Sternengeschichten Folge 697: Das Uratom und die Entstehung des Universums

„Mit dem gleichen klaren und kritischen Blick, mit dem [der aufgeklärte moderne wissenschaftliche Mensch] die Fakten prüft und beurteilt, erblickt und erkennt er das Werk der schöpferischen Allmacht, deren Tugend, angeregt durch das mächtige ‚Fiat‘, das vor Milliarden von Jahren vom Schöpfergeist ausgesprochen wurde, sich im Universum entfaltete, der mit einer großzügigen Geste der Liebe die überbordende Energiematerie ins Leben ruft.

Das hat Papst Pius XII im Jahr 1951 bei einer Tagung der Päpstlichen Akademie der Wissenschaften über die Frage der Entstehung des Universums gesagt. Das, was da der "Wissenschaft gelungen" ist, war die Arbeit eines belgischen Forschers, der gleichzeitig auch Priester war und dieser Priester war gar nicht erfreut darüber, dass seine Arbeit auf diese Weise in den Dienst der Religion gestellt worden ist. Es geht in dieser Folge um Georges Lemaître, der als erster eine Idee formuliert hat, die wir heute als "Urknall" bezeichnen und maßgeblich dazu beigetragen hat, unser modernes Bild von der Entstehung und Entwicklung des Universums zu formen. Meistens hört man über ihn nur, dass er sich mit der Arbeit von Albert Einstein beschäftigt hat, dass er behauptet hat, dass das Universum nicht immer schon existiert sondern einen Anfang in der Zeit hat und man weist natürlich darauf hin, dass er Priester war und dass es schon ein wenig seltsam ist, wenn gerade ein Priester mit so einem "Schöpfungsakt" daher kommt. Und es stimmt, dass Georges Lemaître ein Priester war. Er war aber vor allem auch ein ausgebildeter und seriöser Wissenschaftler und seine Idee vom Anfang des Universums hat so gar nichts mit Religion zu tun.

Lemaître ist am 17. Juli 1894 geboren worden, in der belgischen Stadt Charleroi. Er hat sich schon als Jugendlicher sowohl für die Wissenschaft, als auch für Religion interessiert. Er wurde in einer Schule der Jesuiten ausgebildet und wollte eigentlich direkt danach Priester werden. Sein Vater konnte ihn aber überzeugen, zuerst noch ein Studium der Ingenieurswissenschaft zu absolvieren; etwas, das man im Belgien der damaligen Zeit und dem dort intensiv betriebenen Bergbau gut brauchen konnte. Dieses Studium wurde aber vom Ausbruch des ersten Weltkriegs unterbrochen und Lemaître hat sich freiwillig zur Armee gemeldet, um Belgien gegen den Angriff von Deutschland zu verteidigen. Nach dem Krieg hat Lemaître sein Studium wieder aufgenommen, ist aber von den Ingenieurswissenschaften zu Physik und Mathematik gewechselt. 1920 hat er sein Doktorat an der Universität Löwen bekommen; zwischenzeitlich hat sich Lemaître auch im Priesterseminar eingeschrieben und wurde 1923 zum Priester geweiht. Und im Priesterseminar ist er auch das erste Mal mit der Relativitätstheorie von Albert Einstein in Kontakt gekommen. Die war damals noch recht frisch; vor allem die Allgemeine Relativitätstheorie, die sich mit dem Zusammenhang zwischen Raum, Zeit und Gravitation beschäftigt. Albert Einstein hat sie 1915 veröffentlicht, aber so richtig prominent ist die Theorie erst 1919 geworden, als der britische Astronom Arthur Eddington den Effekt der Raumkrümmung durch Massen bei der Beobachtung einer Sonnenfinsternis auch einwandfrei nachweisen konnte.

Ich habe in diversen anderen Folgen der Sternengeschichten schon davon erzählt, aber Einsteins Theorie kann man ja nicht nur dazu verwenden, das Verhalten von Massen zu beschreiben, die den Raum krümmen und sich dann durch diesen gekrümmten Raum bewegen. Sondern auch dazu, dass Universum in seiner Gesamtheit zu beschreiben. Einstein und die meisten anderen Wissenschaftler sind damals davon ausgegangen, dass das Universum statisch und unendlich ist. Das soll heißen: Es hat keinen Anfang und kein Ende; es war immer schon da und wird auch immer da sein und es verändert sich nicht. Das Problem: Einsteins eigene Gleichungen waren nicht in der Lage, dieses Verhalten auch zu beschreiben. Wenn man sie entsprechend gelöst hat, war das Ergebnis immer ein Universum, dass sich verändert; ein Universum, dass sich ausdehnt oder kollabiert. Deswegen hat Einstein seine berühmte kosmologische Konstante eingeführt, von der ich in Folge 249 ausführlich erzählt habe. Nur mit dieser Korrektur konnte er ein Universum so beschreiben, wie er sich das vorgestellt hat. Lemaître hat die Gleichungen von Einstein ebenfalls ausführlich untersucht und konnte schon 1922 zeigen, dass die kosmologische Konstante keine reine Korrektur ist, sondern tatsächlich direkt aus Einsteins Gleichungen folgt. Das war aber erst der Anfang. Lemaître hat weiter geforscht, ist auch in die USA gereist um dort mit Leuten wie Vesto Slipher zu sprechen, die die fernen "Nebel" beobachtet haben, von denen man damals noch nicht wusste, dass es noch viel weiter entfernte Galaxien sind. Das konnte erst Edwin Hubble mit seinen heute berühmten Beobachtungen nachweisen, die er 1925 bei einer Konferenz vorgestellt hat; im Publikum saß auch Lemaître. Die Frage nach dem Universum selbst war aber immer noch offen. Einstein selbst hat seine Lösung favorisiert, bei der das Universum statisch ist, beziehungsweise dass durch die Kraft der von ihm eingeführten kosmologischen Konstante statisch gehalten wird. Vereinfacht gesagt: Das Universum will eigentlich in sich zusammenfallen. Aber weil da eben diese abstoßende Kraft ist, die die Konstante beschreibt, gleicht sich alles aus und alles bleibt wie es ist. Es gab aber auch noch eine andere Lösung, nämlich die des niederländischen Astronomen Willem de Sitter. Er hat ein Universum beschrieben, das ebenfalls statisch ist, aber bei dem Lichtwellen, die aus großer Entfernung zu uns kommen, in Richtung der Farbe Rot verschoben sind. Das war auch genau das, was Edwin Hubble und seine Kollegen beobachtet haben: Das Licht ferner Galaxien ist tatsächlich rotverschoben. Das Universum von de Sitter war allerdings nur ein mathematisches Konstrukt; seine Lösung funktioniert nur, wenn es sich um ein Universum handelt, das keine Materie enthält.

Georges Lemaître hat über all das nachgedacht. Er hat sich mit all diesen Lösungen beschäftigt; hat die Beobachtungsdaten von Slipher, Hubble & Co gesammelt und dann 1927 eine Arbeit geschrieben, mit dem Titel "Über ein homogenes, expandierendes Universum mit konstanter Masse". Darin beschreibt er, basierend auf Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie, einen Kosmos, der sich ausdehnt und in dem das Licht der fernen Galaxien deswegen rotverschoben ist, um so stärker, je weiter sie entfernt sind. Diese Lösung der Einsteinschen Gleichungen war nicht neu; der russische Physiker Alexander Friedman hat sie schon 1922 gefunden. Aber davon wusste Lemaître nichts; die Arbeit von Friedmann ist generell ziemlich ignoriert wurden und das selbe Schicksal hat auch die Arbeit von Lemaître ereilt. Die Wissenschaft war offensichtlich noch nicht bereit für ein expandierendes Universum. Im Oktober 1927 fand eine große wissenschaftliche Konferenz in Belgien statt, bei der auch Einstein eingeladen war. Lemaître nicht, aber er konnte die Gelegenheit trotzdem nutzen, um mit ihm über seine Arbeit zu besprechen. Einstein war durchaus beeindruckt von der Mathematik. Aber nicht von der Physik. Er wollte nur ein Universum, in dem die kosmologische Konstante den Wert hat, den sie braucht, damit das Universum statisch bleibt und keinen Wert, mit dem es expandiert. "Ihre Mathematik ist korrekt, aber ihre Physik ist grauenhaft", soll Einstein zu Lemaître gesagt haben. Sowohl von der Mathematik als auch der Physik höchst beeindruckt war Arthur Eddington, der sich auch dafür eingesetzt hat, dass die Arbeit von Lemaître auf englisch übersetzt und in einer englischen Fachzeitschrift veröffentlicht wird. Diese Version wurde dann 1931 veröffentlicht; Lemaître hat davor aber noch die Berechnungen gestrichen, die eine Expansion des Universums beschreiben. Später hat er gesagt, er habe das deswegen getan, weil mittlerweile die beeindruckenden Beobachtungsdaten von Edwin Hubble vorhanden waren, die ja gezeigt haben, dass das Universum expandiert.

Auf jeden Fall war die Idee des expandierenden Universums nun in der Welt, auch wenn viele Forschende immer noch nicht überzeugt waren, dass sich das Universum wirklich ausdehnt. Denn wenn es immer größer wird, muss es in der Vergangenheit ja kleiner gewesen sein und irgendwann muss es dann doch einen Anfang gehabt haben? Arthur Eddington hat das so formuliert: "Philosophisch gesehen ist mir der Gedanke an einen Anfang der gegenwärtigen Weltordnung

In seiner kurzen Notiz schreibt er auch noch, dass es schwierig ist, das alles konkret mathematisch zu formulieren, weil man noch zu wenig über die Quantenmechanik weiß, aber dass er hofft, dass das in Zukunft anders sein wird.

Mittlerweile wissen wir, dass es mit dem Urknall ein bisschen anders war, als Lemaître sich das vorgestellt hat. Aber im Prinzip hat er recht gehabt. Am Anfang war die gesamte Energie des Universums in einer unvorstellbar kleinen Region konzentriert und daraus hat sich alles andere entwickelt. Lemaître war der erste, der so eine konkrete Idee vom Anfang entwickelt hat; er war der erste, der sich einen "Urknall" im modernen Sinn vorgestellt hat.

Was er nicht im Sinn gehabt hat, war die Rechtfertigung der biblischen Schöpfung durch wissenschaftliche Mittel. Er war zwar Priester, aber er hat auch darauf hingewiesen, dass man die Bibel nicht wörtlich verstehen kann; dass man sowohl an einen Gott glauben, als auch Wissenschaft betreiben kann, die beiden Themen aber nicht vermischen sollte. Deswegen war er auch so konsterniert, als der Papst seine Arbeit als Rechtfertigung der göttlichen Schöpfung erwähnt hat und er hat ihn danach extra in einem persönlichen Gespräch gebeten, in Zukunft so etwas zu unterlassen.

Lemaître hat noch weitere wichtige Arbeiten auf dem Gebiet der Kosmologie geleistet und er hat, kurz vor seinem Tod im Juni 1966 noch miterlebt, wie die kosmische Hintergrundstrahlung entdeckt wurde. Das war nicht die Art von Strahlung, die aus dem Zerfall seines "Uratoms" stammt - aber es war der erste konkrete Beobachtungshinweis darauf, dass das Univerums tatsächlich bei einem Urknall in der Vergangenheit entstanden sein muss. Ich möchte diese Folge mit den Worten beenden, mit denen Lemaître auch seine Arbeit über die Entstehung des Universums beendet hat:

"Wir verstehen unsere Welt heute als eine Welt, in der die Dinge wirklich passieren; die ganze Geschichte des Universums muss im ersten Quantum nicht so aufgeschrieben gewesen sein, wie Musik auf einem Phonographen. Die ganze Materie der Welt muss am Anfang vorhanden gewesen sein, aber die Geschichte, die sie zu erzählen hat, ist Schritt für Schritt geschrieben worden."

Sternengeschichten Folge 696: Der Komet und das Ende der Clovis-Menschen

Nordamerika, vor circa 13.000 Jahren. Die Menschen, die zu dieser Zeit hier leben sind die Nachfahren derjenigen, die am Ende der Altsteinzeit von Sibirien aus nach Alaska und damit nach Nordamerika eingewandert sind. Das war damals noch zu Fuß möglich; die Erde befand sich in einer Kaltzeit und viel Wasser war in Form gewaltiger Gletscher auf den Kontinenten gefroren. Der Meeresspiegel lag tiefer und Eurasien und Amerika waren durch eine Landbrücke verbunden. Die Menschen, die so nach Nordamerika eingewandert sind, nennen wir heute die Clovis-Kultur. Sie lebten von der Jagd, auf Mammuts und Bisons und auch auf kleinere Tiere. In den Steppen und Wälder waren damals noch Tiere unterwegs, die heute längst ausgestorben sind; nicht nur die Mammuts sondern zum Beispiel auch das Mastodon, Riesenfaultiere, Säbelzahntiger und andere große Tiere, die man als "Megafauna" bezeichnet. Die Menschen der Clovis-Kultur lebten in einfachen Hütten oder Höhlen; sie verwendeten Waffen und Werkzeuge aus Feuerstein. Sie beerdigten ihre Toten und ritzten Kunstwerke in Steine. Sie lebten ein normales, steinzeitliches Leben. Aber eines Tages ist etwas außergewöhnliches passiert. Schon in den Nächten der Wochen zuvor war ein helles Objekt am Himmel zu sehen. Kein Stern, sondern ein großes, neblig aussehendes Ding mit einem hellen Schweif. Später war es dann auch tagsüber sichtbar und es wurde von Tag zu Tag, von Nacht zu Nacht größer. Bis es dann in einer gewaltigen Explosion am Himmel auseinandergebrochen ist. Bruchstücke sind überall auf der Erde niedergegangen und haben gewaltige Brände ausgelöst. Und aus dem Norden kam eine ebenso gewaltige Flutwelle aus Wasser. Es war das Ende der Clovis-Kultur; das Ende der nordamerikanischen Megafauna und das Ende der jüngeren Dryaszeit, also der erdgeschichtlichen Epoche, die unmittelbar vor dem Holozän liegt, unserer gegenwärtigen Epoche.

Es ist eine dramatische Geschichte, die wir in der Form bis jetzt zum Glück eigentlich nur aus der Science Fiction kennen. Ein Asteroid oder Komet droht mit der Erde zu kollidieren und die Zivilisation auszulöschen. In der Science Fiction sind wir dann dank unserer Technik in der Lage, die Katastrophe zu verhindern. Aber die Menschen der Steinzeit konnten nur hilflos bei ihrem Untergang zusehen, ohne zu wissen, was da passiert. Wir wissen, dass die Erde im Laufe ihrer Geschichte immer wieder von anderen Himmelskörpern aus dem Weltall getroffen wurde und wir wissen auch, dass solche Ereignisse gewaltige und katastrophale Folgen haben. Es ist also prinzipiell nicht unwahrscheinlich, dass so etwas auch vor 13.000 Jahren passiert ist und, wenn auch nicht die gesamte damalige Menschheit, aber zumindest die Clovis-Kultur ausgelöscht hat. Aber diese Geschichte ist höchstwahrscheinlich falsch. Die Hypothese eines Einschlags am Ende des Pleistozäns ist spektakulär und taucht immer wieder in den Medien auf. Die Belege dafür sind aber bestenfalls dürftig.

Schauen wir zuerst einmal auf die Fakten. Wir wissen, dass irgendwann vor circa 12.000 Jahren die Jüngere Dryaszeit zu Ende gegangen ist. So bezeichnet man eine Phase, in der die Erde nach einer Erwärmung gegen Ende der letzten Kaltzeit noch einmal schnell und für circa 1000 Jahre abgekühlt ist. Erst als diese Phase vorüber war, war die Kaltzeit wirklich vorbei und es hat die Phase begonnen, die wir "Holozän" nennen, also die wärmere Phase die bis heute andauert. Wir wissen auch, dass die Clovis-Kultur in Nordamerika tatsächlich vor circa 13.000 Jahren existiert hat und dass die nordamerikanische Megafauna am Ende der jüngeren Dryaszeit verschwunden ist.

Was wir nicht wissen, zumindest nicht mit absoluter Sicherheit: Warum ist das damals alles passiert? Aber der amerikanische Chemiker Richard Firestone hatte dazu im Jahr 2007 eine Idee. Ein großes Objekt ist damals mit der Erde kollidiert. Ein Komet, circa 4.5 Kilometer groß, aber mit geringer Dichte. Deswegen ist das Objekt auch nicht als ganzes am Erdboden eingeschlagen, sondern noch in der Atmosphäre auseinandergebrochen. Das ist irgendwo über Kanada passiert und die Trümmer sind überall heruntergekommen. Sie haben einerseits großflächige Waldbrände ausgelöst und andererseits das Eis destabilisiert, dass im Norden das Wasser des Agassizsee zurückgehalten hat. Gegen Ende der letzten Kaltzeit sind die gewaltigen Eisschilde langsam geschmolzen, die den Norden Amerikans bedeckt haben. Das Schmelzwasser hat sich unter anderem in Form eines enormen Sees gestaut, der größer war, als alle der heutigen Großen Seen zwischen Kanada und den USA. Zurückgehalten wurde es durch die Reste des Eisschildes, aber als das Objekt aus dem All einschlug, wurde diese Staumauer zerstört und riesige Wassermassen freigesetzt. Das war schon katastrophal genug, aber das ganze Frischwasser floss in die Ozeane, veränderte dadurch die Meeresströmungen, was, zusammen mit dem Staub, der durch Einschlag und Waldbrände in die Atmosphäre gelangt ist, zu einer neuerlichen Abkühlung und Vergletscherung der Erde geführt hat. Und natürlich zum Aussterben der Clovis-Kultur und der nordamerikanischen Megafauna. Erst als sich die Erde von diesem Einschlag wieder erholt hat, war die Kaltzeit dann wirklich vorbei und das Holozän konnte beginnen.

Wie gesagt: Prinzipiell ist das eine plausible Hypothese. Nichts davon ist unmöglich; so etwas kann passieren. Wenn man aber behaupten will, dass es auch wirklich passiert ist, braucht man dafür Belege. Und die, so Richard Firestone, gibt es. Wenn man sich archäologische und geologische Grabungen ansieht, dann findet man überall in Nordamerika eine dunkle, kohlenstoffreiche Schicht. Unterhalb davon gibt es Fundstücke aus der Clovis-Kultur, darüber aber nicht. Diese schwarze Grenzschicht, so Firestone, markiert genau den Einschlag des Kometen und besteht aus Russ und Asche der dabei ausgelösten Waldbrände. In und der Nähe dieser Schicht findet man außerdem magnetische Körnchen und erhöhte Werte des chemischen Elements Iridium, beides Hinweise auf Material, dass außerhalb der Erde entstanden ist. Was man auch finden kann, sind glasartige Kügelchen aus Kohlenstoff, ebenfalls ein Hinweis auf einen Einschlag, dessen gewaltige Kräfte das Material entsprechend verformt haben. Gleiches gilt für Nanodiamanten, also winzige Kristalle aus Kohlenstoff, die so auch nur beim Einschlag eines Asteroiden oder Kometen entstehen können. Firestone hatte noch mehr Belege und wenn man die Sache so betrachtet, dann scheint alles klar: Da war wirklich ein Impakt vor circa 13.000 Jahren, der für das Ende der Clovis-Menschen und die jüngere Dryaszeit verantwortlich war.

Aber so betrachtet man Sachen in der Wissenschaft nicht. Eine Hypothese ist gut; Belege dafür sind besser und am besten ist es, wenn andere Leute die Belege prüfen und bestätigen. Nur dass das hier nicht passiert ist. Denn selbstverständlich wurde geprüft, was Firestone da behauptet hat. Und es war übrigens nicht Firestone allein; er hatte noch diverse Kolleginnen und Kollegen die mit ihm gearbeitet haben. Die Ergebnisse der Prüfung waren aber eher schlecht für die Hypothese. Die angeblich so eindeutige schwarze Grenzschicht hat sich bei genauerer Untersuchung nicht als einheitliche geologische Schicht herausgestellt, sondern eher als Sammelsurium an Dingen. Die meisten waren einfach ganz normale Erdschichten, die durch diverese ebenso normale Vorgänge dunkel gefärbt waren. Verwitterung, biologische Abläufe, und so weiter können Sand und Erde dunkel färben; dafür braucht es nicht unbedingt Waldbrände. Tatsächlich fand man in vielen der Schichten bei genauerer Analyse auch keine Spuren von Russ, Asche oder Kohle. Auch was die magnetischen Körnchen angeht, scheint Firestone die Daten zu sehr in eine Richtung interpretiert zu haben. Man kann so etwas zwar tatsächlich als Folge eines Einschlags finden. Aber es gibt so ein Material auch ganz natürlich; wenn man nicht sehr viel davon sehr konzentriert in einer bestimmten Schicht entdeckt, bedeutet das gar nichts. Und diese große Konzentration konnte in späteren Untersuchungen der entsprechenden Schichten nicht nachgewiesen werden. Das selbe gilt für die Kohlenstoffkügelchen und ebenso für die Nanodiamanten. Hier scheint Firestone die Daten falsch interpretiert zu haben; der Nachweis der Existenz der Nanodiamanten ist schwach bis schlecht; es scheint sich viel mehr um normale, andere kristalline Formen von Kohlenstoff zu handeln, die man auch ohne Einschlag überall in den Sedimentschichten finden kann. Es gab noch jede Menge andere methodische Probleme mit Firestones Hypothese; bei der Datierung der Schichten zum Beispiel und vor allem bei der Interpretation der Daten.

Es braucht auch nicht unbedingt einen Einschlag, um das Ende der Clovis-Kultur zu erklären. Man braucht keinen Einschlag, um zu erklären, warum es mit der Jüngeren Dryaszeit noch einmal so kalt wurde. Mit der Erwärmung gegen Ende der letzten Kaltzeit sind die Gletscher und Eisschilde zurückgegangen; es ist jede Menge Frischwasser ins Meer geflossen und der Agassizsee ist ausgebrochen, was aber auch passieren kann, ohne dass ein Asteroid einschlägt. Die Erde ist durch die Veränderung in den Ozeanströmungen kälter geworden und das hat Auswirkungen auf die Megfauna (und natürlich auch darüber hinaus) gehabt. Das Aussterben der Megafauna, bei dem auch die Jagd und der Kontakt mit Menschen eine Rolle gespielt hat, hat sich dann selbstverständlich auch auf die Clovis-Kultur ausgewirkt. Die Lebensweise der Menschen hat sich dadurch zwangsläufig geändert. Aber sie sind nicht ausgestorben. Es gibt keine Hinweise auf einen dramatischen Rückgang der damaligen Bevölkerung und dass die Clovis-Kultur verschwunden ist, ist viel mehr das Ergebnis eines normalen kulturellen Wandels.

Asteroideneinschläge sind, erdgeschichtlich gesehen, völlig normal. Und sie können dramatische Folgen haben. Aber man sollte diese Katastrophen nicht unnötig ins Spiel bringen, um Dinge zu erklären, die auch anders erklärt werden können oder, wie in diesem Fall, gar keine andere Erklärung benötigen.

Sternengeschichten Spezial März 2026

STERNENGESCHICHTEN LIVE TOUR in D und Ö: Tickets unter https://sternengeschichten.live

Das ist die zweite Spezialfolge, in der ich über aktuelle Themen spreche, Fragen beantworte und ein bisschen "Backstage" vom Podcast erzähle. Diesmal gibt es ein kleines Update zur Artemis-Mondmission und dann habe ich ein paar coole Forschungsthemen aus der Asteroidenforschung zusammengesucht. Es geht um den Nachweis von Nukleinbasen auf Ryugu, um die Bahnänderung von Didymos und Doppelasteroiden. Danach habe ich die Fragen zur Unterstützung des Podcasts beantwortet und die Frage von Bertram, der wissen wollte, ob das Webb-Teleskop wirklich "unmögliche" Asteroiden beobachtet hat.

Mehr zu den Asteroiden findet ihr hier, hier und hier.

Die Folge von "Das Universum" über die Galaxien ist diese hier.

Mein neues Buch heißt “Die Farben des Universums” und ist ab jetzt überall erhältlich wo es Bücher gibt, so wie das Sternengeschichten-Hörbuch.

Meine anderen Podcast sind "Das Universum" und "Das Klima".

Termine der Sciencebusters gibt es hier und die von "Das Universum" sind hier.

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Sternengeschichten Folge 695: Red Nuggets - Galaktische Fossilien aus dem frühen Universum

Die Astronomie ist in der einzigartigen Situation, dass sie nicht nur direkt beobachten kann, was da draußen im Universum passiert, sondern auch sehen kann, was weit in der Vergangenheit passiert ist. Wir können das frühe Universum beobachten und so verstehen, wie es sich zu dem Kosmos entwickelt hat, in dem wir heute leben. Aber manchmal können wir auch heute noch Überbleibsel aus diesem frühen Universum finden; Objekte, die die Jahrmilliarden quasi unverändert überdauert haben. Die "Red Nuggets" sind ein Beispiel dafür. Das erste Mal gesehen hat man sie in der Vergangenheit. Oder besser gesagt: Das erste mal gesehen hat man sie im "Hubble Ultra Deep Field". Von diesem Projekt habe ich schon in Folge 194 der Sternengeschichten ausführlich erzählt. Das Hubble-Weltraumteleskop hat in den Jahren 2003 und 2004 einen kleinen Bereich des Himmels extrem lange und genau beobachtet und dabei unzählige Galaxien sichtbar gemacht, deren Licht Milliarden Jahre bis zu uns gebraucht hat. Oder anders gesagt: Es hat uns einen Blick in das frühe Universum erlaubt und seitdem sind diese Daten immer wieder neu untersucht worden. Zum Beispiel vom französischen Astronom Emanuele Daddi und seinem Team im Jahr 2005. Sie haben dabei sieben ganz besondere Galaxien entdeckt. Sie waren sehr massereich, sie waren circa eine Millarde Jahre alt, sie waren sehr kompakt und quasi tot. Was bedeutet das und warum war das eine überraschende Entdeckung? Gehen wir die Dinge der Reihe nach durch.

Massereich bedeutet, dass die Galaxien ungefähr so viel Masse haben wie die Milchstraße heute oder sogar noch bis zu zehnmal mehr. Gleichzeitig sind sie aber sehr viel kleiner, teilweise nur ein Hundertstel so groß wie die Milchstraße - deswegen sind sie "kompakt". Und "tot" sind sie, weil die Sterne dort alle sehr alt sind und dort auch offensichtlich keine neuen Sterne mehr entstehen. Und wir dürfen nicht vergessen: Das, was Daddi und sein Team auf diesen Bildern gesehen haben, sind Galaxien aus dem frühen Universum. Wir sehen sie zu einem Zeitpunkt, der ungefähr drei bis vier Milliarden Jahre nach dem Urknall liegt, also von uns aus gesehen circa 10 Milliarden Jahre in der Vergangenheit. Das bedeutet: Diese kleinen, kompakten Galaxien müssen sehr schnell entstanden sein; sie müssen sehr schnell sehr viel Masse angesammelt haben und dann muss - ebenfalls sehr schnell - etwas passiert sein, dass dazu geführt hat, dass dort keine neuen Sterne mehr entstanden sind.

Aus damaliger Sicht war diese Entdeckung überraschend. Die Galaxien müssen sich früher und schneller entwickelt haben, als man gedacht hat. Die Sternentstehung in den ersten Galaxien muss sehr effizient gelaufen sein, sonst hätte es nicht so schnell nach dem Urknall so massereiche Galaxien mit so vielen Sternen geben können. Gleichzeitig muss die Entstehung der Sterne dann auch schnell wieder abgewürgt worden sein, denn ansonsten würden wir in diesen frühen Galaxien nicht nur alte Sterne sehen, sondern auch junge. Und, auch das habe ich schon oft in den Sternengeschichten erzählt: Alte Sterne leuchten eher rötlich; junge Sterne dagegen sind tendenziell heiß und leuchten blau. Die kleinen, kompakten, massereichen Galaxien mit ihrem rötlichen Licht hat man deswegen "red nuggets" genannt, aber nicht nur deswegen, wie wir später noch sehen werden.

Die roten Nuggets waren also eine Überraschung, weil sie uns gezeigt haben, dass Galaxien schneller entstehen können und die Sternentstehung schneller beendet sein kann, als man damals dachte. Mittlerweile wissen wir besser Bescheid, was da abläuft. Ich werde jetzt nicht die gesamte Geschichte der Galaxienentstehung erklären; das würde zu weit führen. Aber es geht alles los mit riesigen Gaswolken. In und aus diesen Wolken entstehen Sterne und am Ende haben wir eine große Ansammlung von Sternen, eine Galaxie. Das ist, wie gesagt, extrem verkürzt, aber wichtig für diese Folge ist die Tatsache, dass die Sternentstehung in Galaxien mit großer Masse schneller aufhört als in denen mit kleinere Masse. Das klingt zuerst einmal seltsam, ist aber plausibel, wenn man ein wenig genauer darüber nachdenkt. Wenn eine Galaxie eine große Gesamtmasse hat, kann sie mit ihrer Gravitationskraft auch früher und schneller sehr große Mengen an Gas in ihr Zentrum ziehen. Sie entwickeln einen kompakten Kern und in diesem Kern können in kurzer Zeit sehr viele Sterne entstehen. Je dichter das Gas ist, desto leichter kann es in sich zusammenfallen und das ist ja genau das, was Gas tun muss, damit daraus ein Stern entsteht. Was aber passiert, wenn wir da auf einmal einen ganzen Haufen junger, heißer, frisch entstandender Sterne haben? Junge Sterne sind sehr aktiv, das heißt sie haben starke Sternwinde. Oder anders gesagt: Sie schleudern jede Menge Material aus ihren äußeren Atmosphärenschichten durch die Gegend. Dieses Material kann das restliche Gas quasi davon pusten. Das selbe passiert, wenn die Sterne am Ende ihres Lebens in einer Supernova explodieren. Und, auch das habe ich schon oft erzählt, je massereicher ein Stern ist, desto schneller entwickelt er sich zu einer Supernova. Wenn wir also sehr viele Sterne auf einmal haben und viele davon auch noch massereich sind, dann führt das dazu, dass das restliche Gas einer Galaxie davon gepustet wird und keine neuen Sterne mehr entstehen können. Gleichzeitig befinden sich in den Zentren der Galaxien ja auch die supermassereichen schwarzen Löcher. Die können mit ihrer Anziehungskraft ebenfalls Material beschleunigen und wild durch die Gegend schleudern, also ihren eigenen "Wind" produzieren, der das Gas einer Galaxie davon bläst. Und auch das geht um so besser, je massereicher eine Galaxie ist, denn je dichter das Material in ihrer Zentralregion ist, desto mehr davon kann sich in die Nähe des schwarzen Lochs bewegen. Ein Teil davon wird hinein fallen und das schwarze Loch anwachsen lassen. Und ein Teil wird davon geschleudert. Und selbst wenn das Gas einer Galaxien nicht komplett davon geblasen wird, wird es von der Strahlung der jungen Sterne und der Strahlung, die in der Umgebung eines schwarzen Lochs freigesetzt wird, aufgeheizt. Heißes Gas bewegt sich schneller und kann nicht so gut kollabieren wie kühleres Material. Kurz gesagt: In massereichen Galaxien laufen die Prozesse, die die Entstehung neuer Sterne verhindern sehr viel effizienter ab.

In den red nugget Galaxien ist genau das passiert; sie sind schnell entstanden, mit sehr viel Masse, haben schnell jede Menge Sterne entwickelt und ein massereiches schwarzes Loch und dadurch die weitere Sternentstehung zum Erliegen gebracht. Das heißt aber nicht, dass das immer so bleiben muss. Wenn sich die red nuggets nicht mehr verändern würden, wo kommen dann die ganzen frischen Sterne her, die wir in den Galaxien heute beobachten? Die roten Nuggets sind nur der erste Schritt auf dem Weg zu einer "modernen" Galaxie. Wenn zwei red nuggets miteinander oder mit anderen Galaxien verschmelzen, dann können die gravitativen Wechselwirkungen dafür sorgen, dass wieder frisches Gas nachgeliefert wird; die gravitative Wechselwirkung bei so einer Kollision kann dann das Gas dann wieder kollabieren lassen, und so weiter. Und solche galaktischen Zusammenstöße kommen nicht nur einmal vor, sondern immer wieder. Es bilden sich riesige Ansammlungen von Sternen, die wir heute als "elliptische Galaxien" bezeichnen. Oder anders gesagt: Die red nuggets sind die Vorläufer der riesigen elliptischen Galaxien, die wir heute beobachten. Die Arbeit von Daddi und seinen Kollegen hat außerdem auch gezeigt, dass sie damals ziemlich häufig waren; sie sind also keine exotischen Einzelfälle sondern ein relevanter Teil der damaligen Galaxienpopulation.

Aber natürlich hat man sich auch gefragt, ob die red nuggets wirklich nur ein Phänomen des frühen Universums sind. Man hat im lokalen Universum nach ihnen gesucht, also unter den Galaxien, die mehr oder weniger "jetzt" existieren und von denen aus das Licht bis zu uns nur ein paar hundert Millionen Jahre unterwegs war. Lange Zeit war diese Suche erfolglos, aber 2013 hat die Astronomin Ivana Damjanov mit ihrem Team neun Stück davon gefunden, die sich in mittlerer Entfernung befinden. Das bedeutet: Es sind keine Galaxien, die wir so sehen, wie sie "jetzt" sind; ihr Licht hat immer noch ein paar Milliarden Jahre bis zu uns gebraucht. Aber Damjanov hat immerhin bestätigt, dass die red nuggets sehr viel länger existiert haben als nur im frühen Universum. Und noch ein paar Jahre später haben wir dann auch red nuggets gefunden, deren Licht wirklich nur ein paar hundert Millionen Jahren bis zu uns braucht.

Das macht die roten Nuggets zu einem Studienobjekt, das für die Astronomie so wertvoll ist, wie ein Nugget aus Gold. Wir können in der Gegenwart, im lokalen Universum, Objekte beobachten, die immer noch so sind, wie sie vor Milliarden von Jahren waren. Wir sehen heute noch das, was damals der Ausgangspunkt für die Entstehung von Galaxien war. Die red nuggets sind mehr als nur tote Fossilien. Sie haben die Jahrmilliarden ungestört überdauert und können uns heute dabei helfen, zu verstehen, wie damals alles angefangen hat.

Sternengeschichten Folge 694: Das Sechseck am Saturn

Wenn wir die Erde vom Weltall aus betrachten, können wir das Wetter sehen. Oder besser gesagt: Wir sehen die großräumigen Wolkenstrukturen; die Wirbel der Hoch- und Tiefdruckgebiete über den Meeren und Kontinenten. Wenn wir auf andere Planeten schauen, dann sehen wir dort aber nur die Wolken, weil es dort keine Meere und Kontinente gibt. Zum Beispiel auf den Gasriesen Jupiter und Saturn. Da gibt es keinen festen Boden unter den Wolken; dort gibt es keine Geografie, nur Meteorologie. Und die Wolkenstrukturen können überraschend anders sein. Und auf dem Saturn finden wir ein ganz besonders überraschendes Beispiel. Der Nordpol des Planeten ist von einem riesigen Sechseck aus Wolken umgeben.

Jede der sechs Seiten ist circa 14.500 Kilometer lang, also um gut 2000 Kilometer länger als der Durchmesser der Erde. Entdeckt wurde es im Jahr 1981, als die beiden Voyager-Raumsonden am zweitgrößten Planeten des Sonnensystems vorbei geflogen sind. Genauer gesagt: Es wurde erst 1987 entdeckt, als der amerikanische Astronom David Godfrey die Bilder der Raumsonden zusammengesetzt hat. Davor hat man sich bei der Analyse der Daten vor allem auf die mittleren Breiten und die Äquatorregion des Saturn konzentriert. Godfrey wollte aber auch wissen, wie die Polarregionen des Gasriesen aussehen. Da die Aufnahmen der Voyager-Sonden durch den Blickwinkel auf die Pole verzerrt waren, musste Godfrey sie erst entsprechend bearbeiten und zusammensetzen. Aber dann hat er um den Nordpol herum eine klar erkennbar sechseckige Struktur aus Wolken gesehen. 2004 ist dann die Raumsonde Cassini im Saturnsystem angekommen und hat 2006 auch das Sechseck beobachtet. Es war immer noch da und es ist geblieben, solange Cassini in der Lage war, es zu beobachten.

Dass Wolken komische Formen haben, ist erstmal nicht weiter außergewöhnlich. Aber ein Sechseck, das fast 30.000 Kilometer breit ist: Das IST außergewöhnlich. Was geht da ab? Die Details sind komplex und noch nicht letztgültig verstanden. Aber wir können auf jeden Fall einmal festhalten, dass der Saturn sehr schnell um seine eigene Achse rotiert. Die Erde braucht dafür bekanntlich einen Tag; der Saturn schafft eine Umdrehung in nur 10,5 Stunden. Dadurch bilden sich dort auch sehr schnelle Winde aus; ein wenig so wie die Jetstreams auf der Erde. Dieses Phänomen wäre eine eigene Folge wert, aber kurz gesagt, sind das enorm starke Winde, die zwischen 40 und 60 Grad nördlicher Breite (und entsprechend auf der Südhalbkugel) einmal um die Erde wehen. Sie tun das mit bis zu 650 Kilometer pro Stunde und in circa 10 Kilometer Höhe, was gut ist, denn in der Nähe des Erdbodens wäre so ein starker Wind etwas unangenehm. Sie entstehen, weil die Erde ungleichmäßig stark erwärmt wird. Am Äquator ist es wärmer als an den Polen und die Temperatur der Luftschichten dort ist ebenfalls unterschiedlich. Dadurch ist auch die Dichte der kälteren Luft an den Polen geringer als die der warmen Luftmassen am Äquator. Vereinfacht gesagt bedeutet das: Am Äquator reicht die relevante Luftschicht weit nach oben, am Pol nicht so weit und die Atmosphäre will diesen Druckunterschied ausgleichen. Die Luft strömt vom Äquator in Richtung Pol, und wird dabei durch die Rotation der Erde abgelenkt. So wird aus einer Nord-Süd-Strömung eine in Richtung Ost-West. Wie gesagt, das ist alles sehr stark vereinfacht dargestellt; auf der Erde muss man außerdem noch berücksichtigen, dass da jede Menge Berge und andere geografische Phänomene existieren, die die Bewegung der Luftmassen beeinflussen. Auf dem Saturn gibt es so etwas aber nicht. Und seine Rotation ist viel schneller. Die Luft kann sich ungehindert bewegen und tut das sehr schnell. So bilden sich die starken Jetstreams aus, die wir in Form von Wolkenbändern sehen können, die sich um den Planeten legen.

Aber auch wenn der Saturn keine Berge hat, ist so ein Jetstream nicht völlig stabil. Zum Beispiel, wenn die Windgeschwindigkeit an der Innenseite eines Windbandes größer oder kleiner ist als an der Außenseite. Und wenn das Windband breit genug ist, dann wird genau das passieren. Wir haben es hier wieder mit der Rotation des Planeten zu tun. Bleiben wir dafür zuerst wieder auf der Erde. Ein Mensch, der am Äquator steht, legt dort durch die Erdrotation in 24 Stunden knapp 40.000 Kilometer zurück, denn das ist der Umfang der Erde am Äquator. Der Mensch wird davon nichts spüren, aber er dreht sich mit der Erde mit und zwar mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 1700 Kilometer pro Stunde. Ein anderer Mensch, der exakt am Nordpol steht, dreht sich in 24 Stunden ebenfalls, aber nur einmal um seine Achse. Im Vergleich zu der Person am Äquator bewegt er sich aber nicht; er steht quasi still. Und wer sich irgendwo zwischen Pol und Äquator befindet, wird von der Erde mit einer anderen Geschwindigkeit herumgetragen, die um so größer ist, je näher man sich am Äquator befindet. Das ist alles noch nicht weiter bemerkenswert, aber es wird relevant, wenn wir uns Luftmassen anschauen, die sich in Nord-Süd-Richtung bewegen. Luft am Äquator startet dort mit den vorhin erwähnten 1700 km/h. Wenn sie dann nach Norden strömt, bewegt sich die Erde unter der Luft aber langsamer. Oder anders gesagt: Luft die sich bewegt, wird immer in Richtung Osten abgelenkt, weil die Erde nach Osten rotiert. Das führt einerseits zu den bekannten Wirbeln der Hoch- und Tiefdruckgebiete, die genau aus diesem Grund Wirbel sind. Es führt aber auch dazu, dass der Jetstream instabil werden kann. Er kann quasi ein wenig zu wackeln anfangen. Auch hier sind die Details komplex, aber anstatt in einer perfekten Kreisbahn einmal um den Planeten herum kann ein Jetstream dadurch ein wenig mäandern, sich also in Wellen rundherum schlängeln. Solche Windstrukturen können instabil sein, oder aber nicht. Es kann sich - wieder vereinfacht ausgedrückt - so etwas wie eine stehende Welle bilden. Wenn der Jetstream gerade richtig hin und her schwingt, dann bildet sich ein Muster heraus, das quasi statisch ist. Wie genau so ein Muster aussieht, hängt von jeder Menge äußeren Bedingungen ab. Aber auf dem Saturn scheint es gerade so zu passen, dass das Windband sechs Ausbeulungen haben muss. Wir haben also immer noch eine atmosphärische Strömung, die sich einmal um den Nordpol des Planeten herum windet, das aber nicht entlang einer gerade Linie tut, sondern mal weiter nach außen läuft, dann wieder nach innen, dann wieder nach außen, und so weiter, bis sie am Ende wieder genau auf sich selbst trifft. Wir haben also eine wellenförmige Strömung, mit sechs Wellenbergen und -tälern und wenn sich so eine Welle einmal im Kreis um einen Planeten herum legt, dann sieht das aus wie ein Sechseck.

Natürlich ist es kein exaktes Sechseck. Dann müsste die Strömung ja alle 14.500 Kilometer in einem Winkel von 60 Grad abknicken, und das macht sie nicht. Der Jetstream um den Saturn-Nordpol ist eine ringförmige Strömung, die sechsmal regelmäßig ausgelenkt wird. Es sieht einem Sechseck nur sehr, sehr ähnlich und unser Gehirn ist sehr gut darin, Muster zu erkennen und zu ergänzen und gibt dem Wolkenmuster dort vermutlich auch noch eine Perfektion, die in echt nicht existiert.

So oder so: Die fast sechseckige Luftströmung auf dem Saturn ist beeindruckend. Die Cassini-Sonde hat zum Beispiel beobachtet, dass es zwischen 2013 und 2017 die Farbe geändert hat. 2013 war es noch deutlich bläulich; danach ist es gelb-bräunlich geworden. Der Grund hat vermutlich mit den Jahreszeiten auf dem Saturn zu tun. Die sind zwar nicht vergleichbar mit denen auf der Erde, aber auch hier kommt es darauf an, wie die Achse des Saturn gerade in Bezug auf die Sonne geneigt ist. Mal trifft Sonnenlicht auf den Nordpol und mal nicht, und wenn die Sonne auf die Gase der Atmosphäre dort scheint, kann das chemische Reaktionen und eine Art von Dunst erzeugen, der die Farbänderung verursacht. Und weil der Saturn für eine Runde um die Sonne gut 30 Jahre braucht, ist so eine Jahreszeit dort auch 7,5 Jahre lang. Zeit genug also, um sich ordentlich in der Atmosphäre auszuwirken.

Die Jahreszeiten sind also in der Lage, die Farbe des Sechsecks zu verändern. Das Sechseck selbst aber ist stabil und warum es schon so lange so stabil ist, ist immer noch unklar. Wir wissen auch nicht, was in den tieferen Schichten der Saturnatmosphäre los ist; wir sehen ja nur die äußeren Bereiche. Vielleicht gibt es weiter unten auch noch Sechsecke, die man von außen nicht sehen kann. Wir wissen auch nicht, warum es gerade ein Sechseck ist, das wir dort sehen. Im Prinzip können sich auch andere stehende Wellen ausbilden, die dann wie ein Dreieck, ein Viereck, ein Fünfeck aussehen würden.

Wir haben zwar viel Erfahrung mit der Atmosphäre der Erde, aber die ist quasi nichts im Vergleich zu den gewaltigen Atmosphären von Planeten wie Jupiter und Saturn. Die können wir nur von außen beobachten und wir wissen nicht, was in den tausenden Kilometer dicken Schichten aus Gas wirklich passiert. Bis jetzt haben wir noch keine Raumsonde dorthinein geschickt. Beziehungsweise nicht so, dass wir wissenschaftlich viel daraus gelernt hätten. Als der Cassini-Sonde im Jahr 2017 der Treibstoff ausgegangen ist, hat man sie in die Atmosphäre gesteuert. Aber dort ist sie schon in den äußersten Schichten ziemlich schnell zerstört worden. Aber vielleicht bauen wir irgendwann eine Raumsonde, die in der Lage ist, die extremen Bedingungen dort zu überleben. Die den enormen Druck und die hohen Temperaturen aushalten und die gewaltigen Winde überstehen kann. Dann können wir in die Gaswirbel von Jupiter und Saturn hineinfliegen und verstehen, wie so etwas faszinierendes wie das Saturn-Sechseck entstehen kann.

Sternengeschichten Folge 693: Das ekpyrotische Universum

Wie hat alles angefangen? Das ist eine große Frage; vielleicht sogar die größte Frage, die wir uns als Menschen stellen können. Seit es uns Menschen gibt, haben wir nach einer Antwort gesucht. Die Religionen der Welt haben versucht, den Anfang von Allem zu erklären, wenn auch ohne wissenschaftlich akzeptable Belege für ihre Vorstellungen zu haben. Die hat dafür aber die Kosmologie, die sich mittlerweile auch schon seit einiger Zeit damit beschäftigt. Wir haben eine recht gute Idee, wie sich die Dinge entwickelt haben; wie das Universum vor knapp 14 Milliarden Jahren aus einem Zustand extremer Dichte zu dem Kosmos geworden ist, den wir heute beobachten und wir können die meisten dieser Ideen durch Beobachtungsdaten belegen. Was wir aber nicht wissen, ist das, was davor war. Wenn wir akzeptieren, dass das Universum vor 14 Milliarden Jahren durch das entstanden ist, was wir als "Urknall" bezeichnen, dann bleibt natürlich immer noch die Frage übrig: Was ist davor passiert und hat den Urknall verursacht?

Eine mögliche Antwort darauf haben vier Astrophysiker im Jahr 2002 gegeben. Die Amerikaner Paul Steinhardt, Burt Ovrut, Justin Khoury und ihr südafrikanischer Kollege Neil Turok haben ein kosmologisches Modell vorgestellt, dass sie das "Ekpyrotische Universum" genannt haben. Dieser etwas komplizierte Begriff kommt vom altgriechischen Wort ekpyrosis, was auf deutsch so viel wie "Verbrennung" bedeutet. In der Philosophie der Antike war damit aber nicht einfach nur irgendein Feuer gemeint, sondern einen "Weltenbrand", also der Untergang der Welt durch eine gigantische Feuerkatastrophe. Warum gerade das ein passender Begriff für eine Modell sein soll, das die Entstehung des Universums beschreibt, ist auf den ersten Blick vielleicht ein wenig unklar - aber Turok, Steinhardt & Co haben das Wort "ekpyrosis" mit Bedacht gewählt.

Es ist allerdings ein wenig schwierig, genau zu erklären, wie ihr Modell aussieht. Einerseits, weil es sich naturgemäß um eine mathematisch extrem komplexe Arbeit handelt und andererseits, weil es sich um ein Thema handelt, dass sich fast schon per Definition unserer Vorstellungskraft entzieht. Wir leben in einem dreidimensionalen Raum, aber die Raumzeit selbst, die - nach dem was wir bis jetzt wissen - die Gesamtheit des Universums ausmacht, ist vierdimensional. Raum und Zeit können nicht getrennt voneinander betrachtet werden, das wissen wir seit der Arbeit von Albert Einstein. Wir sind aber nicht in der Lage, uns etwas vierdimensionales vorzustellen und schon gar nicht können wir uns eine fünf-dimensionale Raumzeit vorstellen. Genau das wäre aber im Fall des ekpyrotischen Universums nötig. Es basiert auf der sogenannten "heterotischen M-Theorie" und ich werde jetzt sicherlich nicht erklären, was DAS genau ist. Das wissen genaugenommen nicht mal die Leute, die sich das ausgedacht haben… Es geht dabei um die Stringtheorie, also die Hypothese, dass die Grundbausteine von Allem winzigste Fäden, die "Strings" sind, die aber nur in einem Universum existieren können, das mehr als die üblichen drei Raumdimensionen hat. Diese Stringtheorie kann man in Form der M-Theorie erweitern, so dass sie nicht nur die eindimensionalen Strings beschreibt, sondern auch höherdimensionalen Branen. Und das Wort "Brane" ist von "Membran" abgeleitet. Eine Membran ist in unserem Alltagsverständnis eine dünne Fläche, die schwingen kann, so wie zum Beispiel das Trommelfell in unseren Ohren. In der M-Theorie ist eine Membran einfach nur ein abstraktes, zweidimensionales schwingendes Ding; es gibt aber auch dreidimensionale Membrane, vierdimensionalen Membrane, und so weiter und damit das nicht so enorm kompliziert wird, nennt man die alle einfach "Branen" und setzt eine Zahl davor für die Dimension. Unser normaler Raum wäre also eine 3-Brane. Für das ekpyrotische Universum brauchen wir drei davon und außerdem noch eine extra Dimension.

Ich probiere mal, das so einfach wie möglich zu erklären. Gehen wir davon aus, es existieren 4 Raumdimensionen und eine Zeitdimension, also eine fünfdimensionalen Raumzeit. In dieser 5D-Welt gibt es zwei sehr, sehr große 3-Branes, die quasi den Rand der 5D-Welt darstellen. Wie gesagt, man kann sich das nicht vorstellen, aber mathematisch zumindest beschreiben. Ein Würfel zum Beispiel ist ein dreidimensionales Objekt; der Rand des Würfels ist aber eine zweidimensionale Fläche - der Rand muss immer eine Dimension weniger haben als das, was er begrenzt. Unsere 5D-Welt hat vier räumliche Dimensionen (die Zeit ignorieren wir jetzt einfach); ihre Rand muss also dreidimensional sein. Das was wir normalerweise als "unser Universum" bezeichnen ist in diesem Modell nichts anderes als eine dieser beiden 3-Branes. Auf der "anderen" Seite gibt es dann aber noch die andere 3-Brane, quasi ein Paralleluniversum, von dem wir aber nichts mitkriegen. Wenn man will, kann man sich das wie zwei Blatt Papier vorstellen, die übereinander liegen, aber mit einem kleinem Zwischenraum. Das eine Blatt ist unser Universum, das andere ist die Parallelwelt und dazwischen ist "zusätzlicher" Raum. Der Raum zwischen den Papierblättern ist dreidimensional und das Blatt selbst hat aber nur zwei Dimensionen. Genau so sind unser Universum und die Parallelwelt dreidimensional und das, was dazwischen liegt, hat eine Dimension mehr, also vier Raumdimensionen plus eine für die Zeit. Diesen 5D-Raum zwischen den beiden Universen auf den 3-Branes nennt man "Bulk". Von unserer 3-Brane aus können wir nicht in den Bulk kommen; auch nicht zu der anderen 3-Brane auf der anderen Seite. Es kann eigentlich nichts so eine 3-Brane verlassen; mit Ausnahme der Gravitationskraft. Die kann sich in diesem Modell durch den gesamten Bulk ausbreiten. Und jetzt kommt der wichtige Punkt: Im Bulk gibt es mindestens noch eine weitere 3-Brane, die aber jetzt keine Randbrane ist. Unser Universum und das auf der anderen Seite sind quasi fix; wir sind ja der Rand. Aber die zusätzliche Brane im Bulk kann sich bewegen und das ist der Punkt, um den es geht. Das ist auch der Punkt, an dem es wirklich heftig wird, was die Mathematik angeht. Ich müsste jetzt von Dingen erzählen wie der Bogomolny-Prasad-Sommerfield-Grenze, den Yang-Mills-Higgs-Gleichungen aus der nichtlinearen Differentialgeometrie, von Calabi-Yau-Mannigfaltigkeiten, Eichtheorien, und so weiter. Aber das mache ich natürlich jetzt nicht.

So anschaulich wie es in diesem Fall geht, können wir uns den Anfangszustand im Modell des ekyprotischen Universum so vorstellen: Das ganze 5D-Dingens ist kalt und leer. Die beiden Randbranen sind parallel zueinander ausgerichtet; alles ist so symmetrisch wie möglich. Da ist quasi keine Energie irgendwo drin, es gibt keine Materie und keine Strahlung. Aber die Branen wechselwirken dennoch miteinander und zu erklären, wie sie das genau tun, würde den Rahmen dieser Podcastfolge definitiv sprengen. Sagen wir einfach, sie ziehen einander an, auch wenn das eine viel zu stark vereinfachte Erklärung ist. Auf jeden Fall beginnt nun die Bulk-Brane, also das Ding, das sich frei durch die 5D-Welt bewegen kann, sich zu bewegen. Sehr langsam. Also wirklich langsam. Es würde keinen Sinn machen, hier eine Geschwindigkeit anzugeben, also lassen wir es bei "sehr, sehr langsam". Aber irgendwann kommt das, worum es eigentlich geht: Die Bulk-Brane kollidiert mit unserer Rand-Brane. Und man kann sich eh nichts von dem vorstellen, was ich die ganze Zeit erzähle - aber es ist extrem schade, dass wir uns das nicht vorstellen können. Da kollidieren quasi zwei komplette Universen! Und auch wenn die komplett leer sind, hat es doch ordentlich Wumms, wenn die Bewegungsenergie zweier solcher Branen bei einem Zusammenstoß plötzlich freigesetzt wird. Die Energie landet in unserer Brane; von einem Moment auf den anderen ist extrem heiß; die Energie wandelt sich in Materie um und ab da läuft - im Prinzip - alles so weiter, wie wir es auch bisher mit der Urknalltheorie beschreiben. Nur dass jetzt der Urknall nicht der Anfang von allem ist, sondern einfach "nur" das, was in einem 5D-Universum passiert, wenn zwei Branen miteinander zusammenstoßen. Und jetzt versteht man auch, wieso das Wort "ekpyrosis" durchaus passend ist. Was kann es für eine größere Katastrophe geben, als die Kollision zweier Universen? Der "Weltenbrand" der dabei ausgelöst wird, ist aber in diesem Fall gleichzeitig der Beginn unserer eigenen Welt.

Das ist, vorsichtig gesagt, eine wilde Theorie. Aber sie könnte einige Sachen erklären, die in der Kosmologie erklärt werden müssen. Zum Beispiel, warum das Universum so homogen ist. Auch darüber habe ich in früheren Folgen schon gesprochen: Auf ganz großen Maßstäben betrachtet ist die Temperatur im Universum überall quasi gleich und erscheint die Materie im Universum sehr gleichmäßig verteilt zu sein. Nur dass das eigentlich nicht so sein sollte. Denn Licht - und alles andere auch - braucht Zeit, um sich von einem Ort zum anderen zu bewegen. Weit voneinander entfernte Regionen brauchen also sehr viel Zeit um sich quasi "absprechen" und angleichen zu können. Wenn da jetzt zum Beispiel ein sehr heißer Bereich im Universum ist und anderswo ein sehr kalter, dann muss die Wärme von einem Ort zum anderen gelangen, bis sich alles ausgeglichen hat und das dauert. Es dauert vor allem länger, als das Universum alt ist. Es hilft auch nichts, dass das Universum expandiert und früher kleiner war. Ich will nicht zu sehr ins Detail gehen, weil das eigentlich ein ganz anderes Thema ist, aber wir sehen das selbe Problem auch, wenn wir die kosmische Hintergrundstrahlung beobachten, also die Strahlung, die aus einer Zeit knapp 400.000 Jahre nach dem Urknall stammt. Sie ist zu homogen; es gab auch damals nicht genug Zeit, so dass sich alles angleichen hätte können. In unserem aktuellen Urknallmodell haben wir als Lösung die Phase der Inflation vorgeschlagen. Vereinfacht gesagt: Als das Universum wirklich klein war, hat sich alles ausreichend gut vermischen und angleichen können. Dann aber gab es eine sehr kurz Phase, in der sich das Universum absurd weit ausgedehnt hat; es ist quasi schlagartig unvorstellbar viel größer geworden und danach hat erst die normale Expansion eingesetzt. Diese Inflationsphase hat das gut durchmischte frühe Universum so enorm aufgeblasen, dass es heute für uns so aussieht, als hätten die weit voneinander entfernten Regionen keinen Kontakt miteinander haben können.

Das ekpyrotische Universum löst dieses sogenannte "Horizontproblem" einfach dadurch, dass hier quasi beliebig viel Zeit zur Verfügung steht. Und wenn zwei Branen kollidieren, dann ist das mehr oder weniger ein gleichzeitiges Ereignis, das im ganzen Universum stattfindet und damit startet alles mit den selben Bedingungen. Wie gesagt, das ist eine enorm vereinfachte Darstellung, aber mit dem ekpyrotischen Universum kann man nicht nur dieses Horizontproblem lösen, sondern auch noch ein paar andere kosmologische Probleme. Und wir haben als Zusatz eine Antwort auf die Frage, was vor dem Urknall war.

Aber leider ist es halt dann doch nicht so einfach. Abgesehen davon, dass es keinen Beleg dafür gibt, dass wir eine 3-Brane am Rand eines 5D-Bulk sind, hat man im Lauf der Zeit noch andere Probleme mit dem ekpyrotischen Universum gefunden. Nicht alles, was man sich damals ausgedacht hat, hat bei genauerer Betrachtung so gut funktioniert, wie man dachte. Natürlich hat man die Fehler korrigiert; hat neue Versionen entwickelt; man kann die Grundidee des Ekpyrotischen Universums mittlerweile sogar ohne den Rückgriff auf die Stringtheorie und die Branen beschreiben. Aber eine richtig überzeugende Alternative zum Urknallmodell ist daraus leider nicht geworden. Es gibt wenig Möglichkeiten, durch Beobachtungen zu überprüfen, ob das ekpyrotische Universum die richtige Idee ist. Aber immerhin gibt es eine Möglichkeit, es zu widerlegen. Wenn wir irgendwann mal primordiale Gravitationswellen messen sollten, also quasi das Wackeln der Raumzeit selbst, das durch die Inflationsphase nach dem Urknall ausgelöst worden ist (oder eben durch die Kollision der Branen), dann können wir - je nach Stärke dieser Wellen unterscheiden, ob wir in einem ekpyrotischen Universum leben oder nicht.

Und werden dann vermutlich immer noch unzufrieden sein. Denn selbst wenn wir die Frage "Was war vor dem Urknall?" mit "Eine Kollision zwischen zwei Branen" beantworten können, stellt sich ja gleich die nächste Frage, nämlich: "Was war vor der Kollision der Branen?". Neil Turok und Paul Steinhardt haben das in einer modifzierten Version des Modells probiert zu beantworten, nämlich mit "Noch eine Kollision!". In ihrem "zyklischen Universum" kollidieren die Branen quasi regelmäßig. Sie prallen voneinander ab, nähern sich wieder für eine neue Kollision, entfernen sich, und so weiter. Aber auch da bleibt die Frage: Wo kommt dieser ganze 5D-Bulk mit seinen Branen eigentlich her?

Am Ende muss die Frage nach dem Anfang vermutlich immer offen bleiben. Egal was wir uns am Beginn der Existenz von allem vorstellen: Wir werden immer fragen, was denn DAVOR war. Egal ob wir alles mit einem Urknall, einer Kollision von Branen, irgendwas anderem oder sogar einem Gott beginnen lassen: Auch das muss alles einen Ursprung haben. Die Alternative zu einem Anfang ist die Ewigkeit und die ist für uns genau so unvorstellbar und unbefriedigend. Ein Kosmos; ein Gott, der immer schon existiert hat ist genau so wenig eine Antwort wie ein Universum ohne Anfang oder einem Beginn, vor dem Nichts war. Egal wie man es formuliert oder zu denken versucht: Es scheint unmöglich, eine zufriedenstellende Antwort zu finden. Also kann ich diese Folge auch einfach mit dem beenden, was der griechische Philosoph Heraklit vor fast 2500 Jahren gesagt hat: "Diese Welt, dieselbe von allem, hat weder ein Gott noch ein Mensch geschaffen, sondern sie war immer, ist immer und wird sein ewig lebendes Feuer, sich entzündend nach Maßen und erlöschend nach Maßen."

Sternengeschichten Folge 692: Der blaue Drache des Ostens und Chinas Sterne

In dieser Folge der Sternengeschichten geht es um die chinesische Astronomie. Oder besser gesagt: Es geht um einen ganz bestimmten Aspekt der Astronomie, die früher in China betrieben worden ist. Es ist genau so unmöglich, DIE chinesische Astronomie in einer Podcastfolge darzustellen, wie es unmöglich ist DIE Astronomie darzustellen. Und in der Gegenwart betreibt man in China dieselbe moderne Astronomie die auch im Rest der Welt betrieben wird. Es geht also in dieser Folge um die Art und Weise, wie man in China früher den Himmel betrachtet hat und vor allem darum, wie man dort Ordnung geschaffen hat. Hier bei uns, in Europa, hat man dafür die klassischen Sternbilder verwendet, die über Mesopotamien und die griechisch-arabische Antike zu uns gelangt sind. Darüber habe ich ja schon in einigen Folgen des Podcasts gesprochen; ich habe auch einige Folge speziell zu bestimmten Sternbildern gemacht, und so weiter.

Auch in China ist man schon vor über 2000 Jahren mit den astronomischen Vorstellungen aus Mesopotamien in Kontakt gekommen; der klassische Tierkreis, über den ich in Folge 684 ausführlich gesprochen habe und seine Orientierung an der scheinbaren Bewegung der Sonne über den Himmel, hat aber nicht so wirklich zu den Vorstellungen der Menschen in China gepasst. Dort hat man sich mehr am Lauf des Mondes orientiert. Der Tierkreis beschreibt ja die Regionen am Himmel, durch die sich die Sonne scheinbar im Laufe eines Jahres bewegt. In China war viel wichtiger, was der Mond im Laufe eines Monats macht und dementsprechend waren auch die Sterne wichtiger, die sich am Himmel dort befindet, wo sich der Mond entlang bewegt. Eine Runde um den Himmel absolviert der Mond in knapp 28 Tagen. Genauer gesagt: in 27,32 Tagen; das ist ein sogenannter "siderischer Monat", also die Zeitspanne die es braucht, bis der Mond von der Erde aus gesehen in Bezug auf die Sterne wieder dieselbe Position einnimmt. Passend dazu hat man die Region des Himmels, durch die sich der Mond in diesen fast 28 Tagen bewegt in 28 Bereiche eingeteilt, die "xiu" genannt werden, was man mit "Wohnsitz" übersetzen könnte. Und ich entschuldige mich an dieser Stelle gleich für den Rest des Podcasts für meine Aussprache der chinesischen Wörter, die mit Sicherheit nicht korrekt ist.

Das System der Einteilung des Himmels in China unterscheidet sich generell ziemlich stark von dem, das wir in Europa gewohnt sind. Es gibt keine klassischen Sternbilder; man ist eher an eine Adressangabe erinnert. Neben den 28 Wohnsitzen gibt es auch noch die drei Gebiete oder "Einfassungen", die den chinesischen Kaiserhof selbst am Himmel repräsentieren. Das erste davon ist das "Gebiet des Kaiserpalasts" oder die "Purpurne verbotene Einhegung". Im Zentrum davon steht der Polarstern, also der Himmelsnordpol, um den herum sich alles dreht - natürlich ein Symbol für den Kaiser selbst. Die Sterne um die Himmelsnordpolregion herum sind zu Asterismen zusammengefasst, also zu markanten Sterngruppen, die andere Aspekte des kaiserlichen Hofs symbolisieren. Es gibt die "linke Mauer", die "rechte Mauer", das "Gästehaus" und so weiter. Aber auch Sterne, die die Frauen und Konkubinen des Kaisers darstellen, die führenden Minister und Richter und andere Beamte am Kaiserhof. Die anderen beiden großen Gebiete sind das "Gebiet des höchsten Palastes" und das "Gebiet des himmlischen Marktes". Sie umfassen die Regionen die östlich und nördlich beziehungsweise westlich und südlich des Gebiets des Kaiserpalasts am Himmel zu finden sind. Das Gebiet des höchsten Palasts liegt zum Beispiel dort, wo wir die Sternbilder Löwe oder Jungfrau haben und der himmlische Markt ist in der Region unserer Sternbilder Herkules, Schlange und Schlangenträger. Auch die anderen beiden Gebiete sind entsprechend in weitere Asterismen unterteilt. Insgesamt wurden 328 individuelle Sterne in den drei Gebieten in den klassischen Katalogen Chinas erfasst.

Neben diesen drei Gebieten gibt es aber eben auch noch die 28 Wohnsitze, die alle einem "Symbol" zugeordnet sind. Die Region, durch die sich der Mond während eines Monats bewegt, hat man zuerst in vier Bereiche unterteilt, die als die "Vier Symbole" oder auch die "Vier Wundertiere" bezeichnet werden. Es gibt den "Blauen Drachen des Ostens", den "Roten Vogel des Südens", den "Weißen Tiger des Westens" und die "Schwarze Schildkröte des Nordens". Jedem dieser Wundertiere sind sieben Wohnsitze des Mondes zugeordnet, deren Bezeichnung eine aus unserer Sicht wilde Mischung aus profanen und poetischen Namen sind. Beim Blauen Drachen gibt es zum Beispiel Horn, Nacken, Wurzel, Haus, Herz, Schwanz und Kornschwinge. Und eine Kornschwinge, die bei uns auch "Worfel" genannt wird, ist übrigens ein flacher Korb, mit dem man beim Getreide die Spreu vom Korn trennen kann. Die 7 Mondstationen in der schwarzen Schildkröte des Nordens nennt man Schöpflöffel, Ochse, Mädchen, Leere, Hausdach, Feldlager und Klippe. Beim Weißen Tiger des Westens sind es Füße, Band, Magen, Haariger Kopf, Netz, Schildkrötenschnabel und Dreigestirn und die letzten 7 Wohnsitze im Roten Vogel des Südens heißen Quelle, Geister, Weide, Sterne, ausgebreitetes Netz und Streitwagen. Man könnte vermutlich einige Folgen allein nur über die Gründe dieser Namensgebung machen, aber wie ich zu Beginn gesagt habe: Es ist unmöglich, die ganze chinesische Astronomie in einer Folge zu behandeln. Jeder der 28 Wohnsitze hat außerdem einen "regierenden Stern". Der Stern, den wir "Spica" nennen oder "Alpha Virginis", der hellste Stern in unserem Sternbild der Jungfrau, ist der regierende Stern im Wohnsitz Horn im blauen Drachen des Ostens. Elektra, einer der Sterne in den Plejaden, ist der regierende Stern im Haarigen Kopf im Weißen Tiger des Westens.

Aber auch die anderen Sterne am Himmel haben ihren Platz. So wie die drei Gebiete weiter in diverse Asterismen unterteilt sind, gilt das auch für die 28 Wohnsitze. Der Ochse, ein Wohnsitz in der schwarzen Schildkröte des Nordens enthält zum Beispiel Hé Gǔ, die "Flusstrommel" und Tiānfú, den "himmlischen Trommelschlägel". Zum Asterismus der Flusstrommel gehören die Sterne Alshain und Altair und damit wird auch klar, um welchen Fluss es hier vermutlich geht. Altair ist der hellste Stern in unserem Sternbild Adler und durch das zieht sich die Milchstraße, der himmlische Fluss. Jeder Stern in so einem Asterismus hat eine Nummer, aus der sich dann auch sein chinesischer Name ergibt. Altair ist Nummer 2 in der Flusstrommel und der chinesische Name ist "Hégŭ Èr" oder "Zweiter Stern der Flusstrommel". Ein anderer Asterismus im Wohnsitz des Ochsen ist das "Webermädchen" und Stern Nummer eins dort ist der, den wir "Wega" nennen. Beide Sterne, Wega und Altair, spielen eine zentrale Rolle im Mythos des Kuhhirten und des Webermädchens, die verliebt ineinander aber durch den großen himmlischen Fluss getrennt sind. Ich habe in Folge 462 der Sternengeschichten mehr dazu erzählt. Die chinesische Bezeichnung der Sterne spiegelt diese Geschichten wieder und es gäbe noch jede Menge weitere Geschichten. Immerhin findet man in den 28 Wohnsitzen und 3 Gebieten insgesamt 283 Asterismen die zusammen 1634 individuelle Sterne enthalten.

Die Art und Weise, wie man in China die Sterne eingeteilt hat, ist eine aus unserer Sicht seltsame Mischung aus Mythologie und Systematik. Einerseits sind da die exakten Abbilder der politischen Struktur Chinas, mit den drei Gebieten und ihren Asterismen, die alle Details des Kaiserhofs abbilden. Darum herum finden wir die 28 Wohnsitze, die dann eher das Volk und dessen Leben darstellen. Was das angeht, war der Himmel in China ein Spiegelbild des Staates selbst. Im Zentrum steht der Kaiser, außen herum der Hofstaat und die Beamte und dann kommt der Rest des Volkes. Das hat sich auch in der chinesischen Astronomie insgesamt fortgesetzt: Wichtigste Aufgabe der Astronomie war es, die Harmonie am Himmel wiederzufinden und zu beschreiben, die der Kaiser auf der Erde repräsentiert. Und alles was diese Harmonie stören könnte, musste rechtzeitig und exakt vorhergesagt werden (also sowas wie Kometen, Sonnenfinsternisse, und so weiter). Der Himmel ist zwar auch in China voll mit Mythen und Geschichten, aber gleichzeitig zeigt sich in seiner Einteilung auch das Streben nach Ordnung viel deutlicher als bei uns. Wir haben erst in der frühen Neuzeit angefangen, wissenschaftliche Systematik in die Sternbilder zu bringen. Ich habe das schon vor langer Zeit in Folge 2 der Sternengeschichten erzählt: Im 16. Jahrhundert war der deutsche Astronom Johann Bayer einer der ersten, der das gemacht hat. Er hat die Sterne in einem Sternbild nach Helligkeit eingeteilt und der Reihe nach mit griechischen Buchstaben versehen. "Alpha Centauri" ist der hellste Stern im Sternbild des Zentauren, "Beta Leonis" der zweithellste im Sternbild Löwe, und so weiter. Die chinesischen Konstellationen haben dieses System von Anfang an eingebaut. Hier gibt es eine klare Struktur, mit den vier Wundertieren, den 28 Mondsitzen, den jeweiligen Asterismen darin und den wiederum darin geordneten Sternen. "Zweiter Stern der Flusstrommel" mag für unsere westlichen Ohren poetischer klingen als eine Bezeichnung wie etwa "Beta Leonis", es ist aber genau das selbe System.

Es gibt noch viel mehr über die chinesische Astronomie zu erzählen; ihre Entwicklung und Verbindungen zur Astronomie in Indien, in Korea oder Japan; über die Entdeckungen die dort gemacht wurden, und so weiter. Aber das wird in anderen Folgen der Sternengeschichten passieren müssen. Aber auch wenn diese Folge hier nur ein kurzer Überblick war, ist damit hoffentlich klar geworden, dass der Himmel über unseren Köpfen gleichzeitig einzigartig und vielfältig ist. Wir alle schauen in der Nacht zu den selben Sternen - aber jede Kultur hat ihren eigenen Blick und hat dort oben ihre eigenen Geschichten und Welten gesehen.

Sternengeschichten Folge 691: Der Chamäleon-Komplex und die dunkle Chemie

"Der Chamäleon-Komplex"! Das klingt wie der Titel eines Thrillers und Thriller, die solche Titel haben, sind meistens nicht besonders gut. In diesem Fall geht es aber nicht um Geheimagenten und wilde Schießereien, sondern natürlich um Astronomie. Der Chamäleon-Komplex ist eine mehrere hundert Lichtjahre durchmessende Region im Weltall, in der zwar auch jede Menge wilde Dinge passieren, die aber darüber hinaus auch aus wissenschaftlicher Sicht äußerst spannend sind.

Der Chamäleon-Komplex besteht aus drei großen Dunkelwolken und hat mit einem Chamäleon nur insofern etwas zu tun, als dass sich diese Dunkelwolken von uns aus gesehen in der Richtung des Nachthimmels befinden, in der sich auch das gleichnamige Sternbild befindet. Man kann die Wolken also nur von der Südhalbkugel der Erde aus beobachten, aber zum Glück gibt es dort ja auch jede Menge große Teleskope. Denn der Chamäleon-Komplex ist definitiv einen Blick wert! Dunkelwolken haben nichts mit den dunklen Wolken an unserem Himmel zu tun. Es sind riesige Strukturen aus Gas und diversen anderen interstellaren Molekülen und es sind vor allem die Strukturen aus denen und in denen neue Sterne entstehen. Solche Wolken gibt es überall zwischen den Sternen, aber die drei Wolken des Chamäleon-Komplex sind nur um die 600 Lichtjahre von uns entfernt. Es handelt sich also um eines der uns am nächsten gelegenen Sternentstehungsgebiete und das ist äußerst praktisch, weil wir dort im Detail erforschen können, wie Sterne und Planeten entstehen.

Die Chamäleon I Wolke ist circa 620 Lichtjahre von uns entfernt und in den dunklen Massen aus Gas und Staub sind schon circa 200 bis 300 Sterne entstanden. Man kann sie weiter in eine südliche und nördliche Wolke unerteilen, wobei die Sternentstehung in der südlichen Region vor circa 3 bis 4 Millionen Jahren begonnen hat und im Norden ein wenig später, vor 5 bis 6 Millionen Jahren. Oder anders gesagt: Die meisten Sterne dort sind erst ein paar Millionen Jahre alt, was für einen Stern quasi nichts ist. Wir können also direkt in die Kinderstube der gerade erst geborenen Sterne schauen. Und wir sehen dort jede Menge spektakuläre Objekte. Zum Beispiel IC 2631 - so lautet die Bezeichnung eines Reflexionsnebels innerhalb von Chamäleon I und ein Reflexionsnebel ist eine Struktur aus Gas, die leuchtet. Das macht das interstellare Gas natürlich nicht einfach von selbst. Es braucht dazu die Strahlung eines nahegelegenen Sterns, der das Gas zum Leuchten anregt. Der Stern ist in diesem Fall HD 97300 und gehört unter den Neugeborenen von Chamäleon I zu den Objekten mit der höchsten Masse. Obwohl: Eigentlich sollte man HD 97300 vielleicht noch gar nicht "Stern" nennen. Eigentlich handelt es sich um ein Herbig-Ae/Be-Objekt und diese Objekte sind eigentlich noch keine fertigen Sterne. Ich habe in den vergangenen Folgen der Sternengeschichten immer wieder über die verschiedenen Phasen der Sternentstehung gesprochen und möchte das hier nicht wiederholen. Aber ein normaler Stern ist auf jeden Fall ein Himmelskörper, in dem Wasserstoff zu Helium fusioniert wird und zwar stabil. Das bedeutet, dass es ein sogenanntes hydrostatisches Gleichgewicht gibt; in dem Fall ein Gleichgewicht zwischen der Gravitationskraft der gesamten Masse des Sterns, die ihn eigentlich unter seinem eigenen Gewicht kollabieren lassen will und andererseits der Kraft der durch die Kernfusion erzeugten Strahlung, die aus dem Zentrum des Sterns nach außen dringt und quasi in die entgegengesetze Richtung drückt. Bei Herbig-Ae/Be-Sternen ist dieses Gleichgewicht in dieser Form noch nicht existent. Hier hat die Wasserstofffusion noch nicht ihr volles Ausmaß erreicht; sie läuft noch nicht stabil und der Stern ist immer noch dabei, unter seiner eigenen Gravitationskraft zu kontrahieren. Aber auch wenn es sich bei HD 97300 noch nicht um einen fertigen, stabilen Stern handelt, produziert er dennoch jede Menge Strahlung und die bringt die Gasmassen in seiner Umgebung zum Leuchten.

Wir können im Chamäleon-Komplex aber nicht nur die Sterne auf ihrem Entwicklungsweg beobachten. Dort, wo sich neue Sterne bilden, entstehen natürlich auch Planeten. Das Material, dass die jungen Himmelskörper umgibt, formt Scheiben aus Gas und Staub um sie herum und darin können Planeten entstehen. Wir haben einige solcher protoplanetaren Scheiben beobachtet, zum Beispiel bei HD 97048, ein weiteres Herbig-Ae/Be-Objekt in Chamäleon I. Die weist allerdings ein paar Besonderheiten auf. Die Scheibe ist keine Scheibe mehr, sondern eher eine Ansammlung von konzentrischen Ringen. Das bedeutet, dass irgendetwas IN der Scheibe dafür sorgt, das Gas und Staub dort nicht mehr gleichmäßig verteilt sind, sondern sich anders angeordnet haben. Und dieses "irgendetwas" kann eigentlich nur ein Planet sein. Im Fall von HD 97048 muss es sich um einen Planeten handeln, der ungefähr die 2,5fache Masse des Jupiters hat.

Fast noch spannender ist das, was Yumiko Oasa und ihre Kollegen Motohide Tamura und Koji Sugitani 1999 entdeckt haben. Sie waren auf der Suche nach den Vorläufern von Sternen, also Objekten wie den Herbig-Ae/Be-Sternen; Himmelskörper, die auf dem Weg zu, aber noch keine richtigen Sterne sind. Eines aus ihrer Liste trägt heute die Bezeichnung OTS 44, nach den Anfangsbuchstaben der Nachnahmen Oasa, Tamura und Sugitani. Damals hat man es als braunen Zwerg identifiziert, also als einen Himmelskörper, der zwar ausreichend viel Masse hat, um in seinem Inneren das Wasserstoff-Isotop Deuterium fusionieren zu können - aber zu wenig Masse hat, um auch die normale Wasserstofffusion zu starten. Das bedeutet, dass solche Objekte zwar ein bisschen leuchten, aber nicht viel und nicht lange. Sie sind keine Planeten, aber auch keine echten Sterne. Für echte Wasserstofffusion braucht man circa das 75fache der Masse von Jupiter; die Deuteriumfusion eines braunen Zwergs startet aber schon, im Zentrum einer Kugel aus Gas mit der circa 13fachen Jupitermasse. Die Masse von OTS 44 lässt sich nicht exakt bestimmen und heute wissen wir, dass sie irgendwo zwischen 5 und 17 Jupitermassen liegt, mit einem wahrscheinlichsten Wert von 11,5 Jupitermassen. Das bedeutet, dass es sich zwar immer noch um einen braunen Zwerg handeln kann; das es aber wahrscheinlicher ist, dass es "nur" ein großer Gasplanet wie Jupiter ist. Und, auch das haben neuere Beobachtungen gezeigt, dieser Himmelskörper ist selbst von einer Scheibe aus Staub umgeben, die insgesamt eine Masse hat, die dem 10fachen der Erdmasse entspricht.

Wir wissen, dass Sterne entstehen, wenn interstellare Gaswolken kollabieren. Je nachdem wie das abläuft, können dabei Sterne mit viel Masse entstehen oder Sterne mit wenig Masse. Wir wissen auch, dass ab und zu Objekte entstehen, die zu wenig Masse haben, um ein echter Stern zu werden und als braune Zwerge enden. Aber, und das zeigt uns die Existenz von OTS 44, vielleicht können auch Objekte, die wir eigentlich als Planeten bezeichnen würde, so entstehen. Denn normalerweise gehen wir ja davon aus, dass Himmelskörper wie Saturn oder Jupiter, also die großen Gasriesen im Sonnensystem, aus der protoplanetaren Scheibe entstanden sind, die die junge Sonne umgeben hat. Das Gas und der Staub dort haben sich im Laufe der Zeit zusammengeklumpt und die Klumpen sind zu Planeten angewachsen. Oder etwas vereinfacht gesagt: Sterne entstehen, wenn große Gaswolken in sich zusammenfallen. Planeten entstehen, wenn kleine Teilchen aus Gas und Staub zu immer größeren Objekten anwachsen. Aber wenn OTS 44 tatsächlich weniger als 13 Jupitermassen hat; also kein brauner Zwerg ist, dann zeigt uns das, dass auch Planeten durch den Kollaps von Gaswolken entstehen können und nicht zwingend aus kleinen Strukturen wachsen müssen. Obwohl es fraglich ist, ob wir diese Objekte dann wirklich als "Planeten" bezeichnen sollen? Denn OTS 44 umkreist keinen Stern und hat sich nicht gebildet wie ein Planet es normalerweise tut, sondern wie es Sterne tun. Die Objekte, die in der Staubscheibe um OTS 44 vielleicht gerade entstehen - sie werden sich wie Planeten gebildet haben, die dann aber keinen Stern umkreisen sondern eben das, was auch immer OTS 44 ist.

Es ist mehr als klar, dass wir im Chamäleon-Komplex jede Menge darüber lernen können, wie Sterne und andere Himmelskörper sich bilden. Wir können quasi live bei der Geburt der Sterne und Planeten zusehen, aber nicht nur dabei. 2023 haben Forscherinnen und Forscher das damals gerade erst ins Weltall gestartete James-Webb-Weltraumteleskop genutzt, um sich das "Eis" in den dunklen Wolken des Chamäleon-Komplexes genauer anzusehen. Und mit "Eis" meint man in der Astronomie nicht nur gefrorenes Wasser, sondern alle Arten von gefrorenen Molekülen. Also Methan, Kohlendioxid, Ammoniak, und so weiter. Die chemischen Elemente, aus denen diese Moleküle bestehen, finden sich überall in den Dunkelwolken. Sie befinden sich dann natürlich auch in den protoplanetaren Scheiben, die die jungen Sterne umgeben und sie befinden sich am Ende in den Objekten, die in den Scheiben entstehen, also den Planeten. Die Frage ist, was auf diesem Weg mit ihnen passiert? Die Daten des James-Webb-Teleskops haben gezeigt, dass die chemischen Elemente schon in den Dunkelwolken selbst komplexere Moleküle bilden können. Dort, bei extrem niedrigen Temperaturen und ohne Licht der Sterne gibt es eine "dunkle Chemie", wie es die Forschenden genannt haben. Die ist aber nicht mysteriös oder böse; es geht darum, dass die kalten Staubteilchen der interstellaren Materie, die ebenfalls Teil der Dunkelwolken sind, gute Bedingungen bietet, dass auf ihnen Atome miteinander reagieren und komplexere Moleküle bilden können. Diese Eiskörner mit ihren Molekülen können anwachsen, wenn sie in die protoplanetaren Scheiben gelangen und am Ende auch Teil der daraus entstehenenden Planeten werden. Die dunkle Chemie in den riesigen Wolken der Sternentstehungsgebiete ist also die Grundlage für die chemische Ausstattung der Planeten und damit auch die Basis für die Entstehung von Leben. Auch die Sonne und die Erde sind vor Milliarden von Jahren in so einer Wolke entstanden. Was damals passiert ist, können wir heute nicht mehr beobachten, aber die Erforschung von anderen Wolken wie die des Chamäelon-Komplexes macht es möglich, dass wir trotzdem vielleicht irgendwann herausfinden können, wie das Leben auf der Erde entstanden ist.

Sternengeschichten Folge 690: Das Leben von Jürgen Stock, oder: Wie die Astronomie nach Chile gekommen ist

Gut ein Drittel der globalen astronomischen Kapazität befindet sich in Chile. Das war zumindest im Jahr 2020 so. Mit den Teleskopen, die dort seit damals gebaut und geplant wurden, wird dieser Anteil um 2030 herum auf über 50 Prozent gestiegen sein. Das Land in Südamerika ist ohne Zweifel das astronomische Zentrum der Welt; zumindest wenn es um die Teleskope und die beobachtende Astronomie geht. Aber warum eigentlich? Warum stehen all die großen Observatorien genau dort? Das hat viele Gründe, aber einer davon ist auf jeden Fall die Arbeit des deutschen Astronoms Jürgen Stock.

Er wurde am 8. Juli 1923 in Hamburg geboren. Dass er irgendwann eine astronomische Karriere einschlagen würde, war damals natürlich noch unklar, aber seine Verbindung zu Süd- und Mittelamerika began schon in seiner Kindheit. Stocks Vater hatte ein Importgeschäft und die ganze Familie, inklusive dem dreijährigen Jürgen ist deswegen 1925 nach Mexiko gezogen. Als sechsjähriger ist Jürgen Stock nach Deutschland zurück gekehrt, um dort in die Schule zu gehen. Dort hat er sich durchaus schon für Naturwissenschaft interessiert, aber nach dem Abitur wurde er direkt vom Militär eingezogen und musste das letzte Jahr des zweiten Weltkriegs an der Ostfront in Russland verbringen. Als das endlich vorbei war, ging er von dort zu Fuß zurück nach Hamburg, schrieb sich an der Universität ein und arbeitete nebenbei im Hafen als Hilfsarbeiter. Sein Astronomie-Studium hat Stock im Jahr 1951 abgeschlossen, mit einer Doktorarbeit über Photometrie von Sternhaufen, betreut von Otto Heckmann, der in dieser Geschichte später noch eine wichtige Rolle spielen wird.

Keine so große Rolle in dieser Geschichte wird übrigens Stocks eigentliche Forschungsarbeit spielen. Die hat er als Astronom natürlich gemacht; er hat sich mit Sternhaufen beschäftigt, mit hellen Sternen in den magellanschen Wolken, und so weiter. Aber das war nicht das, mit dem er die Welt der Astronomie so nachhaltig beeinflusst hat. Aber dass er das tun würde, hat Jürgen Stock damals selbst auch noch nicht gewusst. Im Nachkriegsdeutschland hat es kaum Stellen für einen jungen Astronom wie Stock gegeben, also er hat 1953 eine Position der Cleveland Astronomical Society in den USA angenommen. Die war allerdings nur für 2 Jahre befristet, nach denen er wieder zurück nach Hamburg ging. Sein Doktorvater, Otto Heckmann, hat ihn dann 1956 nach Südafrika geschickt, um dort als Direktor der Boyden-Sternwarte zu arbeiten. Die wurde schon 1889 von der Harvard Universität gegründet; ursprünglich in Peru, aber dann 1927 nach Südafrika verlegt, weil man dachte, dass das Wetter dort besser ist. So war es auch, aber in den 1950er Jahren gab es Probleme mit der Finanzierung. Ein paar europäische Länder, darunter Deutschland, sind eingesprungen und so ist Jürgen Stock nach Südafrika gekommen. Und ich erzähle das alles deswegen so ausführlich, weil es tatsächlich wichtig ist, wenn wir verstehen wollen, wie die Astronomie nach Chile gekommen ist.

Ungefähr zu dieser Zeit, im Januar 1954, haben sich Astronomen aus Belgien, Frankreich, West-Deutschland, den Niederlanden, Großbritannien und Schweden getroffen. Sie wollten ein gemeinsame, europäische Sternwarte gründen und zwar auf der Südhalbkugel der Erde. Damals haben sich die meisten Observatorien immer noch auf der nördlichen Hälfte der Erde befunden, wo es zwar viel zu sehen gibt. Aber sehr viel eben auch nicht. Das Zentrum der Milchstraße kann man zum Beispiel nur von der Südhalbkugel aus ordentlich beobachten; ebenso die beiden Satellitengalaxien der Milchtstraße, die magellanschen Wolken. Und so weiter: Im Wesentlichen der halbe Himmel war für die großen Sternwarten nicht zugänglich. Natürlich gab es auch früher schon Teleskope im Süden und die standen vor allem in Südafrika. Schon 1820 hat die Royal Astronomical Society eine Sternwarte am Kap der guten Hoffnung eingerichtet; damals ja noch Teil einer britischen Kolonie. In der Umgebung der großen Städte Südafrikas gab es in den 1950er Jahren auch diverse andere Sternwarten - unter anderem das Boyden-Observatorium in Bloemfontein, wo Stock 1956 seine Arbeit begonnen hat. Es ist also nahe gelegen, dass sich die europäischen Ländern zuerst in Südafrika auf die Suche nach einem guten Platz für ihre gemeinsame Südsternwarte gemacht haben.

Jetzt aber wieder zurück zu Stock: 1958 wurde eine Stelle in Cleveland frei und er ging wieder dorthin zurück. Dort war er vor allem mit Unterrichten beschäftigt. Jürgen Stock muss ein guter Lehrer gewesen sein, denn die Studierenden haben protestiert, als er 1959 aus Cleveland weggeschickt wurde. Nicht, weil er schlechte Arbeit gemacht hat - im Gegenteil. Das Yerkes-Observatorium der Universität Chicago ist damals zu ein wenig Geld gekommen und wollte ein neues Teleskop bauen; auch auf der Südhalbkugel aber nicht in Südafrika, sondern in Chile. Gerard Kuiper, der Direktor von Yerkes, wusste, dass es da in Cleveland einen wirklich sorgfältigen Astronom gibt, der sich gut mit Teleskopen und Sternwarten auskennt und vor allem auch gut damit auskennt, wie man Helligkeiten misst und astronomische Fotografien macht. Oder anders gesagt: Er wusste, das Jürgen Stock ideal geeignet ist, um einen passenden Platz für die neue Sternwarte in Chile zu finden. Also hat er ihn genau damit beauftragt und 1959 hat Stock sich auf den Weg nach Chile gemacht.

Dass Chile prinzipiell ein guter Platz für astronomische Beobachtungen sein könnte, vorher schon klar. Man braucht klar, trockende Luft, stabiles Wetter und kein störendes Licht. Und genau das hat man in Chile. An der Pazifikküste im Westen fließt der Humboldstrom, eine Meeresströmung mit kaltem Wasser aus der Antarktis. Kaltes Wasser verdunstet nicht so schnell, deswegen gibt es weniger Wasserdampf und damit weniger Regen. Östlich von Chile befinden sich der Amazonas, der eigentlich recht feucht ist und nicht umsonst als "Regenwald" bezeichnet wird. Aber zwischen Amazonas und Chile befinden sich die Anden. Diese 9000 Kilometer lange und bis zu fast 7000 Meter hohe Gebirgskette ist quasi eine riesige Mauer, die den Regen aus dem Osten abhält. Von Westen, also vom Pazifik, kommt wegen des kalten Humboldstroms sowieso schon weniger Regen und dann gibt es auch noch das Cordillera de la Costa, also ein Küstengebirge, dass zusätzlich Regen von Westen abhält. Anders gesagt: Chile liegt zu einem großen Teil zwischen zwei Gebirgsketten, die keine Feuchtigkeit durchlassen und deswegen existiert dort die Atacama-Wüste, die nicht nur enorm trocken ist, sondern auch hochgelegen ist und viele Berge hat. Dort oben ist die Luft dünn, trocken und klar und rundherum gibt es wenig, was störendes Licht produziert.

Jürgen Stock ist also nach Chile gegangen, ins Umland der Hauptstadt Santiago. Dort sollte er drei potentielle Standorte untersuchen. Was er auch getan und sofort festgestellt hat: So toll sind die nicht. Also ist er ein Stückchen nach Norden gegangen, in den Region um die Stadt Vicuña um dort zu testen. Dort hat Jürgen Stock dann im April 1960 den Cerro Tololo gesehen und war sofort begeistert. Ein Berg, über 2000 Meter hoch, fast isoliert in der Landschaft, mit einem flachen Gipfel und ohne störende Zivilisation rundherum. Das müsste super sein für die Astronomie, aber ob es auch wirklich super ist, muss man erst messen. Und das ist nicht so einfach, wie man denken würde. Da kann man nicht einfach kurz mal nachschauen gehen - sondern muss über viele Nächte hinweg genaue Beobachtungen anstellen; Wetterdaten sammeln, Fotografien der Sterne machen, und so weiter. Und das alles in einer Gegend, in der es keine Straßen gibt oder sonst irgendeine Art von sinnvoller Infrastruktur.

Also hat Stock sich Maulesel besorgt und hat sich auf den langen und mühsamen Weg zum Gipfel gemacht. Und war beeindruckt, oder, in seinen eigenen Worten: „Die erste Nacht war so beeindruckend: eine vollkommen klare Nacht, absolut ruhig, mit einer angenehmen Temperatur – besser hätte es nicht sein können. Und außerdem war es in alle Richtungen vollkommen dunkel.“

Aber eine einzige tolle Nacht reicht natürlich nicht. Stock hat noch mehr und längere Messungen gemacht; Ausflüge und Messungen auf den Bergen in der Umgebung, und so weiter. Dabei war er auch nicht alleine, sondern hat sich vor allem von der lokalen Bevölkerung Rat und Unterstützung geholt. Denn wer weiß besser Bescheid, wie man in der unwirtlichen Gegend vorwärts kommt, als die Menschen, die dort leben? Wer weiß besser, wie das Wetter sich langfristig verhält, als die, die schon immer damit zu tun haben? Auf jeden Fall hat sich der erste Eindruck schnell bestätigt. Der Cerro Tololo war perfekt für die Beobachtung des Nachthimmels und aus einem weitestgehend unbekannten Berg in der chilenischen Wüste ist heute ein Ort geworden, den alle in der Astronomie kennen. Die Universität Chicago war so beeindruckt von Stocks Bericht, dass sie ihre ursprünglichen Pläne verworfen und gleich ein viel größeres Observatorium geplant haben. 1963 begann der Bau des Cerro Tololo Inter-American Observatory und Jürgen Stock war der erste Direktor und damit auch für den Bau verantwortlich. Aber mittlerweile hat er sich ja auch gut in der Gegend ausgekannt…

In der ganzen Zeit hat Stock aber auch immer Kontakt zu seinem Doktorvater Otto Heckmann gehalten. Der war mittlerweile Direktor der ESO, des European Southern Observatory beziehungsweise der Europäischen Südsternwarte. So hat man das Projekt der europäischen Staaten, die eine Sternwarte in Südafrika bauen wollte, nun genannt und Heckmann war schon kurz davor, die entsprechenden Verträge abzuschließen. Aber einerseits war Südafrika mit seiner Apartheidspolitik kein so verlockender Ort mehr wie früher. Und andererseits war Heckmann sehr beeindruckt von den Berichten die Stock aus Chile geschickt hat. Und 1963 hat sich die ESO dann deswegen entschieden, ihre Sternwarte ebenfalls in Chile zu errichten. Man hat zuerst überlegt, ob man das auch auf dem Cerro Tololo tun sollte, ist dann aber mit den amerikanischen Sternwarten übereingekommen, sich einen anderen Berg zu suchen. Den hat man auch gefunden, und zwar den Cerro La Silla.

Die La-Silla-Sternwarte. Das Paranal-Observatorium. Das Extremly Large Telescope auf dem Cerro Armazones. Das Gemini-Observatorium auf dem Cerro Pachón. Das Las Campanas Observatorium. Und so weiter. Chile ist heute voll mit den weltbesten Teleskopen und das Zentrum der beobachtenden Astronomie. Jürgen Stock hat zwar keine revolutionäre Entdeckung durch seine Erforschung von Sternhaufen und Sternen gemacht. Aber er hat die Astronomie dennoch bis heute nachhaltig verändert. Seine persönliche Geschichte war aber damit noch lange nicht zu Ende. Wie so oft in größeren Organisationen kam es zu einem Streit; Stock und das Konsortium amerikanischer Sternwarten, das mittlerweile für das Cerro Tololo Inter-American Observatory verantwortlich war, haben sich verkracht und er ging an die Universidad de Chile in Santiago, um dort zu lehren. Mittlerweile war er auch amerikanischer Staatsbürger, was im September 1970 zu einem Problem wurde. Da wurde nämlich Salvador Allende zum chilenischen Präsidenten gewählt und hat verboten, dass Ausländer an chilenischen Universitäten arbeiten. Jürgen Stock ging also nach Mexiko um dort beim Aufbau von Sternwarten mitzuarbeiten, und 1971 bekam er eine Nachricht aus Venezuela. Auch dort wollte man eine große Sternwarte in den Anden bauen und Stock sollte den Bau und später das Observatorium leiten. Was er auch gemacht hat: 1973 wurde das Centro de Investigaciones de Astronomía in der Nähe von Mérida unter seiner Leitung eröffnet. Dort starb er auch am 19. April 2004. Er hat die Astronomie in Südamerika maßgeblich beeinflusst und zum Teil wortwörtlich mit aufgebaut. Und er hat dafür gesorgt, dass die weltbesten Teleskope heute unter den bestmöglichen Bedingungen in Chile arbeiten können. Jürgen Stock ist bei weitem nicht so bekannt, wie es Johannes Kepler, Galileo Galilei, Edwin Hubble und so weiter sind. Aber auf seine Art hat er die Astronomie mindestens genau stark beeinflusst.

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Sternengeschichten Spezial! Diese Episode ist ein Versuch. Ich möchte ab jetzt monatlich eine längere Spezialfolge veröffentlichen, mit Hintergründen zum Podcast und meiner anderen Arbeit, mit aktuellen Themen aus der Astronomie und Raumfahrt und mit Feedback aus der Hörerschaft. Diese erste Spezialfolge ist noch ein wenig anders, weil ich noch kein Feedback habe, auf das ich eingehen kann. Und weil ich erst einmal das Konzept erklären möchte. Das heißt, in dieser ersten Folge geht es vor allem um die Hintergründe der "Sternengeschichten": Warum sind sie so wie sie sind und was macht die Spezialfolgen anders? Warum kann es in den "Sternengeschichten" keine Werbung geben und wie finanziert sich dieser Podcast (nicht). Aber ich hab mir auch ein aktuelles Thema ausgesucht, das ich kurz behandle, nämlich die Artemis-II-Mission, bei der Menschen erstmals seit 1972 wieder zum Mond fliegen sollen und deren Start nun von Februar auf März verschoben worden ist.

Mehr zu Artemis II und der Verschiebung des Starts findet man unter zum Beispiel hier oder hier.

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Mein neues Buch heißt “Die Farben des Universums” und ist ab jetzt überall erhältlich wo es Bücher gibt.

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