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Vom Urknall zum Planeten Erde

Wie alles begann ...

Alle Materie auf der Erde stammt aus viel älteren kosmischen Prozessen, und ein Stern, die Sonne, liefert die Energie für das Leben auf der Erde. Wenn wir das Ökosystem Erde wirklich verstehen wollen, müssen wir also bei der Entstehung des Universums anfangen. Und außerdem: schon immer hat die Menschheit nach der Entstehung der Welt gefragt – Schöpfungsmythen waren die erste Antwort; die Astronomie ist die älteste Wissenschaft der Welt.

Kleine Magellan'sche Wolke

Bild des Weltraumteleskops Hubble von einem Bereich der Kleinen Magellan’schen Wolke, in dem sich zahlreiche junge Sterne befinden. Abbildung: NASA, ESA and the Hubble Heritage Team, siehe >> hier.

Am Anfang schuf Gott Himmel und Erde ...

 ... mit diesen Worten beginnt die Bibel, und gibt damit eine mögliche Erklärung für die Entstehung des Kosmos, in dem wir leben. Der Blick in den Sternenhimmel faszinierte die Menschen schon immer; der Sternenhimmel hat schon unsere frühesten Vorfahren angeregt, mythologische Gestalten erkennen zu wollen und Fragen nach seiner Entstehung ausgelöst.

Die älteste überlieferte Antwort der Menschheit auf die Frage nach der Entstehung der Welt sind die verschiedenen Schöpfungsmythen. Gleichzeitig finden sich schon in den ältesten Kulturen eine Einteilung der Zeit und die Entwicklung von Kalendern; mit ihnen ging die Entwicklung der Astronomie einher und machte diese zur Mutter aller Wissenschaften. Unser westliches Weltbild geht dabei auf die alten Griechen zurück: Um 340 v. u. Z. verfasste Aristoteles seine Schrift „Vom Himmel“. Rund 200 Jahre vorher hatte Pythagoras bereits erkannt, dass die Erde eine Kugel war – nur so war zu erklären, dass sie bei Mondfinsternissen immer kreisförmige Schatten wirft und von Schiffen am Horizont zuerst die Segel zu sehen sind. Die meisten Griechen – und Aristoteles - glaubten aber, dass die Erde den Mittelpunkt des Universums darstellt. So erklärte sich, dass alle Dinge zu Boden fielen – für Aristoteles war die Ruhe im Mittelpunkt des Universums der natürliche Zustand eines jeden Objektes auf der Erde. Die Griechen sollten das Bild der Christen von der Welt prägen; und zugleich war es die Basis eines der langlebigsten Bilder des Universums, dem Sphärenmodell des griechischen Astronomen Ptolemäus aus dem 2. Jahrhundert: Die Erde bildete den Mittelpunkt von acht Sphären, die die Himmelkörper trugen. Die Sterne waren fest auf der äußersten Sphäre angeordnet; die Planeten führten dagegen Kreisbahnen auf ihren jeweiligen Sphären aus, die so genannten Epizyklen: Ein kompliziertes Modell mit insgesamt 55 Kreisen war nötig, um die beobachteten Planetenbahnen erklären zu können. Dieses Modell bestimmte fast 1.400 Jahre lang unser Bild des Universums.

Bis zum Jahr 1509: Dann, unter dem Einfluss der Astronomen-Schule von Maragha (im heutigen Nordiran), die Ptolemäus in einer Debatte unter den islamischen Astronomen um das richtige Weltbild gegen die Aristoteles-Anhänger mit Averroës an ihrer Spitze verteidigte, ihn aber physikalisch vereinfachen wollte, entwarf der Amateurastronom Nikolaus Kopernikus zur Deutung des ptolemäischen Kreisgewirrs ein revolutionäres Modell – er rückte die Sonne in den Mittelpunkt des Planetensystems und der Planetenkreise; ließ also die Erde die Sonne umkreisen. Zunächst glaubt kaum jemand an die Idee einer Erde, die sich bewegte: schließlich merkte man nichts von einer Bewegung. Zu den wenigen gehörten jedoch die beiden Astronomen Johannes Kepler und Galileo Galilei. Keppler analysierte die genauen Beobachtungen, die der Astronom Tycho Brahe von den Planetenbahnen gemacht hatte; und stellte fest, dass diese nicht genau kreisförmig sind, sondern eine Ellipsenbahn beschreiben. Außerdem blieb ihre Geschwindigkeit nicht gleich, sondern veränderte sich mit dem Abstand von der Sonne. Damit stimmten die Berechnungen bei Kopernikus’ System auch ohne komplizierte Epizyklen genau mit den Beobachtungen von Brahe überein. Im Jahr 1609, als Kepler seine Ergebnisse veröffentlichte, nutzte Galileo Galilei das soeben erfundene >> Fernrohr, um den Himmel zu beobachten und entdeckte, dass der Jupiter von Monden umkreist wurde – womit er eine kopernikanische Idee bestätigt fand: Nicht alle Himmelskörper mussten die Erde umkreisen. Endgültig überzeugt war er, als er die Venusphasen entdeckte, also einen Übergang von einer schmalen Sichel zur vollen Scheibe: Diese ließen sich nur erklären, wenn die Venus die Sonne umkreiste. Die Ergebnisse von Kepler und Galilei bildeten die Basis für die Arbeiten von Isaac Newton in der zweiten Hälfe des 17. Jahrhunderts: Er benannte die Schwerkraft als Ursache der Planetenbewegung; mit den darauf basierenden Bewegungsgesetzen konnten alle mechanischen Vorgänge exakt berechnet werden, und zwar sowohl auf der Erde als auch im Himmel. Auch das war vorher nicht selbstverständlich: Im Himmel, so dachte man, wirken göttlich oder dämonische Kräfte oder beide, aber Newton zeigte, dass auch dort die Naturgesetze gelten. Sogar das Auftauchen der bis dahin geheimnisvollen Kometen konnte jetzt genau vorhergesagt werden. Damit wurde das Kopernikanische System mit der Sonne im Mittelpunkt der Planeten von den meisten Selbstdenkern akzeptiert; die „Himmelsmechanik“ schien komplett entschlüsselt.

Sie war es nicht. 1864 fasste der englische Physiker James Clerk Maxwell die frühere Forschung über Elektrizität und Magnetismus zusammen und entwickelte die Theorie der >> elektromagnetischen Wellen – die aber stand in Widerspruch zu Newtons Annahmen. Die Lösung dieser Widersprüche fand Albert Einstein Anfang des 20. Jahrhunderts mit seiner Speziellen und Allgemeinen Relativitätstheorie (mehr über die diese Entdeckung im >> Exkurs: Von Newton zu Einsteins Universum).

Die Relativitätstheorie hatte auch Auswirkungen auf unser Verständnis vom Universum. Die Schwerkraft sollte dafür sorgen, dass alle Körper sich gegenseitig anziehen, und auf Dauer müssten daher alle Sterne sich aneinander annähern und das Universum irgendwann ineinanderfallen. Um dieses zu “verhindern”, führte Einstein in seine Gleichungen eine „kosmologische Konstante“ ein, die für eine abstoßende Kraft stand, die die Schwerkraft ausgleichen sollte. Aber bald wies der holländische Astronom Willem de Sitter darauf hin, dass Einsteins Universum keineswegs stabil sein muss. Und der russische Mathematiker Alexander Friedmann beschrieb ein Universum, dass sich ursprünglich ausdehnte und nun – abhängig vom wirklichen Wert der “kosmologischen Konstante” vor einer von drei Möglichkeiten steht: Erstens könnte die Ausdehnung durch die Wirkung der Schwerkraft zum Stillstand kommen und in eine Kontraktion übergehen; zweitens könnte das Universum sich ewig ausdehnen oder drittens könnte die Ausdehnung sich verlangsamen, aber nie ganz zu Ende kommen. (Die Antwort ist bis heute nicht bekannt; sie hängt unter anderem von der noch unbekannten Gesamtmasse des Universums ab.) Friedmanns Gedanken der Ausdehnung dachte der belgische Priester und Kosmologe Georges Lemaître zu Ende: Was sich ausdehnt, muss einmal nahe beieinander gewesen sein; er formulierte 1927 die Idee, dass das ganze Universum aus dem Zerfall eines „Uratoms“ hervorgegangen sei.

Welches theoretische Modell richtig war, musste die Beobachtung der Wirklichkeit entscheiden. Seit Galileis Zeiten waren die Fernrohre immer besser geworden: Die Astronomen hatten neue Planeten entdeckt; es war ihnen gelungen, mit trigonometrischen Berechnungen die Entfernung naher Sterne zu schätzen; die Milchstraße wurde als scheibenförmige Ansammlung von Sternen erkannt. (Uns erscheint sie als helles Band über dem Nachthimmel, da wir aus dem Inneren auf diese Scheibe sehen.) Ein Rätsel waren die teils – wie die Große und Kleine Magellansche Wolke am Südhimmel und der Andromedanebel am Nordhimmel - bereits mit bloßem Auge erkennbaren “Nebel”: Waren diese Gebilde Gaswolken in der Milchstraße, wie die einen glaubten; oder waren sie “Insel-Universen” außerhalb der Milchstraße? Das Rätsel konnte erst gelöst werden, als eine Methode zur Verfügung stand, auch die Entfernung weit entfernt liegender Sterne zu messen. Diese wurde von Henrietta Leavitt unter Nutzung der Cepheiden entdeckt. Cepheiden sind Sterne, deren Helligkeit regelmäßig schwankt; und Leavitt erkannte, dass die Schwankungsperiode mit der Helligkeit zusammenhing. Aus der Periode konnte man also die absolute Helligkeit dieser Sterne ermitteln, und damit auch ihre relative Entfernung voneinander – und nachdem es schließlich einem Team von Astronomen gelang, mit einer Kombination verschiedener Methoden die absolute Entfernung eines Cepheiden zu messen, konnte man auf dieser Basis die absolute Entfernung aller Cepheiden berechnen. 1923 entdeckte der Astronom Edwin Hubble einen Cepheiden im Andromedanebel, und bestimmte die Entfernung mit rund 900.000 Lichtjahren (201): Der “Nebel” lag eindeutig jenseits der Milchstraße, die einen Durchmesser von 100.000 Lichtjahren (202) hat. Damit erwies sich der Andromedanebel als eigenständige Anhäufung von Sternen. Heute nennen wir solche Sternenanhäufungen Galaxie, und unsere Milchstraße, Andromeda und die meisten Nebel sind eine solche Galaxie – einige Nebel erwiesen sich aber auch tatsächlich als Wolken aus Gas und Staub in der Milchstraße (nur diese werden noch heute als Nebel bezeichnet).

Tiefe Blicke ins Weltall: das Teleskop

Nachdem Galileo Galilei erstmals ein Fernrohr eingesetzt hatte, gingen die Forscher – allen voran Galileo selbst – bald daran, dieses neue Instrument zu verbessern. Da größere Linsen nicht zur Verfügung standen, wurden die Fernrohre immer länger, was ihre Handhabung aber immer schwieriger machte. Den Durchbruch brachte das Spiegelteleskop: Statt einer Linse dient ein Hohlspiegel als Objektiv; ein Spiegel konnte von der anderen Seite abgestützt werden und brach daher nicht wie eine Linse unter seinem eigenen Gewicht zusammen, wenn er größer wurde. Mit einem selbstgebauten Spiegelteleskop entdeckte William Herschel im Jahr 1781 den Planeten Uranus, und immer größere Teleskope erlaubten immer tiefere Einblicke ins Weltall.

Die Entdeckungen von Edwin Hubble etwa wären ohne die optischen Leistungen des 2,5-Meter Spiegels am Mount-Wilson-Observatorium nicht möglich gewesen. Heute verfügen die größten Spiegelteleskope über 10-Meter-Spiegel; die genaue Formgebung der Spiegel ist extrem schwierig (und damit teuer). Mittels einer “adaptiven Optik” werden heute sogar die Verzerrungen durch die Erdatmosphäre aus den Bildern herausgefiltert. Und trotzt aller Schwierigkeiten befinden sich längst noch größere Teleskope in Planung: Das “Giant Magellan” Teleskop soll aus sieben zusammengesetzten 8,4-Meter-Spiegeln bestehen, das “European Extremely Large”-Teleskop einen 39-Meter-Spiegel besitzen (ersteres soll 2022, letzteres 2024 in Betrieb gehen). Und in den Visionen der Wissenschaftler entstehen längst erste Teleskope auf der erdabgewandten Mondseite, wo keine Atmosphäre und Lichtverschmutzung die Sicht ins Weltall trübt.

Neben Teleskopen nutzen die Astronomen aber auch praktisch alle anderen, nicht sichtbaren Wellenlängen der elektromagnetischen Strahlung: Von den Radiowellen über Mikrowellen und Infrarotstrahlung bis hin zu Röntgen- und Gammastrahlen. Ab 2018 soll das James Webb Space Telescope, dessen Hauptspiegel Infrarotstrahlung absorbiert, auf der sonnenabgewandten Seite der Erde nach dem Licht der ersten Sterne und Galaxien suchen.

Edward Hubble sollte auch die nächste bahnbrechende Entdeckung machen, diesmal unter Nutzung einer Erkenntnis des englischen Forscherehepaares Huggins: Die Huggins hatten erkannt, dass man aus der Untersuchung des Lichts eines Sternes auch bestimmen kann, wie schnell dieser sich auf die Erde zu- oder von ihr wegbewegt. Sie nutzten dazu den Dopplereffekt: der österreichische Physiker Doppler hatte 1842 gezeigt, dass bewegte Körper Wellen beeinflussen, die sie aussenden: In Bewegungsrichtung werden die Wellen zusammengedrückt, hinter dem Körper auseinander gezogen. (Diesen Effekt kann man gut bei Formel-1-Rennen im Fernsehen beobachten: Herannahende Rennwagen haben einen hohen Ton – zusammengedrückte Schallwellen –, wegfahrende einen tiefen – auseinander gezogene Schallwellen.) Da auch Licht eine Welle ist, kann man auseinander gezogene Lichtwellen als „Rotverschiebung“ erkennen (wenn Licht längerwellig wird, nehmen die Rotanteile zu); mehr noch – mit dem Ausmaß der Rotverschiebung kann man direkt die Geschwindigkeit berechnen. Schon 1912 hatte Vesto Slipher entdeckt, dass die meisten Nebel eine solche Rotverschiebung aufweisen. Aber er zweifelte an seinen eigenen Messungen, die ermittelten Geschwindigkeiten schienen ihm viel zu hoch.

1929 griffen Hubble und sein Assistent Humason diese Arbeiten auf. Hubble bestätigte nicht nur die Rotverschiebung, er entdeckte vor allem, dass Entfernung und Geschwindigkeit zusammenhängen: Je weiter eine Galaxie entfernt ist, desto schneller entfernt sie sich von der Erde. Diese Beobachtungen legten den Schluss nahe, dass das Universum sich ausdehnt, und zwar schnell und gleichmäßig in alle Richtungen. Lemaître, dessen Beitrag von den Physikern kaum zur Kenntnis genommen worden war – Einstein hatte ihm auf einer Konferenz in Brüssel gar “scheußliche Physik” bescheinigt –, schrieb erneut an den schon früher von ihm kontaktierten britischen Astronomen Arthur Eddington, der jetzt den Wert der Arbeit von 1927 erkennt, sie ins Englische übersetzt und in einem Brief an die Fachzeitschrift “Nature” auf Lemaîtres Arbeit hinweist. Der Anfang – Lemaîtres „Uratom“ – blieb einstweilen ein Rätsel; die Ausdehnung aber war nachgewiesen. Da sich alle Himmelskörper gleich schnell von der Erde entfernen, die ja nicht der Mittelpunkt des Universums ist, bewegen sich nicht die Galaxien durch den Raum, sondern der Raum selbst dehnt sich aus – daher entfernen sich die Galaxien voneinander. Arthur Eddington erläuterte diese Idee an einem Luftballon mit aufgemalten Punkten: Wenn man diesen aufbläst, entfernen sich auch alle Punkte voneinander; und je weiter die Punkte voneinander entfernt sind, desto mehr entfernen sie sich – genau wie bei Hubbles Beobachtungen. Einstein erkannte 1931 nach einem Besuch bei Hubble die Ausdehnung des Universums an und bezeichnete seine kosmische Konstante als „größte Eselei meines Lebens“. Er erkannte jetzt auch Lemaîtres Physik an und lobte sie als “die wundervollste und befriedigenste Erklärung der Schöpfung, die ich je gehört habe.”

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