hat. Einerseits kann man argumentieren, dass dies gar keine wissenschaftliche Fragestellung ist, da sich die Naturwissenschaften nur mit Dingen beschäftigen, die prinzipiell beobachtbar sind. Andererseits gibt es in unseren physikalischen Theorien keinen Mechanismus, der es einem Universum erlauben würde, einfach irgendwo aufzuhören. Nach Ockhams Rasiermesser - dem wissenschaftlichen Prinzip, der einfacheren Erklärung den Vorzug zu geben - könnte man also postulieren, dass das Universum keinen Rand hat, da ein solcher zusätzliche Naturgesetze erfordern würde.

Ist der Rand des beobachtbaren Universums etwas Besonderes?

Nein, das Universum sieht großräumig betrachtet überall gleich aus. Der Rand unseres beobachtbaren Ausschnittes ist nur ein rein subjektiver Horizont, bis zu dem wir von der Erde aus sehen können.

Die Situation ist vergleichbar mit einem Spaziergänger, der im dichten Nebel auf einem sehr großen Acker steht. Die Sichtweite im Nebel legt einen Kreis um ihn herum fest, bis zu dem er Objekte erkennen kann. Für den Acker hat dieser Kreis aber keine Bedeutung und wenn der Spaziergänger sich bewegt, dann bewegt sich der Kreis mit ihm.

Was passiert, wenn Licht auf den Rand des Universums trifft?

Wie oben beschrieben, wissen wir nur etwas von einem Rand des beobachtbaren Universums und dieser hat nur für uns eine rein subjektive Bedeutung. Ein Lichtstrahl, der irgendwann in der Vergangenheit unseren Lichtkegel verlassen hat, hat von diesem Grenzübertritt nichts gemerkt.

Wie alt ist das Universum?

13,8 Milliarden Jahre.

Ist das Universum aus einer Art Feuerball entstanden?

Das Universum hat seinen Anfang in einem Zustand extremer Hitze genommen und sein beobachtbarer Teil war zunächst eine sehr kleine Kugel, die sich schnell ausgedehnt hat. Dennoch führt der Ausdruck "Feuerball" in die Irre, denn er weckt die falsche Vorstellung von einer Kugel mit einer Oberfläche, die die Grenze zwischen einem glühenden Inneren und einer leeren Umgebung darstellt. In den kosmologischen Modellen jedoch füllt ein heißes Plasma beim Urknall den gesamten zur Verfügung stehenden Raum aus, der möglicherweise unendlich groß ist. Überall entstehen später Sterne und Galaxien aus diesem Plasma, aber die meisten davon werden wir niemals sehen können. Nur aus einem kugelförmigen Teilbereich des Urplasmas ist unser beobachtbares Universum hervorgegangen, dessen Galaxien wir sehen können.

Was passierte vor dem Urknall?

Wir wissen es nicht. Und es ist auch nicht klar, ob es eine Zeit vor dem Urknall überhaupt gab.

Wie groß ist das beobachtbare Universum?

Diese Frage hat es in sich. Hätte das Licht, das relativ kurz nach dem Urknall entstanden ist und das wir heute in Form der sogenannten kosmischen Hintergrundstrahlung beobachten können, einen Kilometerzähler wie ein Auto, dann würde er rund 13,8 Milliarden Lichtjahre anzeigen. Diese Zahl hat allerdings nichts mit irgendeiner wie auch immer definierten Größe des Universums zu tun, denn während das Licht seine lange Reise unternommen hat, ist davor und dahinter ständig neuer Raum hinzugekommen. Die Region, aus der das Licht stammt, war damals viel weniger und ist heute viel mehr als 13,8 Milliarden Lichtjahre von uns entfernt.

Alternativ können wir berechnen, wie weit die ältesten und damit am weitesten entfernten beobachteten Galaxien heute von uns entfernt sein müssten. Im Falle der 13,4 Milliarden Jahre alten Galaxie GN-z11 wären das 32 Milliarden Lichtjahre (Galaxie A in Bild 6).

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Alle Galaxien bewegen sich von uns weg (gestrichelte Linien). Galaxie A liegt in den äußersten Bereichen des beobachtbaren Universums und wir empfangen Licht, welches sie recht früh nach dem Urknall emittierte. Galaxie B sehen wir so. wie sie 10 Mrd. Jahre nach dem Urknall aussah (Schnittpunkt ihrer gestrichelten Linie mit dem Lichtkegel) und Galaxie C können wir gar nicht beobachten. (Bild: Helmut Linde)

Allerdings ist sie in dieser Entfernung natürlich für uns nicht mehr beobachtbar. Und als sie vor 13,4 Milliarden Jahren das Licht abgestrahlt hat, das wir heute beobachten, war ihre Entfernung von uns viel kleiner.

Noch extremer ist die Situation bei der kosmischen Hintergrundstrahlung, also dem ältesten Licht, das wir im Universum beobachten können. Die Strahlung entstand etwa 380.000 Jahre nach dem Urknall und wurde von jeder Stelle im Universum in jede Richtung abgestrahlt. Der Teil dieser Strahlung, den wir heute empfangen, lief an den gesamten Rändern des Lichtkegels in Bild 5 entlang. Er entstand in einer vergleichsweise geringen Entfernung von rund 42 Millionen Lichtjahren um uns herum. Bis heute ist diese gedachte Kugel auf über 46 Milliarden Lichtjahre angewachsen (PDF).

Aber was ist die größte Entfernung, die wir tatsächlich direkt beobachten können, unabhängig von einer Extrapolation auf die heutige Position? Diese Entfernung entspricht der halben Breite des Lichtkegels in Bild 5 an seiner dicksten Stelle und sie beträgt ungefähr fünf Milliarden Lichtjahre. Ein Lichtstrahl, der auf der Erde von einem Teleskop empfangen wird, war also niemals weiter als diese rund fünf Milliarden Lichtjahre von unserer Position im Kosmos entfernt.

Viele offene Fragen

Angesichts der unfassbaren Zeiträume und Distanzen im Kosmos hat die Wissenschaft ein beeindruckend klares Bild von der Entwicklung des Universums hervorgebracht. Doch auch viele grundlegende Fragen sind noch unbeantwortet.

So weiß man, dass die sogenannte Dunkle Materie und Dunkle Energie wesentliche Bestandteile des Universums ausmachen, da man ihre Gravitationseffekte auf verschiedene Arten nachweisen kann. Doch bis heute ist völlig unbekannt, welcher Natur diese mysteriösen Phänomene eigentlich sind.

Auch für die ersten winzigsten Sekundenbruchteile des Urknalls gibt es keine gesicherte physikalische Theorie. Als eine vielversprechende Kandidatin gilt die Hypothese der kosmischen Inflation, doch kursiert dieses Modell in unterschiedlichsten Varianten und entsprechend viele Fragen sind noch offen.

Es gibt also für das James-Webb-Weltraumteleskop sowie für die anderen Großprojekte der Astronomie und der Teilchenphysik in den nächsten Jahrzehnten noch viel zu tun und man darf auf neue Entdeckungen gespannt sein.

Helmut Linde leitete verschiedene Data-Science-Teams in deutschen Konzernen und ist nun bei der Covestro AG für die Digitalisierung von Forschung und Entwicklung verantwortlich. Als Mathematiker und Physiker ist er fasziniert von naturwissenschaftlichen Themen sowie der Anwendung und der Zukunft der künstlichen Intelligenz.