Kosmologie: Vom Rand des Universums

Unser beobachtbares Universum ist beim Urknall aus einem winzig kleinen und extrem heißen Feuerball entstanden. Ist es also endlich groß? Und kann man am Rand hinausfallen?

Artikel von Helmut Linde veröffentlicht am
Kann man das Universum verlassen?
Kann man das Universum verlassen? (Bild: Pixabay/Montage: Golem.de)

Das brandneue James-Webb-Weltraumteleskop hat im Januar 2022 seinen Zielorbit erreicht und wird derzeit auf seine wissenschaftlichen Aufgaben vorbereitet. Dazu gehört die Beobachtung äußerst alter und weit entfernter Objekte, die in einer frühen Entwicklungsphase des Universums relativ kurz nach dem Urknall entstanden sind.

Aber wieso können wir Dinge, die sich kurz nach dem Urknall ereignet haben, überhaupt beobachten? Ist das Universum nicht aus einem sehr kleinen, heißen und dichten Feuerball entstanden? Warum hat das Licht dieser uralten Objekte das damals noch vergleichsweise kleine Universum dann nicht längst verlassen? Und kann man das Universum überhaupt verlassen? Was passiert, wenn Licht auf seinen Rand trifft?

Dieser Artikel verfolgt das ambitionierte Ziel, die Frage nach dem Rand des Universums zu klären - und zwar ohne mathematischen Formalismus, aber auch ohne Irreführung durch übertriebene Vereinfachungen.

Die Vorgänge auf kosmischen Größenskalen unterscheiden sich so dramatisch von unserer Intuition aus dem alltäglichen Leben, dass das Thema nicht sinnvoll ohne ein gewisses Maß an physikalischem Kontext behandelt werden kann. Selbst eine scheinbar harmlose Frage wie die nach der Größe des Universums lässt sich auf ganz unterschiedliche Arten interpretieren, wie wir noch sehen werden.

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Um uns dem Rand des Universums gedanklich zu nähern, müssen wir daher zunächst vier grundlegende Konzepte verstehen.

Grundkonzept 1: Der Blick in die Vergangenheit

Immer wenn wir in den Weltraum hinausblicken, schauen wir auch gleichzeitig in die Vergangenheit zurück. Die Licht ist zwar mit rund 300.000 Kilometern pro Sekunde buchstäblich blitzschnell, aber seine Geschwindigkeit ist eben doch endlich. Wenn wir zum rund 380.000 Kilometer entfernten Mond aufblicken, sehen wir den Himmelskörper also nicht so, wie er im selben Moment ist, sondern so, wie er vor etwas mehr als einer Sekunde war (PDF).

  • Je tiefer wir ins Weltall blicken, desto weiter schauen wir auch zurück in seine Vergangenheit. Den Mond sehen wir so, wie er vor etwas mehr als einer Sekunde war. Licht von der Kleinen Magellanschen Wolke erreicht uns nach 200.000 Jahren und wir sehen daher immer nur ein entsprechend altes Bild dieser Nachbargalaxie. (Bild: Helmut Linde)
  • Der orangefarbene Bereich wird Lichtkegel genannt. Er enthält alle Punkt in Raum und Zeit, die mit dem Hier und Jetzt prinzipiell eine physikalische Wirkung austauschen können. Die Steigung seiner Begrenzungslinien entspricht der Lichtgeschwindigkeit und damit der höchsten physikalisch möglichen Geschwindigkeit, mit der sich Materie, Energie oder Information fortbewegen können. (Bild: Helmut Linde)
  • Beispiel für lokale Expansion des Raumes: Im flachen Raum links passt nur ein Flachländer in das Haus (schwarzes Rechteck). Rechts krümmt sich der Raum innerhalb des Hauses und expandiert. Obwohl das Haus von außen unverändert erscheint, passen nun viel mehr Flachländer hinein. Dass sich die Blase in die dritte Dimension wölbt, macht es unserer Vorstellung leichter, die Expansion zu verstehen. Die Flachländer können diese dritte Dimension jedoch nicht wahrnehmen.  (Bild: Helmut Linde)
  • Ameisenmodell für das beobachtbare Universum: Zwei Ameisen sitzen nah zusammen auf einem Gummiband (ganz unten) und krabbeln aufeinander zu. Das Gummiband wird im Laufe der Zeit (im Bild nach oben hin) immer weiter gestreckt. Obwohl sich die Ameisen relativ zu ihrer Position auf dem Band ständig vorwärts bewegen, werden sie zu Anfang zunächst ein Stück nach hinten mitgerissen. Je mehr Distanz sie auf dem Band zurücklegen, um so langsamer werden sie nach hinten versetzt, bis sie sich einander tat
  • Der orangefarbene Bereich im Raum-Zeit-Diagramm stellt unseren Vergangenheits-Lichtkegel und damit alle von uns beobachtbaren Ereignisse im Universum dar. Aufgrund der Expansion des Raumes verlaufen die Ränder nicht geradlinig, sondern sie entsprechen den gedachten Kurven durch die Ameisen in Bild 4. (Bild: Helmut Linde)
  • 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)
Je tiefer wir ins Weltall blicken, desto weiter schauen wir auch zurück in seine Vergangenheit. Den Mond sehen wir so, wie er vor etwas mehr als einer Sekunde war. Licht von der Kleinen Magellanschen Wolke erreicht uns nach 200.000 Jahren und wir sehen daher immer nur ein entsprechend altes Bild dieser Nachbargalaxie. (Bild: Helmut Linde)

Normalerweise werden kosmische Distanzen nicht in Kilometern gemessen, sondern in Lichtjahren - also der Entfernung, die das Licht in einem Jahr zurücklegt. Wenn ein 200 Lichtjahre entfernter Stern vor 200 Jahren explodiert ist, dann kann man also diese Supernova heute von der Erde aus betrachten. Und bei der Beobachtung einer Galaxie in 80 Millionen Lichtjahren Entfernung blicken Astronomen schon in eine Epoche zurück, zu der auf Erden noch Dinosaurier durch die Wälder streiften.

Alles über Astronomie: Die Wunder des Weltalls, Sterne und Planeten beobachten

Grundkonzept 2: Der Lichtkegel

Der sogenannte Lichtkegel eines Beobachters bezeichnet alle Punkte in der Raumzeit, von denen aus ein Lichtsignal den Beobachter erreichen könnte oder denen er umgekehrt ein Lichtsignal schicken könnte.

  • Je tiefer wir ins Weltall blicken, desto weiter schauen wir auch zurück in seine Vergangenheit. Den Mond sehen wir so, wie er vor etwas mehr als einer Sekunde war. Licht von der Kleinen Magellanschen Wolke erreicht uns nach 200.000 Jahren und wir sehen daher immer nur ein entsprechend altes Bild dieser Nachbargalaxie. (Bild: Helmut Linde)
  • Der orangefarbene Bereich wird Lichtkegel genannt. Er enthält alle Punkt in Raum und Zeit, die mit dem Hier und Jetzt prinzipiell eine physikalische Wirkung austauschen können. Die Steigung seiner Begrenzungslinien entspricht der Lichtgeschwindigkeit und damit der höchsten physikalisch möglichen Geschwindigkeit, mit der sich Materie, Energie oder Information fortbewegen können. (Bild: Helmut Linde)
  • Beispiel für lokale Expansion des Raumes: Im flachen Raum links passt nur ein Flachländer in das Haus (schwarzes Rechteck). Rechts krümmt sich der Raum innerhalb des Hauses und expandiert. Obwohl das Haus von außen unverändert erscheint, passen nun viel mehr Flachländer hinein. Dass sich die Blase in die dritte Dimension wölbt, macht es unserer Vorstellung leichter, die Expansion zu verstehen. Die Flachländer können diese dritte Dimension jedoch nicht wahrnehmen.  (Bild: Helmut Linde)
  • Ameisenmodell für das beobachtbare Universum: Zwei Ameisen sitzen nah zusammen auf einem Gummiband (ganz unten) und krabbeln aufeinander zu. Das Gummiband wird im Laufe der Zeit (im Bild nach oben hin) immer weiter gestreckt. Obwohl sich die Ameisen relativ zu ihrer Position auf dem Band ständig vorwärts bewegen, werden sie zu Anfang zunächst ein Stück nach hinten mitgerissen. Je mehr Distanz sie auf dem Band zurücklegen, um so langsamer werden sie nach hinten versetzt, bis sie sich einander tat
  • Der orangefarbene Bereich im Raum-Zeit-Diagramm stellt unseren Vergangenheits-Lichtkegel und damit alle von uns beobachtbaren Ereignisse im Universum dar. Aufgrund der Expansion des Raumes verlaufen die Ränder nicht geradlinig, sondern sie entsprechen den gedachten Kurven durch die Ameisen in Bild 4. (Bild: Helmut Linde)
  • 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)
Der orangefarbene Bereich wird Lichtkegel genannt. Er enthält alle Punkt in Raum und Zeit, die mit dem Hier und Jetzt prinzipiell eine physikalische Wirkung austauschen können. Die Steigung seiner Begrenzungslinien entspricht der Lichtgeschwindigkeit und damit der höchsten physikalisch möglichen Geschwindigkeit, mit der sich Materie, Energie oder Information fortbewegen können. (Bild: Helmut Linde)

Eine Eruption, die sich vor acht Minuten auf der Sonnenoberfläche ereignet hat, liegt also gerade jetzt auf dem Lichtkegel eines irdischen Beobachters, weil das Licht von der Sonne zur Erde etwa acht Minuten braucht.

Eine fundamentale Eigenschaft von Raum und Zeit ist es, dass sich keine physikalische Wirkung schneller als die Lichtgeschwindigkeit ausbreiten kann. Folglich können wir nur vergangene Ereignisse innerhalb unseres Lichtkegels beobachten und nur zukünftige Ereignisse innerhalb des Lichtkegels beeinflussen. Von Ereignissen außerhalb unseres Lichtkegels können wir hingegen auf keine denkbare Weise Notiz nehmen.

Natürlich bewegt sich unser Lichtkegel zusammen mit uns durch Raum und Zeit. So wäre beispielsweise eine Supernova, die heute zwanzig Lichtjahre von der Erde entfernt stattfindet, nicht im Lichtkegel der heutigen Erde. Sie wäre aber durchaus im Lichtkegel der zukünftigen Erde des Jahres 2042. Auch ein Ereignis außerhalb unseres Lichtkegels können wir also möglicherweise beobachten, wenn wir lange genug warten und dem Licht Zeit geben, uns zu erreichen. Bei kosmischen Dimensionen ist dies allerdings nicht praktikabel, da die Wartezeit im Bereich von Millionen oder Milliarden von Jahren liegen kann.

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Grundkonzept 3: Der Urknall 
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Trollversteher 08:30 / Themenstart

Aber genau das stimmt ja auf Quantenebene nicht mehr. Fängt schon damit an, dass das...

Trollversteher 08:13 / Themenstart

Die Sache hat ein, zwei Haken: zB. dass sich Galaxien, die sich aus unserer Perspektive...

TarikVaineTree 17. Mai 2022 / Themenstart

Sehe ich auch so. Gucke und lese Beiträge zu dem Thema auch seit Jahren wöchentlich...

Sportstudent 15. Mai 2022 / Themenstart

Interessanter Beitrag und vor allem sehr bildhaft für Deppen wie mich beschrieben, vielen...

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