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Rätselhafte Expansion

Bei der Recherche hat uns der Astrophysiker NOAM LIBESKIND unterstützt. Am Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam erforscht er das kosmische Galaxiennetzwerk und entwickelt kosmografische Modelle.

Unmittelbar nach dem Urknall wuchs das Universum mit quasi unendlicher Geschwindigkeit. Zu Beginn kleiner als ein Milliardstel Proton, war es bereits nach Sekundenbruchteilen so riesig, dass man eine Eins und etwa hundert Milliarden Nullen bräuchte, um seine Größe in Metern zu beziffern. Noch heute expandiert das Universum, wenn auch viel langsamer als zum Zeitpunkt seiner Geburt vor 13,8 Milliarden Jahren. In der Astrophysik galt lange die Annahme, dass die Expansionsrate immer weiter sinkt. Zur Debatte stand lediglich, ob sie eines Tages unter null fallen und das Universum damit zu schrumpfen beginnen würde, um sich schließlich bis auf einen unendlich kleinen Punkt zusammenzuziehen – in einer Art Anti-Urknall.

Ende der 1990er Jahre bewiesen drei amerikanische Forscher, dass das nicht zutrifft, sondern sich die Expansion des Universums seit etwa vier Milliarden Jahren wieder beschleunigt. Adam Riess, Saul Perlmutter und Brian Schmidt, die für ihre Forschung 2011 mit dem Nobelpreis ausgezeichnet wurden, fanden heraus, dass der Raum jede Sekunde um 73 Kilometer pro Megaparsec expandiert – 1 Megaparsec sind 3,26 Millionen Lichtjahre, rund 31 Billionen Kilometer.

Auch diese Erkenntnis wirft Fragen auf: Denn nach den Gesetzen der Physik dürfte die Expansion 68 Kilometer pro Megaparsec nicht überschreiten. Die Differenz können die Astrophysiker mit den bisherigen kosmologischen Modellen nicht erklären. Sie gehen davon aus, dass es im Universum bislang unentdeckte Kräfte oder Teilchen gibt, die als Expansionsbeschleuniger wirken, sogenannte Dunkle Energie. Sie könnte bis zu 72 Prozent der Masse des Universums ausmachen.

Kosmisches Netz

Bis etwa eine Million Jahre nach dem Urknall war das Universum sehr homogen und die Materie in ihm annähernd gleichmäßig verteilt. Doch kleinste Schwankungen in der Dichte brachten die Dinge in Bewegung: Wo die Dichte minimal höher war, wurde umliegende Materie langsam angezogen. Wo sie geringer war, wanderte immer mehr Materie ab. Je dichter die einen und je leerer die anderen Regionen wurden, desto stärker der Effekt. So entstanden im Laufe der Zeit riesige Materiehaufen, Ansammlungen von etwa Sternen, Planeten und Gasen: die Galaxien, hunderte Milliarden davon.

Andernorts blieben riesige Blasen von Leere zurück, mit einem Durchmesser von bis zu mehreren hundert Millionen Lichtjahren: die Voids. Sie werden von Filamenten durchzogen, faden- und knotenartigen Verbindungen zwischen den Galaxien. In ihnen vermuten Astrophysiker große Mengen Dunkler Materie, die man zwar nicht sehen kann, deren Gravitationskraft sich aber auf die Bewegungen der sichtbaren Materie auswirkt. Vermutlich gibt es etwa fünf- bis sechsmal so viel dunkle wie sichtbare Materie. Dieses dreidimensionale Netz aus Materiehaufen, Voids und Filamenten durchzieht das gesamte Universum und wird von Astrophysikern Cosmic Web genannt.

Rasende Galaxien

Mit einer Gesamtgeschwindigkeit von 600 Kilometern pro Sekunde bewegt sich unsere Heimatgalaxie, die Milchstraße, durch das Cosmic Web. Sie driftet in drei unterschiedliche Richtungen: Mit 100 Kilometern pro Sekunde rauscht sie der 2,5 Millionen Lichtjahre entfernten Andromedagalaxie entgegen. Auch die Gravitationskraft des hunderttausende Galaxien umfassenden Shapley-Superhaufens ist trotz seiner Entfernung von 650 Millionen Lichtjahren groß genug, um uns mit 200 Kilometern pro Sekunde anzuziehen. Noch schneller, mit rund 300 Kilometern pro Sekunde, nähert sich die Milchstraße dem Virgohaufen, einer Ansammlung von etwa 3.000 Galaxien, rund 50 Millionen Lichtjahre weit weg. Andere Galaxien sind noch viel schneller unterwegs: Etwa die zwei Galaxienhaufen des Bullet-Clusters, die mit 4.000 Kilometern pro Sekunde aufeinander zurasen, also mit mehr als einem Prozent der Geschwindigkeit des Lichts, das pro Sekunde knapp 300.000 Kilometer zurücklegt.

Während ihrer Raserei durch das kosmische Netz drehen sich Galaxien auch um sich selbst. Betrachtet man die Milchstraße von der Seite, zeigt sich die flache, scheibenförmige Anordnung ihrer Materie, von Sternen, Planeten und Gas. Sie gehört deshalb zu den Scheibengalaxien. Weil die Erde eher am äußeren Rand der Milchstraße liegt, kreist sie mitsamt dem Sonnensystem mit 250 Kilometern pro Sekunde um das massereiche Galaxiezentrum – und braucht doch 250 Millionen Jahre für eine komplette Umdrehung. Deutlich langsamer rotieren Galaxien, deren Masse kugelförmig angeordnet ist: Bis zu fünf Milliarden Jahre brauchen die Kugelgalaxien, um sich einmal um ihr Zentrum zu drehen.

Auf Kollisionskurs

Milchstraße und Andromedagalaxie bewegen sich noch die nächsten vier Milliarden Jahre aufeinander zu. Dann kollidieren sie. Ihre Sterne und Planeten werden die Kollision allerdings unbeschadet überstehen. Denn obwohl es in beiden Galaxien hunderte Milliarden Sterne gibt, kommen diese sich im Verhältnis nicht näher als zwei fünfzehn Kilometer voneinander entfernte Sandkörner; sie fliegen einfach aneinander vorbei. Der Rest des Raums in den kollidierenden Galaxien ist aber nicht leer, er hat nur eine sehr geringe Dichte. Während auf der Erde in einem Liter Luft Milliarden von Teilchen sind, gibt es in einem Kubikkilometer des scheinbar leeren Weltraums nur eine Handvoll Gasmoleküle. Weil dieser leere Raum aber nun mal so weit ist, hat er trotz seiner niedrigen Dichte insgesamt sehr viel Gas gespeichert.

Teile des zusätzlichen Gases aus der Andromedagalaxie sammeln sich zunächst in der Nähe des Schwarzen Lochs Sagittarius A* im Zentrum der Milchstraße - in Mengen, die selbst das hungrige Schwarze Loch irgendwann nicht mehr aufnehmen kann. Das Gas staut sich langsam, wird durch die Gravitationskraft des Schwarzen Lochs extrem stark zusammengepresst und durch die Reibung der Moleküle so hoch erhitzt, dass es schließlich genug Energie hat, um mit 99-prozentiger Lichtgeschwindigkeit in Form eines Gas-Jets vom Schwarzen Loch weg aus der Milchstraße heraus zu schießen – Billionen Kilometer weit. Diese 10 Millionen Grad heißen Flammenstrahlen können hunderttausendmal so viel Masse besitzen wie unsere Sonne, und wo sie auf Sterne oder Planeten treffen, hinterlassen sie eine Schneise der Verwüstung. Schließlich kühlt das Gas ab und regnet auf die Galaxie herunter. Dort trägt es zur Entstehung neuer Sterne bei.

Planetenkarussell

Mit etwa 107.000 Kilometern pro Stunde kreist die Erde um ihren Stern: die Sonne. Wir Menschen merken davon nichts, weil wir uns mit der Erde bewegen; ganz so, als würden wir mit dem Auto über eine Autobahn rasen. Je näher ein Planet an unserer Sonne ist, desto höher ist seine Umlaufgeschwindigkeit. Schneller als die Erde sind deshalb nur Merkur (ca. 170.000 km/h) und Venus (ca. 126.000 km/h). Am langsamsten ist der äußerste Planet des Sonnensystems: der Gasplanet Neptun (ca. 19.500 km/h). Für eine vollständige Umkreisung der Sonne braucht er fast 165 Jahre. Der Merkur ist ungleich schneller: Er schafft das in 88 Tagen.

Wie alle Planeten im Sonnensystem rotiert die Erde auch um sich selber. Eine Person, die genau am Äquator der Erde steht, dreht sich mit etwa 1.670 Kilometern pro Stunde um den Erdmittelpunkt, 24 Stunden dauert eine Umdrehung. Schneller rotiert der Saturn, obwohl er etwa 95-mal schwerer ist als die Erde: Der Gasriese braucht nur knapp über zehn Stunden für eine Rotation. Eine Besonderheit: Sein Äquator rotiert noch etwas schneller als seine Polregionen.

Viel schneller als die Planeten in unserem Sonnensystem rotieren Pulsare. Sie können entstehen, wenn Sterne ihren Brennstoff aufgebraucht haben und anschließend unter ihrer eigenen Gravitationskraft kollabieren, sodass Elektronen und Protonen zu Neutronen verschmelzen. Die extrem dichten Pulsare drehen sich bis zu 1.000-mal pro Sekunde um sich selber, bis zu 60.000 Kilometer pro Sekunde schnell, also mit 20-prozentiger Lichtgeschwindigkeit.

Men on Mars

Auch menschengemachte Objekte können im All hohe Geschwindigkeiten erreichen. Die 2006 gestartete Raumsonde New Horizons steuerte im Februar 2007 so nah am Jupiter vorbei, dass sie durch den Swing-by um zusätzliche 14.000 auf insgesamt 83.000 Kilometer pro Stunde beschleunigte. Ihr Missionsziel erreichte sie 2015, als sie den Pluto passierte und dabei hochauflösende Bilder von dem Zwergplaneten machte.

Dreimal so schnell, mit rund 250.000 Kilometer pro Stunde, schwenkte die Raumsonde Juno 2016 in die Umlaufbahn des Jupiters ein. Sie sammelt seitdem Daten über die Eigenschaften des Gasriesen. Im Vergleich: Die mittlerweile nicht mehr aktiven Space Shuttles der NASA konnten maximal 28.000 Kilometer pro Stunde zurücklegen.

Die Reise der Astronauten zum Mond, rund 380.000 Kilometer, dauerte während der Mondmissionen drei Tage. Auf dem Erdtrabanten angekommen, ging es dann eher gemächlich zu: Das Lunar Roving Vehicle, ein Anfang der Siebzigerjahre eingesetztes Mondfahrzeug mit Elektroantrieb und Platz für zwei Astronauten, fuhr nicht schneller als 18 Kilometer pro Stunde. Durchschnittlich legte es stündlich 8 Kilometer zurück. Auch die Erforschung des Mars erfordert Geduld. Von 2004 bis 2018 legte Opportunity, ein von der Erde aus ferngesteuerter Mars Exploration Rover, insgesamt nur 44 Kilometer zurück, da er im Zehnsekundentakt anhalten musste, um 20 Sekunden lang seine Umgebung auf Hindernisse abzusuchen. So fuhr Opportunity im Durchschnitt nicht mehr als einen Zentimeter pro Sekunde (0,36 km/h). Nachdem der Rover am 10. Juni 2018 in einen Staubsturm geraten war, wurde kein Signal mehr von ihm empfangen.

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