Der Himmel über La Palma, von Klaus Fuhrmann

Anders als vermutet

Das immer wieder faszinierende an den Naturwissenschaften ist, daß nicht wenige Phänomene oder Beobachtungen, die eigentlich zunächst unmittelbar klar und einleuchtend zu sein scheinen, auf der Basis einer tieferen Erkenntnis auf einmal alles andere als verständlich sind. In der Astrophysik gibt es hierzu ein ganz berühmtes Beispiel, von dem Sie vielleicht auch schon einmal gehört haben, nämlich die Frage, warum der Himmel des Nachts eigentlich dunkel ist.

Warum es tagsüber auf der Erde hell ist, hängt sicher irgendwie mit der Sonne zusammen, darüber brauchen wir uns also nicht zu unterhalten. Geht die Sonne dann am Abend unter, so scheint es genauso einleuchtend, daß es nun dunkel werden muß, da dieser "Strahler" jetzt fehlt. Ist der Mond zu diesem Zeitpunkt bereits aufgegangen, so sind die Nächte zwar etwas heller, aber der Mond reflektiert ja bekanntlich nur das Sonnenlicht. Würde man also die Sonne nachts komplett "ausknipsen", so wäre auch der Mond nicht mehr zu sehen. Und die Sterne? Man braucht ja nur hinzuschauen: schon auf Grund ihrer großen Entfernung können sie doch nur kleine Lichtpünktchen sein und mit ihrer Helligkeit praktisch gar nicht beitragen.

Oder haben Sie schon einmal jemanden klagen hören, daß die hell leuchtende Milchstraße einen erholsamen Schlaf des Nachts nicht zuließ? Es ist ja doch genau anders herum: nur an eher wenigen Orten, wie hier auf La Palma, wo die Nächte besonders dunkel sind, haben wir überhaupt eine Chance die Milchstraße in ihrer vollen Schönheit zu erkennen.

Und dennoch, schon vor über 300 Jahren begann in der Astronomie der dunkle Nachthimmel zum Problem zu werden. Fast durchweg erntet man aber auch noch heute ungläubige Blicke, wenn man erzählt, daß es erst seit 1965 eine für die Naturwissenschaft zufriedenstellende Antwort gibt, warum es nachts eigentlich dunkel ist.

Was machte aber die unmittelbare Erfahrung des dunkel Werdens bei untergehender Sonne zum Problem? Die unbequeme Frage war die folgende: "Wenn das Universum unendlich groß ist, ist es dann für eine Unterscheidung zwischen Tag oder Nacht eigentlich nicht egal, ob die Sonne nun am Himmel steht oder nicht? Müßten im Grunde nicht auch die Sterne einen so großen Anteil am Licht haben, daß es auch des Nachts taghell sein müßte?"

Doch nun regt sich der Widerstand ob dieser ketzerischen Fragen. Nein, so etwas wollen wir gar nicht hören bzw. lesen. War nicht gerade eben noch betont worden, daß die Sterne viel zu weit weg sind, als daß sie überhaupt einen merklichen Beitrag abliefern können?

Gewiß, das ist richtig, es war ja auch so schön anschaulich und einleuchtend...

Warum gibt es nun genau hier ein Problem? Um einen ersten wichtigen Punkt zu verstehen, gehen wir hinaus auf eine Wiese und betrachten in Abbildung 1 drei verschiedene "Sternfelder", hier repräsentiert durch einfache Stühle. Jeder der gezeigten Hocker soll einen Stern, bzw. dessen für uns sichtbare Sternscheibe darstellen. In der linken Teilabbildung erkennen wir zunächst nur einen Hocker bzw. "Stern" in einer bestimmten Entfernung. In der mittleren Teilabbildung ist die Entfernung zu den nun vier "Sternen" verdoppelt, in der rechten Teilabbildung schließlich haben wir neun Stühle bzw. "Sterne", diesmal allerdings in der dreifachen Entfernung gegenüber dem einzelnen "Stern" in der linken Teilabbildung. Vergleicht man nun alle drei Teilabbildungen miteinander, so stellt man unmittelbar fest, daß in allen drei Fällen, der von den "Sternen" ausgefüllte Raum derselbe ist.

Abbildung 1: Simulation eines Sternenhimmels - hier in Form von Stühlen. Die in der Mitte gezeigten vier Hocker haben den doppelten Abstand im Vergleich zu dem einzelnen Hocker in der linken Teilabbildung. Die neun Hocker rechts haben den dreifachen Abstand zu dem einzelnen Hocker. In allen drei Fällen erfüllen die Hocker aber einen gleichgroßen Winkel bzw. eine gleichgroße Fläche. Denken wir uns die Hocker als "Sterne", so würden wir also in jedem Fall die gleiche Lichtmenge zugestrahlt bekommen.

Wenn Sie die Wand Ihres Hauses des Nachts anstrahlen möchten, so können Sie obiges Experiment auch selbst durchführen. Ein 100 W Strahler aus 10 Meter Entfernung auf die Haustür gerichtet, erreicht den gleichen Effekt wie neun 100 W Strahler aus 30 Meter Entfernung. "Aber es ist mit 9 Strahlern doch insgesamt heller", werden Sie vielleicht einwenden. Richtig, aber man kann auch mit 10000 Strahlern aus einem Kilometer Entfernung (!) die ganze Umgebung erleuchten (wenn es keinen Ärger mit den Nachbarn gibt), die Beleuchtungsstärke an der Haustür bleibt jedoch immer dieselbe.

Wenn man also - und das war die seinerzeit entscheidende Erkenntnis - zu jedem Stern einen benachbarten Stern findet, so könnten alle diese den Nachthimmel komplett ausfüllen und die Nacht zum Tag machen. In einem unendlich großen Universum würde man immer - wie in Abbildung 1 zu jedem Hocker - einen Stern finden, der jeden noch so kleinen Raum stets ausfüllen würde. Am Ende bräuchte man vielleicht gar kein unendlich großes Universum, wenn die Sterne nur dicht genug am Himmel stünden. Das wäre dann also der berühmte Wald, den man vor Bäumen nicht mehr sehen kann. So wie dieser keine Durchsicht mehr erlaubt - obwohl kein Wald unendlich groß ist - könnten also die Sterne auch hinreichend dicht beieinander stehen, so daß wir nicht zwischen ihnen hindurchschauen können.

+ Aber was heißt eigentlich "hindurchschauen". Was wollen wir denn da zwischen den Sternen sehen?

Vielleicht vorher noch kurz ein Einwand, der zunächst berechtigt erscheint. Die Sterne besitzen ja keine einheitliche Helligkeit. Im Vergleich zur Sonne sind sie zunächst einmal viel dunkler, weil sie in viel größerer Entfernung stehen. Aber auch wenn man die Sterne alle in eine einheitliche Entfernung aufstellen würde, gäbe es helle und dunkle Sterne. Viele der hellsten Sterne, wären glutrot. Das wären die Roten Riesen. Diese sind also nur deshalb so hell, weil sie einen großen Durchmesser haben. Bezogen auf die Fläche, ist die Sonne als gelber Stern sogar etwas heller. Viele gelbe Sonnen am Nachthimmel, können also einen Roten Riesen mehr als ersetzen. Es gibt also durchaus Unterschiede in der "intrinsischen" oder "spezifischen" Helligkeit der Sterne. Die meisten Objekte, mit denen wir den Himmel aber auszufüllen hätten, wären die kleinen M Sterne oder Roten Zwerge, welche die Milchstraße und auch andere Galaxien in gewaltigen Stückzahlen besitzen. Um diese roten Sterne geht es also im Grunde, wenn wir den Himmel "ausfüllen" möchten.

Doch nun zurück zu der Frage, wohin schauen wir am Himmel, wenn sich uns kein Stern in den Weg stellt? Generell und prinzipiell natürlich immer in die Raumzeit. Schon für die Sonne, hatten wir vor Monaten ausgerechnet, daß diese ihr Licht aus so großer Entfernung aussendet, daß es nicht weniger als 8 Minuten dauert, bis dieses bei uns ankommt. Das sich mit 300000 Kilometer pro Sekunde (!) ausbreitende Licht braucht also, wegen der gewaltigen Entfernung Erde-Sonne (=150 Millionen Kilometer), dennoch eine bereits beträchtliche Zeit zu uns. Für die nächsten Sterne sind die Entfernungen dann sogar Lichtjahre, der Blick in den Raum also noch mehr auch der Blick in die Vergangenheit. Die Galaxien der "Lokalen Gruppe" (Aug-2007) haben bereits Entfernungen von Millionen von Lichtjahren und blicken wir noch weiter in den Raum, so erkennen wir Galaxien und Galaxienhaufen, die sich in Milliarden von Lichtjahren befinden!

Wir können also sehr gut an den Sternen vorbeischauen - Milliarden von Lichtjahren. Aber schauen wir vielleicht für einen Moment noch nicht an diesen sehr entfernt stehenden Galaxien bzw. Galaxienhaufen vorbei. Betrachtet man diese, so stellt sich nämlich interessanterweise heraus, daß sie alle ausnahmslos in großer Fluchtbewegung zu uns sind. Der Gedanke, dieses könne irgendwie mit uns Menschen zu tun haben, hat durchaus eine gewisse Attraktivität, erweist bei näherer Betrachtung aber als nicht haltbar. Darüber hinaus ist zu erwähnen, daß kleinere Verbände, wie etwa die oben erwähnte Lokale Gruppe, doch beieinander bleiben bzw. eventuell sogar miteinander verschmelzen. Die beobachtbare Expansion der Galaxien findet also "nur" im Großen statt, also erst wenn die Entfernungen zueinander Hunderte Millionen oder gar Milliarden Lichtjahre betragen.

Und hier, so die Vorstellung, spielt es gar keine Rolle von welcher Galaxie aus wir zuschauen. Der Anblick sich voneinander entfernender Galaxienhaufen ist wohl auch von jedem anderen Beobachtungspunkt im Universum praktisch derselbe. Mit anderen Worten, das Universum geht auseinander, bläht sich auf wie ein Hefeteig, und die Geschwindigkeit dieser Expansion ist umso größer je größer der Abstand zu den Galaxien bzw. Galaxienhaufen selbst ist. Letzterer Effekt läßt sich bekanntermaßen sehr gut mit Luftballons simulieren, auf welche man kleine Punkte oder Galaxien aufmalt. Beim Aufblasen entfernen sich diese voneinander, und zwar umso schneller je größer der jeweilige Abstand zueinander ist.

Diese im Falle echter Galaxien nun zuerst von Edwin Hubble in den 1920er Jahren gemachte Entdeckung, wurde über den Doppler-Effekt erzielt. Wir erinnern uns (März-2007), daß die Geschwindigkeit eines Sterns auf uns zu oder von uns weg über den Doppler-Effekt aus der Verschiebung seiner Spektrallinien gemessen werden kann. Eine Verschiebung der Linien zu kurzwelligerem Licht, also nach "blau" - wie man sagt, bedeutet Annäherung. Geht die Verschiebung zu langwelligerem Licht, also nach "rot", entfernt sich der Stern von uns.

Nun kann man aber nicht nur Sterne mit einem Spektrographen beobachten, sondern natürlich auch ganze Galaxien. Hubble fiel nun auf, daß alle Galaxien, die in großer Entfernung zu uns stehen eine spektrale Rotverschiebung besitzen, sich also von uns entfernen. Und mehr noch, die besonders lichtschwachen und offensichtlich am weitesten entfernten Galaxien besaßen stets die größte Rotverschiebung.

Hierzu ist folgendes wichtig zu wissen: während die Rotverschiebungen der Sterne in unserer Milchstraße zumeist genaue Messungen erfordern und nur selten mehr als 100 km/s betragen, zeigen entfernt stehende Galaxien gewaltige Rotverschiebungen, die sozusagen schon beim direkten Anschauen eines Spektrums ins Auge stechen. Schließlich werden die hier beobachtbaren Beträge so groß, daß Spektrallinien aus dem sichtbaren bis hin ins infrarote Licht verschoben werden! Im sichtbaren Licht findet man nun also sozusagen das ultraviolette Spektrum der Galaxie. Will man hingegen das eher vertraute "sichtbare" Spektrum erhalten, so braucht man jetzt einen Infrarot-Spektrographen. Übersetzt man den gemessenen Doppler-Effekt in Geschwindigkeiten, so erhält man für die entfernt stehenden Galaxien Beträge, die sich bereits der Lichtgeschwindigkeit, also 300000 km/s annähern!

Für die immer weiter entfernt stehenden Galaxien schauen wir aber auch immer weiter in die Vergangenheit und schließlich sogar soweit, daß wir den Galaxien bei der Geburt zusehen! Wenn, wie wir von Hubble lernen, sich das Universum ausdehnt, so sollte es irgendwann einmal ganz dicht gewesen sein. Das ist die Idee des "Urknalls". Es gab also für unser Universum einen Anfang, gefolgt von einer Expansion. Je weiter wir in den Raum schauen, umso weiter schauen wir in die Vergangenheit und umso näher kommen wir also an diesen alles entscheidenden Urknall heran. Aber was sehen wir da?

Bei unserem Versuch an den Sternen vorbeizuschauen, sind wir auf große Galaxien und Galaxienhaufen gestoßen. Je tiefer wir in den Raum geschaut haben, umso schneller haben sich diese von uns wegbewegt. Je tiefer wir in den Raum geschaut haben, umso jünger präsentierten sich diese Galaxien unseren Teleskopen. Längst müssen wir viele Informationen aus dem infraroten Licht ablesen und auch mit den größten Teleskopen lassen sich viele Details jetzt nicht mehr auflösen. Aber wenn wir dann noch etwas weiter schauen möchten wird es schließlich rabenschwarz.

Haben wir jetzt vielleicht einen Punkt erreicht, an dem es noch gar keine Galaxien gab? Schauen wir jetzt auf den Urknall?

Um besser zu verstehen, was wir jetzt sehen bzw. erwarten können, gehen wir nun genau anders herum vom Urknall aus. Da war also alles zunächst extrem dicht und extrem heiß. Dann ging alles in dieser Urexplosion auseinander und kühlte sich ab. Galaxien und Sterne gab es in dieser ersten Phase natürlich noch nicht. Dieses ganz junge Universum bestand praktisch zunächst nur aus den Elementen Wasserstoff und Helium. Aber auch diese beiden hatten noch nicht ihr heutiges Aussehen: auf Grund der noch immer extrem hohen Temperaturen konnten die Atomkerne die Elektronen nicht festhalten. Sie erinnern sich vielleicht, daß ein Wasserstoffatom aus einem positiv geladenen und winzigen Atomkern, dem Proton, besteht. Um dieses kreist ein noch winzigeres negativ geladenes Elektron. Beide zusammen sind dann bereits relativ "groß" und bilden dann das sogenannte Atom.

Bei Temperaturen oberhalb von 3000 Grad kann nun das Proton sein Elektron nicht halten. Die Elementarteilchen schwirren praktisch frei umeinander und bilden das, was man in der Physik ein Plasma nennt. Im Inneren der Sterne zum Beispiel haben wir diese Zustände. Die Sterne "backen" zwar die Elemente zusammen. Atomkerne und Elektronen sind jedoch zunächst als solche "frei verfügbar". Erst wenn der Stern als Roter Riese ein Teil seiner Masse an den Weltraum abgibt oder gar in einer Supernova Explosion endet, können die so entlassenen Atomkerne und Elektronen und nach hinreichender Abkühlung zueinander finden.

Im jungen Universum geht man davon aus, daß etwa 300000 Jahre nach dem Urknall die Temperaturen bis auf etwa 3000 Grad abgesunken waren und ab diesem Punkt die Elektronen auch nicht mehr "tun und lassen konnten was sie wollten", sondern die Bildung der normalen Atome einsetzte. Das aber war der entscheidende Punkt für die ebenfalls in großer Menge vorhandenen Lichtteilchen, die Photonen. Bislang sahen sie sich stets vielen Zusammenstößen mit den freien Elektronen ausgesetzt. Letztere waren aber jetzt an ihre Atome gebunden.

Das Motto der Photonen hieß nun "Wir haben den Weg frei." und als solche erreichen sie bis zum heutigen Tage die Teleskope auf dem Roque, genauso aber auch den einfachen Betrachter des Nachthimmels und vor allem da, wo es besonders dunkel ist.

Da diese Lichtteilchen aus der frühen Phase des Universums - 300000 Jahre nach dem Urknall und somit noch weit vor der ersten Galaxienbildung - stammen, haben sie aber auch eine enorme Rotverschiebung. Schon wenige Jahre nachdem Hubble seine sensationelle Entdeckung gemacht hatte, gab es daher die Vorhersage, daß diesen freien Photonen in Form einer allgemeinen, den gesamten Nachthimmel erfüllenden Hintergrundstrahlung, beobachtbar sein müssten. Und zwar - und das war vor allem bemerkenswert - die Rotverschiebung sollte so extrem sein, daß alles Licht nicht nur bis ins Infrarote verschoben war, sondern sogar bis in den noch energieärmeren Radiowellenbereich. Die ursprünglich 3000 Grad heiße Strahlung erhielt so also eine Verschiebung die nur noch einer 3 Grad kalten Radiostrahlung entsprechen sollte. Wichtig zu erwähnen ist, daß wir hier von der Maßeinheit Kelvin sprechen: 3 Grad Kelvin! Das heißt also nur 3 Grad über dem absoluten Nullpunkt, also -270 Grad Celsius.

Diese Strahlung war also extrem kalt, für unsere Augen unbeobachtbar also quasi "schwarz" und nur mit den damals aufkommenden Radioteleskopen überhaupt zu beobachten. Wie so oft in der Wissenschaft gab es aber das Problem des Informationsaustausches zwischen Theoretikern und Beobachtern, und so dauerte es von 1946 bis 1965, also noch weitere 20 Jahre, bis die vorhergesagte sogenannte "Kosmische Hintergrundstrahlung" auch wirklich gefunden wurde. Allerdings geschah auch diese Entdeckung nicht gezielt, sondern rein zufällig. Die gefundenen Radiosignale waren sogar ganz im Gegenteil störend bzw. unerwünscht, und ihre Beobachter hatten auch gar keine Erklärung für das, was sie da "entdeckt" hatten. Erst der Austausch mit anderen Kollegen und deren unmittelbare "Betroffenheit" verriet ihnen, daß sie da an etwas ganz fundamental Wichtigem dran waren…

Aber was bedeutet diese Entdeckung für unsere Frage nach dem dunklen Nachthimmel? Das endliche Alter des Universums und die Tatsache, daß der Blick in den Raum auch immer den Blick in die Vergangenheit darstellt, läßt uns stets an Grenzen stoßen. Der tiefste Blick ist der auf die 3000 Grad heiße "Wand" aus dem jungen Universum, eine Wand, die aber wegen der extremen Rotverschiebung zu einer 3 Grad kalten Radiostrahlung "degradiert" ist.

Unsere Augen können diese, den gesamten Himmel erfüllende Strahlung nicht mehr erkennen. Daß es vor unseren Augen nachts schwarz wird, erzählt uns aber von einem jungen, heißen und expandierenden Universum. Und dieser tiefste Blick in das Universum ist einer, für den wir nicht einmal ein Teleskop benötigen.

Das schöne an der Geschichte: für frühere Generationen war es sicher überhaupt kein Thema, warum es nachts dunkel wurde. Das unmittelbare Anschauungsmaterial - die untergehende und somit fehlende Sonne - war eine plausible Erklärung. Und diese Beobachtung ist auch für die überwiegende Zahl der Menschen bis zum heutigen Tag DIE Erklärung. Tatsächlich ist es aber so, daß die Naturwissenschaften im Zuge wachsender Erkenntnis und für einen Zeitraum von mehreren hundert Jahren bis in das Jahr 1965 nur mutmaßen konnte, warum es nachts eigentlich dunkel wurde. Und die nun seit gerade einmal 40 Jahren vorliegende Erklärung, läßt gleichzeitig eine grandiose Einsicht in das uns umgebende Universum zu. So führte die "Krise" schließlich zu einem tieferen Naturverständnis und ist gleichzeitig ein wunderschönes Beispiel dafür, daß scheinbar einfache Beobachtungen ganz andere Ursachen haben können.

Seit etwa 40 Jahren weiß die Menschheit also, warum es nachts dunkel wird. Schließlich war es dann doch ganz anders als erwartet. Aber jetzt haben wir endlich die Erklärung. Oder etwa doch nicht? Schon morgen könnten wieder neue wichtige Beobachtungen oder Erkenntnisse alles bislang erreichte ins Wanken bringen. Dann könnte die nächste "Krise" ins Haus stehen. Sicher scheint nur, daß, wenn es dazu kommen sollte, eine erneute Lösung einen nur noch tieferen Einblick in die Zusammenhänge der Natur gestatten würde.