Kitabı oku: «Dunkle Materie und die Einsteinsche kosmologische Konstante»

Das Wissen dieser Welt aus den Hörsälen der Universitäten.

Fachbereich ASTROPHYSIK

Dunkle Materie und die

Einsteinsche Kosmologische Konstante

Von Prof. Dr. Hanns Ruder

Dunkle Materie, Dunkle Energie, das sind die Bestandteile unseres Universums und zwar zu 96 Prozent. Das sind fast 100 Prozent, also fast alles. Und was wissen wir Physiker davon? Wenn wir wirklich ehrlich sind, dann wissen wir fast nichts. Wir haben vielleicht unsere finsteren Vermutungen, aber ehrlich gesagt, wir haben keine Ahnung, was das ist. Das bedeutet, ich soll jetzt eine Stunde lang über etwas reden, wovon wir keine Ahnung haben, was es ist. Das ist natürlich für einen Physiker eine sehr schwierige Aufgabe. Und es sind gleich 96 Prozent, von dem wir keine Ahnung haben, was es ist. Aber wir wissen ganz genau, dass es 96 Prozent sind. Aber wir wissen nicht, was es ist.

Das ist das Ergebnis von 100 Jahren intensiver Forschung, Beobachtung, Computersimulationen, angestellt von Astronomen, Physikern, Astrophysikern. Die einzige Möglichkeit, die ich jetzt sehe, dass Sie mir das alles ein bisschen glauben, dass es das gibt und dass das tatsächlich so ist, - die einzige Möglichkeit ist, dass ich Ihnen einfach die Kosmologie von Anfang an ein bisschen erzähle. Anders glaube ich, geht es nicht. Über Dunkle Materie und Dunkle Energie kann ich nicht reden, weil ich nicht weiß, was es ist. Eigentlich kann ich jetzt aufhören und sagen in 20 Jahren, dann weiß man es, dann melde ich mich wieder an, dann bin ich zwar uralt, aber dann erzähle ich Ihnen, was es ist.

Teleskope und Computer

Stellen Sie sich mal vor, Sie stellen sich in einer klaren Nacht hinaus und blicken in den Himmel. Am besten natürlich nicht unter einer Straßenlaterne, sondern dort, wo es schön dunkel ist und dann blikken Sie hoch, und was sehen Sie da? Sie sehen vielleicht eine Reihe Planeten: Venus, Jupiter, Mars. Sie sehen ein paar Tausend Sterne. Sie sehen unsere Milchstraße, Sie sehen Nebelfleckchen. Am Südhimmel sehen Sie die schöne, große Magellansche Wolke. In der nördlichen Hemisphäre sehen Sie den Andromeda Nebel. Gut, das ist aber eigentlich auch schon alles.

Inzwischen haben wir Astrophysiker und Physiker Fernrohre und Detektoren entwickelt, die ungeheuer viel empfindlicher sind als unsere Augen. Also beispielsweise im optischen Bereich. Wenn Sie ein richtig schönes großes Teleskop nehmen, mit einem 8 Meter Spiegel oder das Hubble Space Teleskop in der Umlaufbahn mit seinem 2,40 Meter Spiegel. Dazu nehmen Sie diese CCD-Chips, das sind die, die Sie in Ihrer Digitalkamera haben, bloß noch ein bisschen besser. Die werden runtergekühlt, damit das thermische Rauschen weg ist. Die haben eine ungeheure Genauigkeit. Da kann man praktisch mit 90-prozentiger Wahrscheinlichkeit die einzelnen Photonen nachweisen.

So ein Fernrohr, das ist etwa 10 bis 100 Milliarden Mal empfindlicher als unser Auge. Sie können also Objekte sehen, die 10, 100 Milliarden Mal schwächer leuchten, als die Dinge, die wir mit dem Auge sehen.

Wir können aber nicht nur im Optischen schwache Objekte sehen, also ein Streichholz auf dem Mond, das ist für uns gar kein Problem. Wir können auch das gesamte elektromagnetische Spektrum abtasten, von Radiowellen über Mikrowellen, über Infrarot im optischen Bereich, Ultraviolett- bis Röntgen- oder Gammastrahlen. Wir können 22 Größenordnungen des elektromagnetischen Spektrums mit unseren Detektoren abdecken. Das liefert natürlich riesige Informationen über den Kosmos. Außerdem, was auch noch sehr schön ist, ich bin ja ein theoretischer Astrophysiker und inzwischen ein Computerfan, es gibt wunderbare Großrechner. Mit denen können wir natürlich riesige Computersimulationen machen. Wir sind jetzt schon bei Rechnern angelangt, die 10 bis 20 Teraflops schaffen, also 10 Billionen Operationen pro Sekunde machen. Wenn Sie so einen Computer, das ist ein Riesending, das ist ein ganzes Haus voll, wenn Sie den vier Wochen rechnen lassen, dann können Sie riesige Simulationen durchführen, die uns von der Theorie her ein gutes Verständnis über Dinge liefern.

Das ist also der Fortschritt. Die guten Detektoren, die guten Fernrohre, die guten Supercomputer. Dank dieses Fortschrittes wissen wir jetzt einfach viel mehr über das Universum, als wenn wir es nur mit dem bloßen Auge ansehen würden.

Galaxien

Wir wissen, dass die großen Bestandteile des Universums die Galaxien sind, Sterneninseln, Sternensysteme, so wie unsere Milchstraße. Das sind Gebilde, die etwa 100.000 Lichtjahre Durchmesser haben. Das heißt, das Licht braucht von einem Ende zum anderen etwa 100.000 Jahre.

Die Galaxien enthalten 100 bis 200 Milliarden Sonnen. Die rotieren um das Zentrum. Unsere Sonne ist eine von diesen 100 Milliarden Sternen. Sie ist etwa 22.000 Lichtjahre vom Zentrum unserer Milchstraße entfernt und läuft in 250 Millionen Jahren einmal um das Zentrum der Milchstraße.

Diese Sterneninseln sind sozusagen die Bausteine, aus denen das Universum im Großen gemacht ist. Der unserer Milchstraße nächste Baustein ist die Magellansche Wolke, die ist 160.000 Lichtjahre entfernt. Da braucht das Licht schon 160.000 Jahre, um dort hin zu kommen. Die Magellansche Galaxie Ist sehr viel kleiner als unsere Milchstraße. Die nächste Galaxie, die von ihrer Struktur und Größe mit unserer Milchstraße vergleichbar ist, das ist der Andromedanebel. Das ist also dieses kleine Fleckchen, das man in einer klaren Winternacht mit dem Auge gerade erkennen kann. Das ist eine Milchstraße, eine Galaxie, eine Spiralgalaxie, die mit 100.000 Lichtjahren Durchmesser und mit 100 Milliarden Sonnenmassen etwa so groß wie unsere ist. Und die ist so weit weg, dass man sie mit dem bloßen Auge gerade noch als kleines Fleckchen am Himmel sieht.

Als man noch nicht so große Fernrohre hatte wie heute, war lange Zeit überhaupt nicht klar, dass dieses Fleckchen vom Andromedanebel nicht zu unserer Milchstraße gehört. Dass das nicht eines von diesen Nebelchen ist oder von den kleinen Sternenansammlungen, die es in unserer Milchstraße gibt. Erst nachdem die größeren Fernrohre zur Verfügung standen, das ist noch gar nicht so lange her, das war Anfang des 19. Jahrhunderts, da wusste man, dieser Punkt ist eine Galaxie, ein eigenes Milchstraßensystem.

Jetzt war eine der großen Fragen, wie weit sind die anderen Galaxien weg? Nun, wenn Sie sich das irgendwie vorstellen wollen: Eine Galaxie ist so groß wie ein Suppenteller, 30 Zentimeter im Durchmesser. Dann sind die nächsten Galaxien drei bis vier Meter entfernt. Das heißt, das Universum besteht aus Suppentellern mit 100 Milliarden Sonnen und 100.000 Lichtjahren Durchmesser, die jeweils drei bis vier Meter voneinander entfernt im Weltall herumschweben. Nicht besonders gleichmäßig verteilt. Das sind sozusagen die großen Bestandteile des Universums.