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Die Entdeckung des unglaublich großen Makrokosmos

Wenn jeden Tag die Sonne im Osten auf- und im Westen untergeht, wundern wir uns ob dieser Selbstverständlichkeit nicht mehr. Vielleicht nehmen wir noch wahr, dass die Sonne im Winter einen anderen Bogen am Himmel beschreibt als im Sommer. Wir können uns dann fragen, warum das so ist, oder es eben auch als alltägliche Normalität empfinden.

Doch wenn wir nachts an möglichst lichtfernen Orten zum Firmament hinaufschauen, erfüllt uns das unermessliche Sternengefunkel mit ehrfürchtigem Staunen. Nicht anders werden die Gefühle gewesen sein, die die Menschen vor Jahrtausenden überwältigten, wenn sie dieser Pracht gewahr wurden. Einige unter ihnen beobachteten intensiver als andere und stellten fest, dass sich die Sterne im Verlaufe einer Nacht gemeinsam bewegten, auch, dass sich in jeder Jahreszeit der Sternenhimmel anders präsentiert, sich aber nach gewisser Zeit wiederholt, woraus dann das Jahr definiert wurde.

Sie versuchten Ordnung in das großartige Geschehen am Himmel zu bringen, gaben den auffälligsten Sternen Namen und kombinierten Sterne zu Sternbildern, die sie mit ihren Mythen verknüpften.

Es entstanden „Observatorien“ wie zum Beispiel Stonehenge oder Gülül Tepe in der Südtürkei, die wahrscheinlich auch als Verehrungsstätten einer höheren Macht dienten. Es kamen erste Vorstellungen über die Gestalt des Universums auf: Die Erde als Scheibe, darüber ein rundes Gewölbe mit Löchern, durch die das Licht des Jenseits, des Paradieses funkelte. Dann aber die Entdeckung, dass die Erde nicht eine Scheibe, sondern eine Kugel sein musste, ja man brachte es (Eratosthenes von Kyrene um 200 vor Christus) sogar aufgrund erster mathematischer Kenntnisse fertig, die Größe dieser Kugel zu berechnen.

Die Astronomie der Babylonier bis in die Zeit von etwa 1500 nach Christus diente vor allem der Seefahrt (Eroberungen) und der Landwirtschaft (jahreszeitliche Wachstumszyklen). Ähnliches ist von den Maya und den Azteken zu berichten, die auf der Basis ihrer Beobachtungen raffinierte Kalender aufstellten.

Noch bildete die Erde das Zentrum des Universums, um das sich alles drehte; die Sonne, die Planeten („Wandersterne“), der ganze Sternenhimmel. Damit war auch gleichsam legitimiert, die Menschheit als Krone der Schöpfung zu deklarieren. Philosophen wie Aristoteles und Ptolomäus versuchten mit teils weit hergeholten Überlegungen, dieses Konstrukt des menschenzentrierten Universums zu bestätigen.

Ab dem 15. Jahrhundert wurde dieses Weltbild dann aber radikal in Frage gestellt, als das wissenschaftliche, zweckfreie Denken Einzug hielt. Mit Hilfe von Beobachtungen, Mathematik und neuen technischen Hilfsmitteln (Fernrohr!) wurden althergebrachte Vorstellungen revolutionär durch neue abgelöst. Vorerst war es Kopernikus, der nicht mehr die Erde im Zentrum sah, sondern die Sonne, um die sich die Erde mit den anderen Planeten drehte. Ein Abstieg für die selbstbewusste Menschheit?

Die war noch immer nicht beunruhigt. Was Kopernikus herausfand, war vorerst nur ein Thema unter Wissenschaftlern der damaligen Zeit. Bemerkenswert ist, wie sehr der wissenschaftlich denkende Kopernikus noch mit Aberglauben zu tun hatte: Für Wallenstein musste er astrologische Gutachten erstellen und seine Mutter entging nur knapp der Verurteilung als Hexe.

Dann ging es Schlag auf Schlag. Aus den umfangreichen Beobachtungsdaten, die der dänische Astronom Tycho Brahe aufgezeichnet hatte, destillierte Kepler drei bahnbrechende Gesetze der Himmelsmechanik, die aufzeigten, wie sich die Erde und die anderen Planeten um die Sonne bewegten. Galileo Galilei trat auf der Bühne der Astronomen auf. Er trieb die Entwicklung des Fernrohrs voran und entdeckte die vier (heute „galiläisch“ genannten) Jupitermonde Io, Europa, Kallisto sowie Ganymed mit ihrem Tanz um ihren Mutter-Planeten. Jeden Tag eine neue Konstellation mit Verfinsterungen, „Versteck-Spielen“ hinter dem Jupiter und Schattenwurf auf den Planeten beim Transit. Es war wie ein Sonnensystem im Kleinen.

Galilei wurde zusätzlich berühmt, weil er sich mit dem katholischen Klerus in Rom anlegte, dem die neuesten Entdeckungen am Firmament als eine Bedrohung des kirchlichen Weltbildes erschien und die Deutungshoheit der Kurie für alles, was sich am Himmel zeigte, in Frage stellte. Die unselige Auseinandersetzung wurde im Verlaufe der Zeit zum Beweis hochstilisiert, wie dumm sich die offizielle katholische Kirche gegen die Naturwissenschaften anstellte.

Freilich hat die Geschichtsforschung deutliche Nuancen in dieser Auseinandersetzung aufgezeigt und auch Galilei nicht ganz freigesprochen, der seine jesuitischen Widersacher manchmal mit provokanten Formulierungen bis aufs Blut zu reizen verstand und auch Theorien über Erscheinungen der Natur aufstellte, die sich später als ziemlich abenteuerlich erwiesen (zum Beispiel: Kometen seien Erscheinungen der Erdatmosphäre).

Dennoch war diese Auseinandersetzung in vielerlei Hinsicht exemplarisch. Galilei erklärte unter anderem, dass die Bibel nicht wörtlich ausgelegt werden dürfe, was leider sogar bis in unsere Zeit des 21. Jahrhunderts von gewissen Fundamentalisten bestritten wird. Papst Urban VII hielt dagegen: Die vielfältigen von Gott bewirkten Naturerscheinungen würden sich für immer dem beschränkten Verstand der Menschen entziehen. Freilich ließen sich mit dieser Behauptung nicht alle Positionen der Glaubenslehre gegen neue Erkenntnisse der Naturwissenschaft verteidigen, wie die Erfahrung gezeigt hat. Anzumerken ist jedoch auch, dass sich die katholische Kirche nicht völlig von den Naturwissenschaften verabschiedet hat; erwähnt seien das vatikanische Observatorium in Castel Gandolfo, aber auch einige Priester, die bahnbrechende Leistungen im Bereich der Astronomie und der Kosmologie erbracht haben (zum Beispiel der belgische Abbé Lemaitre, der als Begründer der Urknall-Theorie gilt; dann aber auch der Jesuit Teilhard de Chardin, der durch seine Ausgrabungen von Skeletten früher Menschen wichtige Beiträge zur Evolutionsgeschichte lieferte).

Als Galilei 1642 starb, wurde in England Isaac Newton geboren, ein „Riese“ der Naturwissenschaft. Auf der Basis mathematischer Erkenntnisse (u.a. der Infinitesimalrechnung) und der Entdeckung der Gravitation als universelle Kraft schuf er die Grundlagen für die Himmelsmechanik, die heute noch unser Weltbild prägt. Im Zentrum stand die Überlegung, dass jeder Himmelskörper entsprechend seiner Masse eine Anziehung ausübe, die auch auf weiteste Distanzen wirksam sei, eine Überlegung, die er auch in klare mathematische Form zu gießen verstand. Eine besondere Leistung vollbrachte Newton durch die Entwicklung des ersten Spiegelteleskops. Die Lust nach der Erforschung des Sternenhimmels war damit weiter angestachelt.

Einer, der sich dabei besonders hervortat, war der Franzose Charles Messier, dem diverse Objekte auffielen, die kein Punktlicht ausstrahlten, sondern sich wie diffuse Nebel ausnahmen. Über sie erstellte er einen Katalog, dessen „Entschlüsselung“ erst in neuester Zeit gelang. Auf einmal konkretisierten sich die Nebel zu fernen Galaxien, Resten von Sternexplosionen und Molekülwolken mit einer Ausdehnung über Hunderte von Lichtjahren. Den Beobachtungen der damaligen Astronomen kam entgegen, dass ihnen weder Luftverschmutzung noch die Aufhellung der Nacht durch künstliches Licht den Blick zu den Sternen trübte. Man könnte sie heute beneiden …

Natürlich stellte man sich auch die Frage, wieweit die verschiedenen Himmelskörper von der Erde entfernt waren. Anfänglich nahm man an, dass alle Sterne gleich weit von der Erde entfernt seien. Ein heller Stern war dann einfach größer als einer, der schwächer leuchtete. Was aber, wenn die Entfernungen unterschiedlich waren? Dann konnte es sein, dass ein objektiv heller Stern aufgrund seiner großen Entfernung nur schwach leuchtete, weniger als ein naher, kleinerer Stern.

Wie aber konnte man herausfinden, wieweit die Sterne wirklich entfernt waren? Man versuchte dem Problem durch Winkelmessungen aus der euklidischen Geometrie beizukommen. Eine der ersten Methoden war die Parallaxenmessung. Sie ging davon aus, dass ein Stern, der gleichzeitig von zwei weit auseinander befindlichen Astronomen beobachtet wurde, sich vor einem je anderen Sternenhintergrund zeigt (eine Art „Daumensprungmethode“). Daraus ergibt sich ein Winkel, aus dem die Entfernung gemessen werden kann. Die Parallaxen-Methode ist umso ergiebiger, je größer die Entfernung der beiden Beobachtungsstandorte ist (sog. Basislinie). Dazu eignet sich beispielsweise der Durchmesser der Umlaufbahn der Erde um die Sonne. Weit kam man damit nicht, denn die Entfernungen schienen so groß zu sein, dass Winkelmessungen schon bald nicht mehr taugten. Den Astronomen, die mit immer größeren und besseren Teleskopen den Himmel absuchten und fotografierten, kam eine besondere Klasse von Sternen zu Hilfe: Die Cepheiden.

Die Cepheiden sind Riesen-Sterne (vier bis zehn Sonnenmassen), die pulsieren, also periodisch ihre Größe verändern und deshalb in ihrer Helligkeit schwanken. Die Astronomin Henrietta Leavitt entdeckte 1912, dass die Periode der Schwankungen eine enge Beziehung zur Leuchtkraft des Sternes aufweist, je kürzer umso schwächer. Mit dem Ablesen der Helligkeit konnte man nun auf die Entfernung eines solchen Sternes schließen. Mit den entsprechenden Messungen ließ sich unsere Milchstraße ziemlich genau vermessen: Sie ist eine flache Galaxie in Spiralform mit einem Durchmesser von rund 100.000 Lichtjahren (unglaublich: Das Licht braucht mit seiner Geschwindigkeit von 300.000 km/ Sekunde 100.000 Jahre von einem Ende zum anderen!). In ihr wimmeln über 100 Milliarden Sterne.

Unser Sonnensystem befindet sich in rund 28.000 Lichtjahren Entfernung vom Zentrum, ist also eine „Randerscheinung“, kein Zentrum des Universums! Ein neuer Schock für das Selbstbewusstsein der Menschheit. Doch die Marginalisierung ging noch weiter.

Eine der größten Überraschungen war, dass man solche Cepheiden auch im sogenannten Andromeda-Nebel (für Messier war das nur ein verschwommenes, nebelartiges Gebilde) fand, den man übrigens in klaren Nächten mit bloßem Auge sehen kann. Damit zeigte es sich, dass es sich dabei um eine Galaxie in rund 2,4 Millionen Lichtjahren Entfernung handelt, die noch größer als unsere heimische Milchstraße war. Und dann entpuppten sich weitere „Nebel“ als ferne Galaxien, auch sie mit Cepheiden bestückt und abermals weitere Millionen Lichtjahre entfernt.

Die Astronomen massen derart große Distanzen im Universum aus, dass die Cepheiden als „Standardkerzen“ bald ausgedient hatten. Man hangelte sich mit neuen Standards (zum Beispiel Sternexplosionen eines bestimmten Typus) in immer weitere Tiefen des Weltalls, wobei auch neue Technologien (zum Beispiel Weltraumteleskope, Satelliten, Raumsonden) zum Einsatz kamen und immer noch kommen. Nun war klar: In unserem Universum gibt es Milliarden (!) von Galaxien mit jeweils Milliarden (!) von Sternen bis in Tiefen von über 10 Milliarden Lichtjahre. Und was ist nun mit uns?

Kleine Anmerkung: Mit meinem einfachen Teleskop ist es möglich, bei besten Sichtbedingungen im Sternbild Jungfrau den verschwommenen Nebelflecken zu sehen, der seiner Form wegen als „Sombrero-Nebel“ bezeichnet wird. Dem Katalog der Messier-Objekte gemäß handelt es sich um eine Galaxie mit einer Masse von 800 Milliarden Sonnen, die einen Durchmesser von rund 100.000 Lichtjahren aufweist. Was mir aber beim ersten Entdecken einen kalten Schauer den Rücken hinunterfließen ließ, ist die Entfernung: 35 Millionen Lichtjahre!

Das Licht, das mein Auge traf, wurde also vor 35 Millionen Jahren von dort auf den Weg geschickt. Da waren zwar die Dinosaurier bei uns schon ausgestorben, aber von einer Gattung Mensch war noch weit und breit nichts zu sehen. Der erste menschenähnliche Vorläufer trat erst vor etwa 3.5 Millionen Jahren auf. „Mein“ Lichtstrahl von der „Sombrero-Galaxie“ hatte da schon 90 % seines Weges zu mir hinter sich. Man könnte noch viele andere Vergleiche heranziehen, um zu erleben, wie die Dimension des Weltalls unser Vorstellungsvermögen sprengt.

Gleichermaßen ist es die zeitliche Dimension, die uns erschrecken lässt. Was sind schon unsere mit mehr oder weniger Vitalität verbrachten – sagen wir mal – 100 Lebensjahre im Vergleich mit der bisherigen Lebenszeit unseres Sonnensystems (4,5 Milliarden Jahre) oder unserer Milchstraße (12 Milliarden Jahre)?

Oder wagen wir uns an einen anderen Vergleich: Nehmen wir wiederum an, dass wir ein Leben von 100 Jahren geschenkt erhalten. Legen wir das auf die Entfernung der Andromeda-Galaxie von 2,4 Millionen Lichtjahren. Dann heißt das, dass 24.000 unserer (aneinandergereihter) Leben vergehen, bis ein von Andromeda ausgesandter Lichtimpuls bei uns eintrifft!

Versuchen Sie, sich das einmal zu vergegenwärtigen, wenn Sie an stillem Ort bei klarem Nachthimmel in das Sternengefunkel hinaufblicken und sich vorzustellen versuchen, was da über ihnen abläuft. Schämen Sie sich nicht, wenn Sie dann von starken Gefühlen ergriffen werden; hochdotierten Wissenschaftlern ist es nicht anders ergangen.

Konklusion 1: Die ursprüngliche Vorstellung, dass die Erde – und wir mit ihr – im Zentrum des Universums stünde, ist völlig falsch. Wir sind äußerst unscheinbar am Rande einer ganz gewöhnlichen Galaxie angesiedelt, die ihrerseits nur eine unter Milliarden von Galaxien ist! Ein Stäubchen, ein beinahe Nichts!

Und die Dauer unseres Lebens ist im großen Geschehen des Universums kaum mit einem Wimpernschlag zu vergleichen.

Sind wir dann noch bedeutsam, sinnvoll im ganzen Schöpfungsgeschehen?

Die moderne Astronomie ist eine unglaublich faszinierende Wissenschaft, die laufend neue Phänomene entdeckt und in Verbindung mit anderen Wissenszweigen wie Quantenphysik, Biologie, Optik, mathematischen Simulationen – und nicht zuletzt ganz bedeutend auch Philosophie zu einer allumfassenden Kosmologie, der Lehre über den ganzen Kosmos, geworden ist. Dabei wurden nicht nur ruhig ihre Bahnen dahinziehende Sterne und Planeten erforscht, sondern Exoten in verschiedenen Lebensaltern entdeckt, von denen ich einige in aller Kürze schildern möchte:

 Rote Riesen: Das sind Sterne mit maximal der zweifachen Masse unserer Sonne, denen der Brennstoff allmählich ausgeht, worauf sie sich bis zu 100-mal ihrer Ursprungsgröße ausdehnen. Bei der Sonne nimmt man an, dass das erst in einer Zeit später als 5 Milliarden Jahre geschieht. Auf jeden Fall wird dann kein Leben mehr auf der Erde möglich sein. Im Endstadium stoßen diese Riesensterne ihre äußere Hülle ab, die sich dann als sogenannte planetarische Nebel, wovon es wunderschöne Fotos gibt, im Weltall ausdehnen. Der Kern kollabiert zu einem „Weißen Zwerg“, der über Jahrmillionen schließlich auskühlt.

 Supernovas und Neutronensterne: Sterne, die eine wesentlich größere Masse als unsere Sonne aufweisen, werden nach Verbrauch aller Brennstoffe als Supernova explodieren. Der Kern kollabiert dann zu einem schnell rotierenden Neutronenstern, in dem die verbleibende Masse zusammengedrückt wird (zum Beispiel Sonnenmasse auf Erdgröße). Die Trümmer dieser Explosion werden mit ungeheurer Wucht ins Weltall hinausgeschleudert und sind heute als bizarre Gebilde in Teleskopen zu sehen.Im Jahre 1054 wurde eine solche Supernova, die über Tage selbst die Sonne überstrahlt haben soll, in China aufgezeichnet. Ihr Rest ist heute als verfranster Krebsnebel zu sehen. Von größter Wichtigkeit ist für uns jedoch die Tatsache, dass in diesen Sternexplosionen mit ihren gewaltigen Kräften alle Elemente höher als Eisen entstehen. Diese Elemente werden im Weltraum verteilt und finden sich in riesigen Wolken interstellarer Materie. Diese Materie ballt sich da und dort zusammen, worauf bei genügender Dichte neue Sonnen zünden, in deren Umfeld Planeten entstehen. Das heißt konkret: Die meisten Elemente aus denen wir bestehen, stammen aus solchen Sternexplosionen. Zu Recht sagt man: Wir sind Sternenstaub!

 Braune Zwerge: Einige Verdichtungen interstellaren Staubes sind zu schwach, um eine neue Sonne hervorzubringen. Sie bringen es nur zu einem matten Glühen, weshalb man sie als „Braune Zwerge“ bezeichnet. Ihre Zahl soll viel größer sein, als jene der zu Sonnen gewordenen Sterne. Neuerdings misst man ihnen eine große Rolle bei der Entstehung von Leben zu. Auch wenn sie nicht zu Sonnen wurden, bildeten sich in ihrem Umfeld Planeten, die zum Teil günstige Bedingungen zur Entstehung und Entwicklung von Leben aufweisen können.

 Schwarze Löcher: Ist eine Sternmasse groß genug, kollabiert beim Explodieren der Kern des Sterns beinahe endlos. Die Kräfte des Zusammenballens sind dann so groß, dass nicht einmal Licht entweichen kann, mit der Folge, dass dieser Materieklumpen nicht mehr sichtbar ist. Je größer er ist, umso mehr zieht er durch die Gravitation Materie an sich. Immer mehr Sterne werden von so einem „Ungeheuer“ verschluckt, das selber zu immenser Größe anwachsen kann. Im Zentrum unserer Milchstraße existiert ein solch riesiges „Schwarzes Loch“. In anderen Galaxien ebenso. Die Physiker zerbrechen sich den Kopf, was sich dort im Innern abspielt.

 Gravitationslinsen: In „Schwarzen Löchern“ ballt sich ungeheuer viel Materie. Dementsprechend ist auch deren Anziehungskraft riesengroß. Einstein hat postuliert, dass Licht von Materie abgelenkt wird. Das ist eigentlich nicht ganz richtig, denn nach seiner Entdeckung verbiegt Materie den Raum, sodass gerade Lichtstrahlen krumme Bahnen laufen. Das erlaubt, hinter ferne Galaxien zu sehen.Das Licht noch weiter entfernter Galaxien läuft also quasi um die Galaxie im Vordergrund herum. Wenn sich die Hintergrundgalaxie von unserem Standort aus gesehen direkt hinter jener im Vordergrund befindet, ergeben sich sogar ringförmig mehrere Abbilder um die Galaxie im Vordergrund, sogenannte „Einstein-Ringe“. Damit lassen sich sehr weit entfernte Objekte erforschen.

 Quasare: In extremen Distanzen hat man überaus helle Objekte gefunden, die zwar wie Sterne leuchteten, aber so weit entfernt waren, dass ihr Licht eine andere Quelle haben musste (deshalb: Quasi stellare Objekte = Quasare). Nach heutiger Erkenntnis gibt es keine andere Erklärung, als dass sich in diesen Galaxien ein supermassives „Schwarzes Loch“ befinden muss, um das eine riesige Scheibe von Materie kreist, die durch die Energie des „Schwarzen Loches“ gewaltig aufgeheizt und zu einem Leuchten gebracht wird, das die ganze Galaxie überstrahlt.

Wer noch mehr exotische Phänomene des Universums kennen lernen will, kann sich an Starbursts, Kollisionen von Galaxien, Kugelhaufen, Gammablitzen, Gravitationswellen etc. wundern.

Konklusion 2: Im Weltall spielen sich unglaubliche Vorgänge ab, die uns immer wieder größtes Staunen abnötigen. Die wohl wichtigste Entdeckung dabei ist die Tatsache, dass durch das Werden und Vergehen (Sterne – Supernovae – Entstehung aller chemischen Elemente – Molekülwolken – Kondensierung zu Sternen mit Planeten) letztlich auch unser Leben möglich wurde. Wir haben in unserem Körper „Sternenstaub“ zu Hauf. Damit sind wir hineingenommen in das ganz große Werden und Vergehen des Unversums.