Kitabı oku: «Das geschenkte Universum»

Ein Streifzug in unsere kosmische Umgebung

Der Raum zwischen den Sternen ist nicht ganz leer. Es gibt dort Atome, Moleküle, Elementarteilchen und feine Staubpartikel. Die Unterschiede von Ort zu Ort sind immens. Sie unterscheiden sich um viele Zehnerpotenzen in Dichte und Temperatur. Selbst der Zustand der Materie ist verschieden und geht von Staub und molekularem Gas nahe beim absoluten Nullpunkt der Temperatur (-273 Grad Celsius) über atomares Gas mit einigen tausend Grad bis zu ionisiertem Gas mit Millionen von Grad, das vor allem aus Elektronen und Protonen besteht. Das Sonnensystem und die allernächsten Sterne sind von einem siebentausend Grad heißen Gas umgeben. In einem Würfel von zwei Zentimeter Kantenlänge befinden sich durchschnittlich nur zwei Atome oder Atomkerne. Das Gas ist gleichwohl etwa zehnmal dichter als die Umgebung. Man nennt es den »Lokalen Flaum« (Local Fluff). Die Sonne mit ihren kreisenden Planeten befindet sich nahe am Rand dieser langgestreckten Struktur. Der Lokale Flaum ist fünfundzwanzig Lichtjahre lang und zwischen fünf und zehn Lichtjahre breit. Die Breite entspricht etwa dem zehntausendfachen Durchmesser des Sonnensystems bis zum Planeten Neptun. Das Sonnensystem fliegt mit 26 Kilometern pro Sekunde durch diese kleine interstellare Wolke. Weltraumsonden spüren das Gas des Lokalen Flaums auf, wie es zwischen den Planeten vorbeiströmt. Die verblüffend hohe Temperatur birgt übrigens keine Gefahr auf interplanetaren Reisen, weil die wenigen Atome pro Kubikzentimeter die vielen Atome in der Hülle eines Raumschiffs nicht zu erwärmen vermögen. Auch andere bekannte Nachbarsterne, wie Alpha Centauri, Wega und Altair, bewegen sich in derselben Wolke. Die Sonne ist eben erst eingetaucht und wird 200 000 Jahre brauchen, um den Lokalen Flaum zu durchqueren.

Abbildung 2: Der Orion-Nebel in rund 1500 Lichtjahren Entfernung füllt fast das ganze Sternbild. Das Bild zeigt einen Ausschnitt unterhalb der drei Gürtelsterne. In der Mitte beleuchtet eine Gruppe von jungen, hellen Sternen das Gas im Umkreis von 10 Lichtjahren. Auf diesem Hintergrund kann man dunkle Molekülwolken erkennen (Foto: M. Robberto u. a., NASA, ESA).

Der Lokale Flaum schwebt wie eine Daune in einem noch viel heißeren Gas, der »Lokalen Blase« (Local Bubble) mit einer Temperatur von einer halben Million Grad. Auch dieses Gas kann uns nichts anhaben. Öffnete ein Astronaut in der Lokalen Blase eine leere Literflasche, würden durchschnittlich nur zehn Atome darin Platz nehmen. Die Lokale Blase mit einem Radius von 150 Lichtjahren muss vor einigen zehn Millionen Jahren durch Supernovae in der Nähe des Sonnensystems entstanden sein. Warme und heiße Gebiete von der Art des Lokalen Flaums und der Lokalen Blase machen den weitaus größten Teil des Raumes in unserer Gegend der Milchstraße, unserer Galaxie, aus.

In diesen unvorstellbar großen Räumen gibt es zwar viele Sterne, aber das interstellare Gas mit seiner hohen Temperatur und sehr geringen Dichte kann keine neuen Sterne bilden. Sterne entstehen in einer dritten Zustandsform des interstellaren Gases, in den bereits erwähnten Molekülwolken (Dunkelwolken). Diese beanspruchen nur ein Prozent des Volumens, aber ein volles Drittel der Masse des lokalen interstellaren Gases in der Milchstraße. Molekülwolken müssen folglich sehr dicht sein. Die Moleküle in einem Gas stoßen gegeneinander und werden zum Rotieren und Schwingen angeregt. Sie sind dann in einem höheren Energiezustand und geben diese Energie nach einer Weile in Form einer elektromagnetischen Welle wieder von sich. In einem Bereich von Wellenlängen kleiner als ein Mikrometer nehmen unsere Augen diese Wellen als optisches Licht wahr. Im Infrarot sind die Wellenlängen größer und die Strahlung ist intensiver. Ihre Stärke nimmt zu bis zu einer Wellenlänge von fast einem Millimeter. Da ein dichtes Gas auf diese Weise viel seiner Wärme in den Weltraum abstrahlt, kühlt es sich ab. Bei tiefen Temperaturen besteht das Gas zum größten Teil aus Molekülen, und diese wiederum bestehen zu 99,99 Prozent aus molekularem Wasserstoff und atomarem Helium.

Hier gibt es ein subtiles Problem im Bereich von Molekülen, das uns später noch beschäftigen wird und große Auswirkungen auf die Wolken hat: Bei niedrigen Temperaturen sind Stöße schwach und bringen Moleküle nur zum Rotieren. Für alle anderen Strahlungsursachen, wie zum Beispiel Schwingungen, reicht die Energie in den kalten Wolken nicht. Ausgerechnet das häufigste Molekül, das Wasserstoffmolekül, und Helium werden jedoch bei niedrigen Temperaturen nur ungenügend angeregt, sodass sie überhaupt nicht zum Leuchten kommen. Daher sind Wasserstoffmoleküle in Wolken nicht beobachtbar, und sie tragen nichts zur Abkühlung bei, ohne die keine Sterne entstehen. Aus diesem Grund sind auch viel weniger häufige Moleküle wichtig, wie Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Wasserdampf, Methanol und Ammoniak. Sie strahlen ihre Rotationsenergie in Form von Infrarot- und Millimeterwellen ab.

Der Staub der Wolken schützt die zerbrechlichen Moleküle in diesen dunklen, kalten Winkeln unserer Galaxie vor hochenergetischen Strahlen und der Wärmestrahlung benachbarter Sterne. Ultraviolett- und Röntgenstrahlung von bereits entstandenen Sternen in der Nachbarschaft würden Moleküle aufbrechen und sie zerstören. Ohne Staub gäbe es keine Moleküle, ohne Moleküle keine Sterne und Planeten. Der interstellare Staub entstand im Wind von Sternen früherer Generationen. Wir werden diesen Winden noch näher begegnen, wenn wir auf die Endphase von Sternen detaillierter eingehen. Es gibt im Universum ein Geflecht von kausalen Zusammenhängen. Aber wie entstand der erste Stern – im frühen Universum ohne Staub und Moleküle? Eine Antwort auf diese Frage werden wir später geben.

Glücklicherweise sind Molekülwolken transparent für Infrarot- und Millimeterwellen, genau für jene Wellenlängen, in denen kalte Moleküle strahlen. Nur können unsere Augen diese Wellen nicht sehen. Unsere Netzhaut ist an das Sonnenlicht angepasst, das im optischen Bereich sein Maximum hat, und aus diesem Grund können wir auch nachts die sonnenähnlichen Sterne sehen. Einige Lebewesen, wie zum Beispiel Schlangen, haben Augen, welche die Wärmestrahlung von warmblütigen Tieren im Infrarot sehen. Wenn sie den Nachthimmel anschauen, sehen sie nur wenig von den Sternen, dafür die riesigen Molekülwolken, einige so groß wie die Hand am ausgestreckten Arm. Seit zwei Jahrzehnten können auch Menschen diese Strahlung mit immer besseren Teleskopen beobachten. Viele Dinge im Alltag, wie bestimmte Vögel, Blumen oder Autos, erkennen wir an ihrer Farbe. So hat auch jedes Molekül seine charakteristische Farbe, sogenannte Spektrallinien, die Informationen über Dichte, Bewegung, chemische Zusammensetzung und Temperatur des Gases und des Staubes enthalten.

Die uns nächsten Molekülwolken liegen im Sternbild des Schlangenträgers, 370 Lichtjahre von uns entfernt. Dort entstehen Dutzende von Sternen. Erste Anzeichen eines werdenden Sternes sind runde Gebilde mit hoher Dichte, sogenannte Wolkenkerne. Sie haben einen Durchmesser von etwa einem Lichtjahr, ein Viertel der Distanz von der Sonne bis zum nächsten Stern. Je dichter ein Gas, desto besser kann es seine Wärme abstrahlen. Daher sind diese Regionen bis zu minus 266 Grad Celsius kalt, nur 7 Grad über dem absoluten Nullpunkt. Bei dieser Kälte frieren alle Moleküle außer Wasserstoff aus und lagern sich auf den Staubkörnern an. Diese werden dadurch wie Schneeflocken von einem Eismantel umgeben. Er besteht zunächst aus einem Gemisch der verschiedenen Moleküle und Atome, wie sie im Gas der Molekülwolken vorkommen. Die Stauboberfläche wirkt dann über die Jahrtausende wie ein Katalysator und ermöglicht Reaktionen, die im Gas nicht stattfinden könnten. Neue Moleküle entstehen. So kann es geschehen, dass sich ein einzelnes Sauerstoffatom mit zwei Wasserstoffatomen zu einem Wassermolekül (H2O) zusammenfindet. Das meiste Wasser heute auf der Erde entstand im Mantel von interstellarem Staub vor 4,567 Milliarden Jahren, als sich der solare Urnebel langsam herausbildete.

Rationalität der Natur

Warum fallen interstellare Molekülwolken unter ihrer eigenen Schwere nicht zusammen, wie es Newton postulierte? Die Masse aller Moleküle in den Wolken übersteigt jene der Sonne um das Hundert- bis Millionenfache. Würde eine solche Wolke zusammenfallen, entstünde kein Stern mit möglichen Planeten, sondern ein Schwarzes Loch,5 aus dem kein Licht entweichen könnte. Die Kollapszeit von Molekülwolken wäre weniger als eine Million Jahre, und damit viel kürzer als das Alter unserer Galaxie. Würden die Wolken einfach kollabieren, gäbe es in unserer Galaxie schon lange keine Materie mehr für neue Sterne. Newtons Vorstellung von interstellaren Wolken war zu stark von irdischen Wolken geprägt. Er wusste nicht, dass Molekülwolken ständig in chaotischer Bewegung sind. Wolkenteile bewegen sich in allen Richtungen, schießen aneinander vorbei und fallen nicht einfach zusammen. In einer statischen Wolke, wie sie sich Newton vorstellte, wäre die Schwerkraft gegen das Zentrum gerichtet. Die gegenseitige Anziehung der verschiedenen Wolkenteile geht jedoch in einem Tohuwabohu von Bewegungen unter.

Chaos stabilisiert die Molekülwolken, wenn auch nicht vollständig. Die Turbulenz gibt Molekülwolken eine Lebenszeit von einigen zehn Millionen Jahren. In dieser Zeit bilden sich an bestimmten Stellen in der Wolke lokale Verdichtungen, die ungefähr die Masse der Sonne aufweisen, die Wolkenkerne. Infolge der ungeordneten Wirbelströmungen teilt sich eine Wolke in Hunderte von Komponenten auf. Computersimulationsrechnungen zeigen, dass sich zufällige Dichtekonzentrationen zu Wolkenkernen verstärken, aus denen, wie wir später sehen werden, schließlich Sterne entstehen. Während das turbulente Chaos der Klumpen die Molekülwolke stabilisiert, lässt es auch zu, dass lokal – in kleinen, dichten Gebieten – Neues entsteht. Während der Lebenszeit einer Molekülwolke werden höchstens 10 Prozent ihrer Materie in Sterne umgesetzt.6 Dann wird die Strahlung der jungen Sterne so stark, dass der Staub verdampft, die Moleküle aufbrechen und Sternwinde die Wolke auseinanderreißen. Der Rest der Wolke verliert sich in den Weiten unserer Galaxie. Das Alte vergeht, es entstand etwas Neues und tritt an seine Stelle: ein Sternhaufen.

Newtons Stabilitätsproblem hat eine rationale Erklärung gefunden in der Dynamik der Molekülwolken. Beim genaueren Hinsehen entpuppt sich die Wirklichkeit anders als die besten Vorstellungen und als erstaunlich vielfältiger. Die Komplexität hat ihren Grund: Es spielen viele Prozesse und verschiedene Teile in das Geschehen hinein. Was an einem Ort in der Molekülwolke passiert, hat einen Einfluss an den anderen Orten. Je nach den Umständen verhindert der erste Stern vielleicht das Entstehen eines weiteren Sternes an einer bestimmten Stelle und fördert es an einer anderen. Sterne entstehen nicht isoliert. Schon bei ihrer Entstehung sind sie vernetzt mit einer Umgebung von Hunderten von Lichtjahren. Von den vielen Vorgängen, die ineinandergreifen, damit ein Stern entsteht, werden wir im nächsten Kapitel einige beispielhaft herausstellen. Bemerkenswert ist: Newtons Hypothese, dass Gott dort zu finden ist, wo unser Verstehen aufhört, hat sich nicht bestätigt.

Wir wissen nicht, wie Molekülwolken entstehen. Sie bilden sich vermutlich, wenn die Dichte von Wasserstoffatomen und Staub im interstellaren Raum aus irgendeinem Grund etwas höher ist. Es gibt rund 6000 riesige Molekülwolken in unserer Galaxie, in jeder sind Tausende bis Millionen von Sternen im Stadium des Entstehens. In weniger als 10 Millionen Jahren verschwinden die Wolken wieder und neue entstehen. Was in den Molekülwolken vor sich geht, verstehen wir ebenfalls noch nicht vollständig, und je mehr wir verstehen, desto mehr Unbekanntes erscheint. Die Brutstätte der Sterne bleibt im Grunde rätselhaft wie vor Jahrhunderten. Das rationale Erforschen der Vorgänge hat sie nicht enträtselt, nur die Grenze unseres Wissens verschoben. Wenn ich im Gewirr einer dunklen Molekülwolke bläulich funkelnde junge Sterne umgeben von heißem rötlichen Gas sehe, spricht mich nicht nur das Unbekannte und Rätselhafte an. Noch mehr staune ich über die Vielfalt und Zweckmäßigkeit der uns bekannten Vorgänge, die Neues entstehen lassen. Rationalität behindert das Staunen nicht.

Abbildung 3: Dunkle Molekülwolken im Rosettennebel, dreitausend Lichtjahre entfernt, sind von einem zehntausend Grad heißen, leuchtenden Gas umgeben. In den Molekülwolken sind neue Sterne am Entstehen (Foto: N. Wright, UCL, IPHAS collaboration).

Wenn Sterne und Planeten entstehen

Das vorangehende Kapitel veranschaulichte, wie sich in riesigen Molekülwolken kugelförmige Kerne aus Gas und Staub bilden. Ihre Massen übertreffen jene der Sonne. Wolkenkerne kühlen ab und kontrahieren, langsam, aber unabwendbar. Wenn das Gas dichter und der Radius kleiner werden, steigt die Schwerkraft. Sie wächst schneller als der Gasdruck, der ihr entgegensteht. Irgendwann überschreitet die Schwerkraft den Schwellwert, bei dem der Gasdruck der wachsenden Anziehung nicht mehr standhalten kann. Der Wolkenkern fällt unter seiner eigenen Schwerkraft in sich zusammen. Der Kollaps beginnt im innersten Teil, und es dauert einige hunderttausend Jahre, bis die Bewegung die äußeren Regionen erreicht. Die Geschwindigkeit steigert sich wie bei einem Apfel, der im freien Fall vom Baum fällt, und erreicht einige zehn Kilometer pro Sekunde.

Akkretionsscheiben

Man könnte nun denken, dass kugelrunde Wolkenkerne nur noch unter ihrer eigenen Schwerkraft zusammenfallen müssten, damit ein Stern entstehe. Weit gefehlt! Die Drehbewegung einer interstellaren Wolke ist nicht genau null. Am äußeren Rand ist die Umlaufzeit um das Zentrum der Milchstraße langsamer als am innern Rand. Die Wolke dreht sich, wie wenn sie auf ihrer Kreisbahn um das galaktische Zentrum rückwärts rollte. Daneben hat sie wahrscheinlich aus ihrer Entstehung auch noch einen gewissen Drall. Die Wolkenkerne wiederum sind noch unruhiger, da sie eine wilde Entstehungsgeschichte hinter sich haben. Kollabiert nun ein Wolkenkern, bleibt sein Drehimpuls7 erhalten. Je mehr sich Materie zusammenzieht, desto schneller muss sie rotieren. Das bekannteste Beispiel ist eine Eiskunstläuferin, die mit ausgestreckten Armen zu einer Pirouette auf der Schlittschuhspitze ausholt. Wenn sie sich dreht und nun die Arme anzieht, wirbelt sie immer schneller herum, weil der Drehimpuls erhalten bleibt. Ein typischer Wolkenkern dreht sich einmal in einer Million Jahren um sich selbst. Fiele er zu einem Stern zusammen, würde sich dieser schneller als einmal pro Sekunde drehen! Das ist nicht möglich. Die Zentrifugalkraft an seiner Oberfläche wäre viel größer als die Schwerkraft, und der Stern würde auseinandergerissen.

Der Kollaps führt also nicht zu einem Stern. Die Kontraktion endet vielmehr mit einer schnell rotierenden Scheibe, wobei sich Zentrifugalkraft und Schwerkraft ausbalancieren. Der Durchmesser der Scheibe beträgt typischerweise tausendmal die Distanz Erde-Sonne, und ist immerhin hundertmal kleiner als die Dimension des ursprünglichen Wolkenkerns. Die Scheibendicke nimmt nach außen zu und beträgt ungefähr ein Zehntel des Radius. Man nennt diese rotierenden Gebilde Akkretionsscheiben (lat. accresco = anwachsen), weil sich darin die Materie ansammelt, die im freien Fall zusammenfällt, wenn der Wolkenkern instabil wird.

Warum kreisen Planeten?

Pierre Simon Laplace (1749–1827) machte auf das Problem der Drehimpulserhaltung aufmerksam und entwickelte daraus eine Theorie zur Erklärung der Planeten. Sie ist die erste mathematisch durchdachte Theorie der Entstehung des Sonnensystems. Laplace ging von einem Urnebel aus, der wie eine Atmosphäre die Sonne umgab. Weil sich der Nebel abkühlte, schrumpfte er, und weil der Drehimpuls erhalten blieb, rotierte der Nebel immer schneller. Dadurch flachte sich die Atmosphäre zu einer Scheibe ab. Die Fliehkraft wurde immer größer. Am äußeren Scheibenrand wog sie schließlich die Schwerkraft der Sonne auf, sodass sich ein Gasring vom Nebel löste, der ohne weitere Kontraktion kreiste. Nach einer Weile wiederholte sich der Vorgang, bis die Sonnenatmosphäre auf ihre heutige Größe schrumpfte. In den Ringen verdichtete sich die Materie zu Klumpen, wie das Immanuel Kant (1724–1804) schon 50 Jahre vor Laplace vorgeschlagen hatte. In jedem Gasring, so Laplace, war eine Verdichtung dominant und lagerte sich kleinere Nachbarn an. Sie wuchs zum Planeten. Weil der Gasring um die Sonne kreiste, musste dies mit gleicher Geschwindigkeit auch der Planet tun. Dieser zog weiteres Gas an, und nun geschah dasselbe nochmals im kleineren Maßstab. Es bildeten sich kleinere Körper, die den Planeten umkreisten und sich zu seinen Monden vereinten. Das restliche Gas blieb schließlich übrig als Planetenatmosphäre.

Die Theorie von Laplace wurde zu seiner Zeit stark beachtet. Kaiser Napoleon ließ ihn zu sich kommen. Diese Szene ist aus einer Anekdote bekannt, die Victor Hugo überliefert hat.8 Napoleon stellte ihn zur Rede, wie er die ganze Schöpfung erkläre, ohne je von Gott zu reden. Laplace gab die berühmte Antwort: »Sire, je n’avais pas besoin de cette hypothèse.«9 Anscheinend ging Laplace davon aus, dass er nun alle Erklärungslücken geschlossen habe. Die Aussage hatte eine für die damalige Zeit besondere Brisanz, widersprach sie doch den Vorstellungen eines Gottes, der wie ein Uhrmacher die Welt vor dem Anfang der Zeit erschuf und dessen Tätigkeit unerklärbare Lücken hinterlassen haben müsste.

Aber auch das Modell von Laplace ließ selbst für seine Zeitgenossen noch mindestens eine Frage offen: Wenn eine interstellare Wolke kontrahiert und als rotierende Scheibe ins Gleichgewicht kommt, kann diese nicht weiter zu einem Stern schrumpfen. Sie müsste genau wie ein Planet oder der Ring des Saturns – so warf James C. Maxwell (1831–1879) später ein­ – für immer kreisen. Die Erhaltung des Drehimpulses kann zwar erklären, wie sich kreisende Planeten bilden, verhindert aber die Entstehung von Sternen. Es schien keinen Grund zu geben, warum die Akkretionsscheibe zu einem Stern kontrahieren konnte. Warum blieb der Drehimpuls der Planeten konstant, jener der Sonnenmaterie aber ging verloren? Die Kant- Laplace-Theorie konnte das Entstehen der Planeten erklären, nicht aber wie die Sonne und andere Sterne aus dem Gas einer Akkretionsscheibe entstanden sind. Der Kritikpunkt war so überzeugend, dass sich gegen Ende des 19. Jahrhunderts eine andere Hypothese in den Vordergrund drängte, die Idee einer Streifkollision mit einem anderen Stern, bei der die Planeten herausgeschleudert wurden.10 Heute wissen wir, dass Sternkollisionen äußerst selten sind. In unserer immerhin rund 13 Milliarden Jahre alten Milchstraße mit rund drei hundert Milliarden Sternen ist dies erst etwa hundert Einzelsternen wie der Sonne passiert.

Lange Zeit blieb die Entwicklung von Akkretionsscheiben zu Sternen völlig rätselhaft. Die heutige Astrophysik hat erst in den 1960er Jahren begonnen, die Ideen von Kant und Laplace weiter zu entwickeln. Seit zwanzig Jahren sind zwei reelle Möglichkeiten bekannt und zum Teil beo­bachtet worden, wie eine Akkretionsscheibe Drall abgeben und somit weiter schrumpfen kann.

Zunächst eine Zwischenbemerkung zur Wahrheit von naturwissenschaftlichen Theorien: Hat sich die Nebularhypothese von Kant und Laplace bewahrheitet? Gewiss hat sie sich gegen die Kollisionshypothese durchgesetzt. Von Wahrheit zu sprechen wäre jedoch zu viel. Naturwissenschaftliche Theorien sind nicht wahr oder falsch, sondern gut oder schlecht. Eine gute Theorie kann viele Beobachtungen erklären und regt zu neuen Messungen an, an denen sie geprüft werden kann. Die Nebular­hypothese hielt diesen Prüfungen im Großen und Ganzen stand. Die Kollisionshypothese hingegen wurde nicht bestätigt. Es stellte sich zum Beispiel heraus, dass Sonne und Planeten nicht die gleiche chemische Zusammensetzung haben. Die Sonne besteht vor allem aus Wasserstoff, die Erde hingegen aus Sauerstoff, Silizium und Eisen. Das war mit chemischer Trennung in der Akkretionsscheibe leicht zu erklären, hätte aber eine komplizierte Erweiterung der Kollisionstheorie erfordert. Die Kollisionshypothese war nicht völlig falsch, wenn auch mit sehr großer Wahrscheinlichkeit nicht auf die Sonne anwendbar. Es zeigte sich nämlich, dass in kompakten Sternhaufen, den sogenannten Kugelsternhaufen, Sternkollisionen tatsächlich eine Rolle spielen. Der Vorgang wird heute mit numerischen Simulationen in großen Computernetzwerken modelliert. Wenn Sterne in Kollisionen auseinandergerissen werden, treten interessante Phänomene auf, aber es bilden sich keine erdähnlichen Planeten. Damit ist die Kollisionshypothese zur Entstehung des Sonnensystems endgültig vom Tisch.

Andrerseits ist die Laplacesche Theorie des schrumpfenden Urnebels längst überholt. Wolkenkerne, zum Beispiel, schrumpfen nicht, sondern kollabieren im freien Fall. Trotzdem war es die bessere Theorie, denn sie führte in Richtung Wahrheit. Wahr ist eine Aussage, wenn sie mit dem Sachverhalt übereinstimmt. Stimmte eine naturwissenschaftliche Theorie mit der Gesamtheit aller möglichen Messungen vollständig überein, würden wir sie wahr nennen. Messungen und Beobachtungen, wie sie in Molekülwolken und an entstehenden Sternen gemacht werden, können jedoch nicht der vollständige Sachverhalt sein, weil wir nie alles messen können. Wir kennen nur jenen Teil der Wirklichkeit, den wir beobachtet haben. Daher führt die naturwissenschaftliche Methode zu adäquaten Beschreibungen der mit ihr fassbaren Wirklichkeit, aber nie zu einer wahren Theorie. Theorien sind menschliche Konstrukte und nicht beweisbar. Oft sind sie nur mit einem Teil der Beobachtungen verträglich. Trotz unvollständiger und mangelhafter Daten einigt sich eine Mehrheit der Fachleute meistens auf eine Theorie. Der Grund ist keine geheime Abmachung, sondern die überwältigende Evidenz der Beobachtungsbefunde. Man darf Theorien in ihrer Vorläufigkeit nicht unterschätzen. Dank guter Theorien kann eine Raumsonde zu einem Kometen fliegen und mit Bodenproben zurückkehren.

Das Szenario der Stern- und Planetenentstehung aus Molekülwolken wird heute unter Fachleuten allgemein akzeptiert. Wie dies im Detail vor sich geht, hat jedoch noch keineswegs den Status einer guten Theorie, denn es gibt noch viele Lücken. Der Grund liegt in der Komplexität der Vorgänge, von der das Folgende einen Geschmack geben soll.

Abbildung 4: Aus der dunklen Molekülwolke in der linken unteren Ecke schießt ein Jet mit dreihundert Kilometern pro Sekunde nach rechts oben. Er hinterlässt eine helle Spur von geschocktem Gas und trifft schließlich auf das ruhende interstellare Gas außerhalb der Wolke. Dort, nach 5 Billionen Kilometern, verursacht er eine Bugwelle, die unter dem Namen HH-47 bekannt ist. Der Jet transportiert Drall von der Akkretionsscheibe ins interstellare Gas (Foto: J. Morse, HST, WFPC2, NASA).

Von der Akkretionsscheibe zum Protostern

Die Antwort auf das Problem von Laplace ist äußerst vielfältig, selbst ohne auf die Details der einzelnen Prozesse einzugehen. Eine große Zahl verschiedener Vorgänge muss ineinandergreifen, damit ein simpler Stern entsteht. Die Komplexität hat ihren Ursprung in dieser Vielzahl und führt zu einer Myriade von möglichen Endprodukten. Die Tradition der Sphärenklänge eines Pythagoras oder Keplers elegante Planetenbahnen verleiten manchmal dazu, sich ein überschaubares, harmonisches Universum vorzustellen. Aber die Wirklichkeit ist viel spannender, wenn auch letztlich unergründlich.

Die Physiker und Naturphilosophen des 18. Jahrhunderts konnten nicht wissen, dass rotierende Scheiben von Ausflüssen entlang der Rotationsachse begleitet sind. Im visuellen Licht, in dem die Ausflüsse stark gebündelt erscheinen, nennt man diese Materieströme Jets. Ihre Geschwindigkeit beträgt 100 Kilometer pro Sekunde und mehr. Jets erreichen eine Distanz von mehreren Lichtjahren, schießen also über die Dimension des ursprünglichen Wolkenkerns hinaus. Wo sie auf das ruhende Gas aufprallen, schieben sie wie ein Schiff eine Bugwelle vor sich her. Sie leuchtet hell auf und ist leicht erkennbar. Jets reißen einen Teil der kollabierenden Hülle mit. Dieser Strom bildet einen gemächlichen, aber massereichen Ausfluss von Gas und Staub. Mindestens ein Zehntel des Gases, das auf den jungen Stern einstürzt, geht in diesen Ausflüssen wieder verloren.

Schon länger ist der Verdacht aufgekommen, dass die Jets neben der Masse auch Drehimpuls fortführen. Das Weltraumteleskop Hubble hat 2004 die Drehbewegung der Jets bestätigt.11 Somit bietet sich eine Lösung an für das Rätsel von Laplace, wie die Rotation einer akkretierenden Scheibe gebremst wird. Der Drehimpuls des Jets kann nur vom Drall der Scheibe stammen. Geht der Scheibe Drehimpuls verloren, muss sie sich zusammenziehen. Dabei fließt im innersten Teil Gas von der Scheibe auf den Protostern ab. Die Scheibe ist nicht stationär; dank der Ausflüsse geht die Akkretion weiter. Die Scheibe schrumpft und entleert sich langsam, und der Stern legt an Masse zu.

Wir haben uns allerdings nun die Frage nach der Beschleunigung von Jets eingehandelt. Es ist in der Tat fast unvorstellbar, wie Staubkörner und Moleküle auf die hundertfache Geschwindigkeit einer Gewehrkugel beschleunigt werden. Am ehesten kommen Vorgänge wie in der Sonnenkorona in Betracht, wo magnetische Kräfte Teilchen beschleunigen. Hier taucht das Problem auf, dass die magnetische Kraft nur auf Teilchen mit elektrischer Ladung wirken kann. Enthält das Gas im Beschleunigungsgebiet der Jets etwa elektrisch geladene, sogenannte ionisierte Atome oder Moleküle? Es muss so sein. Als Verursacher stehen kosmische Teilchen im Verdacht, vor allem Protonen, die an Schockwellen von Supernova-Auswürfen weit entfernter Sterne auf enorme Geschwindigkeiten, nahe jener des Lichts, beschleunigt wurden. Sie durchdringen selbst die dichtesten Gebiete von Molekülwolken, stoßen mit Molekülen zusammen und ionisieren sie. So tragen alte, ausgebrannte Sterne bei ihrem Zerfall, der, wie wir später sehen werden, mit einer Supernova-Explosion endet, wesentlich zum Entstehen von neuen Sternen bei.

Mit dem Magnetfeld türmt sich die Komplexität. Viele Astronomen möchten es daher am liebsten weglassen. Die Erklärung, wie ionisierte Moleküle mittels magnetischer Kraft zu einem Jet beschleunigt werden, möchte ich den Leserinnen und Lesern ersparen. Die Details sind, falls überhaupt beobachtet, noch nicht erklärt. Vielmehr möchte ich eine zweite Möglichkeit erwähnen, wie ein junger Stern Drehimpuls aus seiner Akkretionsscheibe verlieren kann: Die Scheibe rotiert innen schneller als außen, wie bekanntlich auch die inneren Planeten schneller kreisen als die äußeren. Man denke sich nun die Scheibe in Ringe aufgeteilt, deren Nachbarn sich aneinanderreiben. Schnell rotierende innere Ringe geben Drall an äußere ab, die ihn wiederum an die nächst äußeren Nachbarn weitergeben. Reibung verlangsamt den schnelleren Ring im Innern der Scheibe. Drehimpuls wird durch die Scheibe nach außen befördert. Auch hier sind Magnetfelder von Bedeutung. Sie koppeln einen Scheibenring an seinen Nachbarn, wodurch Reibung entsteht. Wir können der Komplexität nicht ausweichen.

Wahrscheinlich wirken beide Mechanismen der Drehimpulsabgabe. Der Jet übernimmt einen Teil des Dralls im inneren Teil der Scheibe, die Reibung im äußeren Teil. Der sich im Zentrum bildende Protostern erhält den Großteil der Materie, der größte Teil vom Drehimpuls des kollabierenden Wolkenkerns wird jedoch wieder in die Molekülwolke zurückgeschleudert. Auf diese Weise kann sich der Stern als Insel mit kleinem Drehimpuls im stürmischen Durcheinander der Molekülwolke bilden.

Indem sie Drall in die Molekülwolke zurückgeben, tragen selbst kleinere Sterne wie die Sonne zur Turbulenz in der Wolke bei. Wie wir gesehen haben, verhindern die chaotischen Wolkenbewegungen das vorschnelle Entstehen übergroßer Sterne. Die Sternentstehung reguliert sich selbst. Mit der Energie, die Sterne freisetzen, ihren Winden, Strahlen und Explosionswellen, zerstören sie schließlich die fragile Wolke, aus der sie entstanden.

Sterne bilden sich auf Skalen von Lichtjahren und werden durch Prozesse im Bereich von Atomen und Molekülen beeinflusst. Es überrascht nicht, dass es da noch viele Wissenslücken gibt. Entgegen den Zeitgenossen von Laplace vermuten wir heute nicht mehr, in diesen Lücken Spuren von Gott zu finden. Sie sind vielmehr ein praktisch unerschöpfliches Arbeitsreservoir zukünftiger Generationen von Astronomen.

Planeten entstehen

Exoplaneten – so werden Planeten genannt, die um fremde Sterne kreisen – sind ein weiteres Beispiel, wie eine Entdeckung zu neuen Fragen führt. Es könnte den Naturwissenschaftlern wie Herkules mit der Hydra ergehen, der für jeden abgeschlagenen Kopf zwei neue Köpfe nachwuchsen. Die Planetenentstehung ist zwar kaum unendlich komplex im mathematischen Sinne. Eine vollständige Theorie scheint jedoch in weiter Ferne zu liegen. Einige Teilprozesse der Stern- und Planetenentstehung werden gut verstanden und bestätigen sich in neuen Messungen immer klarer, andere tun es nicht.

Bevor 1995 erstmals Exoplaneten entdeckt wurden,12 konnte niemand voraussagen, dass damit alle früheren Modelle der Planetenentstehung hinfällig würden. Die neu entdeckten Planeten, inzwischen sind es Hunderte und wöchentlich kommen neue hinzu, sind riesige Gaskugeln von der Art des Jupiters, hundert bis tausendmal massiver als die Erde. Sie kreisen jedoch, anders als Jupiter, sehr nahe um den Zentralstern, wo nach den früheren Modellen für das Planetensystem der Sonne kein Großplanet entstehen kann, nur allenfalls ein Zwerg wie Merkur von der Größe unseres Mondes. Sind diese Riesen dort entstanden oder gelangten sie im Laufe einer Entwicklung an ihren jetzigen Ort? Leider kann die gängige Beobachtungsmethode nur genau diese Art von sternnahen Riesen entdecken. Sowohl Planeten mit der Masse der Erde wie auch Planeten mit größerem Abstand wie Jupiter liegen an der Grenze des Beobachtbaren und sind praktisch noch unerforscht.

Die Jupiter-ähnlichen Exoplaneten haben eine erstaunliche Regel zu Tage gebracht: Die Mehrheit kreist um Sterne mit erhöhtem Anteil an schweren Elementen, wie Kohlenstoff, Sauerstoff und Eisen. Auch die Sonne liegt in dieser Hinsicht weit über dem Durchschnitt der Nachbarsterne. Offenbar sind diese Elemente notwendig, damit Planeten entstehen können. Für erdähnliche Planeten wäre dies nicht bemerkenswert, besteht doch die Erde vor allem aus schweren Elementen. Nun ist aber bei Jupiter und seinen Verwandten der Wasserstoff das Hauptelement. Die beobachtete Regel legt nahe, dass zuerst ein Planetenkern aus schweren Elementen entsteht, um den sich dann bei großen Planeten später eine Wasserstoffhülle ansammelt.

Abbildung 5: Die erst wenige Millionen Jahre alten Sterne HD 141569 (oben) und HD 4796A (unten) sind von Staubringen umgeben. Für diese Bilder wurde das Licht der Sterne großräumig mit einer runden Platte abgeschirmt, die als weißer Kreis eingezeichnet ist. Die Staubringe haben den fünffachen bzw. zweifachen Radius der Neptunbahn. HD 141569 hat sogar einen zweiten Ring in doppeltem Abstand. Es wird vermutet, dass die Ringe Überbleibsel einer Akkretionsscheibe sind, die von einem Planeten ausgehöhlt wurde. Die Staubkörner sind wahrscheinlich von einem dicken Wassereismantel umgeben (Foto: A. Weinberger [UCLA], B. Smith [UH] u. a., NASA, ESA).

Akkretionsscheiben bestehen genau aus dem Material, das zur Bildung von Planeten nötig ist: Gas, Moleküle und Staub. Wie daraus Planeten werden, ist jedoch nicht bekannt. Gewiss könnten sie wie Sterne durch die Eigengravitation von Dichteschwankungen entstehen, welche weitere Materie anziehen. Dieser Vorgang würde aber mehr Zeit brauchen, als zur Verfügung steht. Vermutlich sind Vorgänge am Werk, die sich selber verstärken, sogenannte Instabilitäten. Auch hier spielt vielleicht das Magnetfeld mit. Den Anfang machen vermutlich Staubteilchen, die aneinanderkleben.

Ein Protostern, der sich gleichzeitig mit den Planeten entwickelt, macht sich auf verschiedene Weise bemerkbar. Seine Strahlung erwärmt die Akkretionsscheibe, später kommt ein Sternwind auf und Ultraviolett-Strahlung setzt ein. Beide tragen die Randregionen der Scheibe ab, bis schließlich auch das restliche Gas entweicht. Der Staub verdichtet sich in der Scheibenebene und wird, falls er nicht von einem Planeten aufgenommen wird, schließlich wie ein Kometenschweif ins All hinaus mitgerissen. Akkretionsscheiben sind vorübergehende Erscheinungen. Planeten haben nur wenige Millionen Jahre Zeit, um in ihnen zu entstehen.

Es besteht kein Zweifel, dass die Astronomie in den vergangenen zwanzig Jahren sehr viel über Planeten gelernt hat. Im Gegensatz zur geografischen Landkarte der Erdoberfläche, wo die weißen Flecken seit dem 17. Jahrhundert fast verschwunden sind, scheint es für die Landkarte der Astronomie keinen festen Rahmen zu geben. Die farbigen Gebiete des Wissens sind zwar größer geworden, die Karte, und mit ihr die weißen Flecken, ist aber noch mehr gewachsen. Für die Planetenentstehung, wie auch für andere Entstehungsprozesse von Galaxien bis Lebewesen, hat die Karte nicht weiße Flecken, sondern ist vorwiegend weiß mit einigen eingestreuten Wissensflecken.

Vom Protostern zum Stern

Protosterne sind heiße Gaskugeln. Sie werden durch ihre eigene Kontraktion erhitzt wie jedes Gas, das komprimiert wird. Protosterne strahlen diese Energie an der Oberfläche ab, werden jedoch im Innern mit der Zeit dichter und heißer. Wenn gewisse Schwellwerte überschritten werden, verschmelzen kleine Atomkerne zu größeren. Den Anfang macht das seltene Deuterium, das zu Helium verschmilzt. Später passiert mit Wasserstoff, dem häufigsten Element, das Gleiche, aber mit größerer Wirkung. Aus vier Wasserstoffkernen wird ein Heliumkern. Seine Masse ist leicht geringer als jene der vier ursprünglichen Protonen. Die Differenz in Masse entspricht einer Energie, die als Wärme erscheint. In diesen Vorgängen kommen Kernkräfte zum Zug, welche nukleare Energie freisetzen. Ihr Energiereservoir ist tausendmal größer als die Gravitationsenergie, die bei der Kontraktion frei wird.

Der Wechsel in der Energieversorgung setzt eine neue Entwicklung in Gang: Der Protostern wird zum Stern. Seine innere Energiequelle versorgt ihn über Milliarden von Jahren und ermöglicht ihm einen stabilen Zustand. Bei kleineren Sternen wie der Sonne steigen Magnetfelder aus dem Innern auf, und entladen ihre Energie in der Atmosphäre. Wie später ausführlich beschrieben, wird diese auf mehrere Millionen Grad aufgeheizt und bildet eine Korona. Auch die heutige Sonne hat eine Korona, aber jene eines Jungsternes ist mehr als tausendmal energiereicher. Schuld daran ist die schnelle Rotation, die – wie der Dynamo am Fahrrad – je schneller desto mehr elektromagnetische Energie erzeugt. Damit ein Stern entsteht, müssen alle in der Physik bekannten Kräfte mitwirken: die Kernkräfte, die elektromagnetische Kraft und die Gravitation.

Das wunderbare Zusammenspiel aller Kräfte verändert auch die weitere Umgebung des Sternes. Die Wärmestrahlung der Korona liegt im Röntgenbereich. Sie dringt tief in die Scheibe und Hülle ein und reagiert dort mit Molekülen. Röntgenphotonen, die Lichtteilchen der Röntgenstrahlung, schlagen Elektronen aus den Molekülen heraus. Die befreiten Elektronen besitzen genug Energie, um in weiteren Molekülen dasselbe zu tun. Jedes Röntgenphoton hinterlässt eine Spur von ionisierten Molekülen. Diese sind chemisch äußerst aktiv. Ein durch Röntgenstrahlung dominiertes Netzwerk von chemischen Reaktionen entsteht. Je nach Dichte und Temperatur werden auch gewisse elektrisch neutrale Moleküle auf- oder abgebaut.

Von besonderem Interesse ist das Wassermolekül (H2O). Am häufigsten entsteht es in dunklen Wolkenkernen auf den Staubkörnern und hüllt sie mit einem Eismantel ein. Steigt die Temperatur beim Kollaps auf über minus 170 Grad Celsius, verdampft das Wasser und beginnt, mit anderen Molekülen zu reagieren. Es bildet sich ein chemisches Netzwerk von Reaktionen, in dem Wasser entsteht und wieder zerstört wird, bis sich ein Gleichgewicht einstellt. Die Häufigkeit von Wasser wird von den gegebenen Verhältnissen bestimmt. Von Sternen mit der Masse der Sonne wird Wasser durch UV- und Röntgenstrahlung in Sternnähe bis etwa zur dreifachen Erde-Sonne-Distanz zerstört. Wasser wird nicht direkt in Sauerstoff und Wasserstoff aufgespalten, sondern reagiert mit anderen Molekülen, wie mit dem chemisch aktiven, positiv geladenen H3+ und HCO+, die durch hochenergetische UV- und Röntgenstrahlen produziert werden. Nach diesen Vorstellungen dürfte es innerhalb der Jupiterbahn kein Wasser mehr geben. Woher kommt das Wasser auf der Erde? Auch der Planet Mars hat heute noch Wasser unter der Oberfläche und im Polareis.

Es gibt mindestens zwei Möglichkeiten für den Ursprung des Wassers im inneren Sonnensystem, vielleicht auch mehr. Die bekannteste Hypothese sind Kometen, die im äußeren Sonnensystem entstanden und Wasser transportierten. Sie schlugen damals noch häufiger als Asteroiden auf der jungen Erde ein. Zweitens könnte Wasser schon viel früher im Gas des inneren Sonnensystems entstanden sein, als dort die Temperatur minus 20 Grad Celsius überstieg. Nimmt die Dichte im Alter von etwa einer Million Jahren ab und die Röntgenleuchtkraft des Protosterns zu, bilden sich Moleküle, aus denen Wasser auch im Gas der Akkretionsscheibe entstehen kann.13

Wasser ist ein Beispiel, wie Moleküle eine Geschichte durchlaufen, die je nach Distanz zum Protostern verschieden ist. Würden wir diese Geschichte verstehen und könnten wir Wasser und andere Moleküle genügend gut beobachten, wäre es möglich, den physikalischen Zustand von Akkretionsscheiben zu entschlüsseln und seine Geschichte zu rekon­struieren. Die Moleküle und das Verhältnis ihrer Häufigkeiten sind wie Uhren, die uns die Entwicklung anzeigen. Sie würden uns helfen, auch die Geschichte unseres eigenen Sonnensystems zu verstehen. Bis dieser Traum sich verwirklicht, fehlt noch viel. In diesem Jahrhundert sind diesbezüglich große Fortschritte zu erwarten. Vielleicht können wir in hundert Jahren aus Molekülbeobachtungen den Entwicklungsstand von Protosternen und Planeten in benachbarten Molekülwolken ablesen. Die molekulare Entwicklungsgeschichte kann vielleicht auch die Frage beantworten, wie häufig unser Typ von Planetensystem ist. Es sind sogar derart viele verschiedene chemische und physikalische Entwicklungswege von Sternen und Planeten denkbar, dass unser Sonnensystem ein Einzelfall sein könnte. Die Astronomie des 21. Jahrhunderts verspricht so spannend zu werden wie in früheren Jahrhunderten.

Abbildung 6: Der Stern GQ Lupi (mit A markiert im Bild) ist erst eine Million Jahre alt. Er wird von einem zweiten, leuchtschwachen und gleich alten Himmelskörper (b) begleitet, der in Masse nur wenig größer als Jupiter ist. Das Objekt b ist somit wahrscheinlich der erste Planet, der direkt abgebildet werden konnte. Er hat die hundertfache Erde-Sonne-Distanz von seinem Zentralgestirn. Das Bild zeigt seine Wärmestrahlung im infraroten Licht. Der Planet strahlt kräftig, da er noch über 1500 Grad heiß ist und sich seit seiner Entstehung noch nicht vollständig abgekühlt hat (Foto: R. Neuhäuser, Europäische Südsternwarte, ESO).

Der Druck in der Korona des jungen Sternes übersteigt die Schwerkraft. Daher fließt die Korona als starker Sternwind in den Weltraum ab, wird aber durch die magnetische Heizung der unteren Schichten dauernd neu erzeugt. Der Sternwind und die Hochenergie-Strahlungen des Jungsternes tragen, wie bereits erwähnt, die Akkretionsscheibe ab. Winde und Strahlungen reichen aber weiter in den Raum hinaus und pusten auch sämtliche Überreste des ursprünglichen Wolkenkerns weg. Auf diese Weise verhindert der Stern ein weiteres Anwachsen. Dies scheint der Grund zu sein, dass der massereichste Stern im heutigen Universum nur etwa dreihundert Sonnenmassen hat. Ohne diese Selbstregulierung wäre es nicht auszuschließen, dass seine Masse weiter wächst und schließlich, ohne einen Stern zu bilden, die Schwelle zu einem Schwarzen Loch überschreitet. Es ist erstaunlich, wie selten solche kosmischen Missgeschicke sind, vermutlich ereigneten sie sich nur im frühen Universum. Die Schwarzen Löcher im Zentrum von Galaxien sind, wie wir später sehen werden, vermutlich Relikte einer früheren Zeit, als die Selbstregulierung der Akkretion noch nicht auf gleiche Weise funktionierte.

Objekte mit weniger als einem Zehntel der Sonnenmasse haben einen zu kleinen Druck, um Wasserstoff zu verschmelzen, und werden nicht zu Sternen. Vom kleinsten zum größten Stern liegt ein Massenunterschied von nur einem Faktor Tausend. Das ist nicht viel in Anbetracht einer Sonnenmasse von zwei Quadrilliarden (2∙1027) Tonnen. Da wären ein paar Zehnerpotenzen mehr oder weniger gut denkbar. Erstaunlich, wie sich die Sternentstehung so reguliert, dass die Sternmasse jene Größe erreicht, bei der Wasserstoff in der richtigen Rate verschmilzt, sodass sich eine stabile Wärmequelle bildet und Leben entstehen kann!

Unergründliche Rätsel

Wenn beim Zähneputzen das Wasser aus dem Hahn fließt, versuche ich manchmal aufzuzählen, auf welchen verschlungenen Wegen es zu mir gelangte. Ich bin noch nie in der vom Zahnarzt verordneten Zeit damit zu Ende gekommen. Aus den obigen skizzenhaften Ausführungen geht hervor, dass bei der Entstehung von Sternen und Planeten eine große Zahl von Vorgängen stattfindet und viele Details noch unbekannt sind. Es gibt auch noch eine Fülle offener Fragen, offensichtlich weit mehr als Kant und Laplace vor 200 Jahren hatten. Jede Antwort weckte mehrere neue Fragen. Der Entstehungsprozess umfasst überwältigend viele Vorgänge, die ablaufen müssen, damit sich ein Stern, umringt von einem Planetensystem, bilden kann. Die Erforschung der Stern- und Planetenentstehung scheint unergründlich zu sein.

Man darf mit Recht fragen, ob denn die naturwissenschaftliche Methode zum vollständigen Erklären führe. Offensichtlich wird die Komplexität der Wirklichkeit immer wieder unterschätzt. Der Grund liegt wohl darin, dass in den kontrollierten Laborexperimenten der Physik die Wirklichkeit von der Umwelt isoliert wird. Damit reduziert man die Zahl der interaktiven Mitspieler, und präpariert die Wirklichkeit auf ein handhabbares Maß an Möglichkeiten. Das Beispiel der Sternentstehung zeigt hingegen, welche Fülle von Komplexität sich durch eine Vielzahl wechselwirkender Prozesse bilden kann. Auch wenn wir eines Tages alle Grundgleichungen kennen sollten, würden wir noch lange nicht die gesamte Wirklichkeit verstehen. Es gibt Phänomene, die erst in der Menge auftauchen. Jede Lehrperson am Gymnasium weiß, wie einfach es ist, mit einzelnen Schülern gute Gespräche zu führen, aber wie leicht man die Kontrolle über die Gruppendynamik einer Klasse verlieren kann.

Die gegenwärtige Front der Forschung ist eine Grenze in dauernder Bewegung. Sie dringt immer tiefer ins Verständnis der kosmischen Ursprünge und Vorgänge vor. Wegen der Komplexität des Universums wird diese Grenze nie verschwinden. Es soll nicht der Eindruck entstehen, es gäbe keine Fortschritte im Wissen, wie Sterne und Planeten entstehen. Im Gegenteil! Es gibt heute weltweit mehrere tausend Forschende, die nur an diesen Themen arbeiten. Den Fachleuten wird jeden Monat der »Star Formation Newsletter« zugeschickt mit Zusammenfassungen und Links zu den neusten Artikeln, die von den Zeitschriften zur Veröffentlichung angenommen wurden. Es sind rund 60 Abhandlungen jeden Monat. Sie lesen sich wie ein spannender Roman, aber meine Zeit reicht oft nur, ihre Überschriften zu lesen und die Zusammenfassungen der interessantesten Beiträge zu überfliegen.

Das Beispiel der Stern- und Planetenentstehung erinnert mich an das Problem bei der Bestimmung der Küstenlänge einer Insel. Misst man sie mit einem Faden auf einer Landkarte, scheint dies kein Problem zu sein. Will man es aber genauer wissen und geht im Freien mit einem Messband an die Arbeit, erhält man eine größere Strecke, weil auch kleinere Einbuchtungen erfasst werden. Die Frage nach der Küstenlänge lässt sich nicht abschließend beantworten, denn es könnte jemand gar mit einer Lupe messen und erhielte wieder ein größeres Resultat. Mikroskope lieferten noch größere Werte. Die Frage lässt sich nur befriedigend beantworten, wenn wir die Skalenlänge angeben, die uns wichtig ist. Wenn wir zum Beispiel die Küste abschreiten wollen, wäre es die Meterskala. Auf die Sternentstehung angewandt, werden wir nie alles verstehen, aber wir müssen es auch nicht. Eines Tages kennt die Forschung vielleicht die Entstehung der Sterne auf einer Detailskala, die befriedigt. Wir werden aber die Sternentstehung nie so vollständig kennen, wie ein Uhrmacher seine Uhr versteht.

Noch vor wenigen Jahrzehnten war unter Astronomen die Meinung weit verbreitet, dass Sterne zu den einfachsten Objekten gehörten, die im Universum entstehen. Je genauer jedoch die Naturwissenschaften die Wirklichkeit untersuchen, desto rätselhafter erscheint sie. Rätsel sind keine Fingerabdrücke eines Schöpfers, denn diese Rätsel lassen sich im Prinzip lösen. Unerklärtes ist kein zwingender Hinweis auf einen Plan. Die Aussage von Laplace, dass Gott nicht als Erklärungsgrund notwendig ist, wurde nicht widerlegt. Allerdings sind die Prophezeiungen der Aufklärung und die Angst vieler heutiger Menschen unbegründet, die Naturwissenschaften würden einmal alles erklären. Laplace täuschte sich in der Komplexität der Wirklichkeit. Selbst wenn ein Phänomen »mechanisch« erklärt wird, bleibt das Ganze rätselhaft, denn die Erklärung beinhaltet wieder neue Rätsel. Im Wort Rätsel schwingt eine subjektive Komponente mit. Es bleibt für uns ein Rätsel. Dass Rätsel bleiben und immer bleiben werden, kränkt nun aber die naturwissenschaftliche Vernunft. Ein Objekt mit Rätsel bewahrt eine gewisse Distanz, ist nicht vollständig verfügbar und bleibt geheimnisvoll. Diese Distanz verwundert und irritiert. Im ganzen Universum sind bereits 10 Trilliarden (1022) Sterne entstanden. Es ist erstaunlich, dass das Gewöhnlichste im Universum von unergründlicher Komplexität ist.

Im nächsten Kapitel geht es um die Frage, ob es für die astronomische Forschung nicht doch unüberwindliche Hindernisse gebe und wo im Universum die Astronomie auf harte Grenzen stoße.