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(German) Warum ist das Weltall dunkel?

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Es gibt schätzungsweise 100 bis 400 Milliarden Sterne – allein in unserer Galaxie. Und es gibt schätzungsweise 100 bis 200 Milliarden von diesen Galaxien im beobachtbaren Universum. Jeder Fleck des nächtlichen Himmels, den wir betrachten, sollte demnach Tausende, wenn nicht sogar Hunderttausende von Sternen enthalten. Aber warum ist er dann so dunkel?

Aber wo sind sie alle? Warum kann man sie nicht sehen?

Man könnte denken, sie wären einfach zu weit zu weit weg, um sie mit bloßem Auge zu sehen. Bei diesem Argument denken wir an ein Universum, das sich sich unendlich in alle Richtungen ausbreitet, gleich einer Kugel, mit gleichmäßig verteilten Sternen darin.

Aber stellen wir uns stattdessen mal eine gigantische kosmische Zwiebel vor, mit der Erde in ihrem Zentrum und vielen verschiedenen Schichten. Die innersten dieser Schichten sind uns, also der Erde, sehr nah. Wir haben deshalb kein Problem, sie zu sehen. Aber: es sind nicht so viele, also ist die Gesamthelligkeit nicht gerade sehr hoch.

Gut, gehen wir weiter zur nächsten Schicht. Diese Sterne sind schon weiter entfernt und das Licht von ihnen ist nicht so intensiv wie in der ersten Schicht, die der Erde am nächsten ist. Aber moment – dafür sind in der äusseren Schicht ja viel mehr Sterne, da die Ausdehnung dieser Schicht ja auch grösser ist, als die der ersten.

Wenn wir rechnen, finden wir heraus, dass die verringerte Helligkeit aufgrund der Entfernung der Sterne und die erhöhte Helligkeit durch die zusätzlichen Anzahl von Sternen sich genau aufheben, so dass die zweite Schicht genauso hell sein sollte, wie die erste.

Und wenn wir weiter durch die Schichten gehen, ist es immer die gleiche Geschichte: mit jeder Schicht, die weiter von der Erde entfernt ist werden die Sterne schwächer. Aber je größer die Schichten werden, desto mehr Sterne sind in ihnen enthalten. Von der Erde aus gesehen müsste der gesamte Nachthimmel also hell sein, wenn wir unendlich viele Schichten annehmen, oder zumindest sehr, sehr viele davon.

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Das Olbers-Paradoxon

Blockieren Staub und Gas das Licht?

Eigentlich sollte der Nachthimmel dann komplett beleuchtet sein. Aber warum ist es nachts dunkel? Das ist das Paradox des dunklen Nachthimmels, auch bekannt als bekannt als Olbers-Paradoxon. Und es dauerte über 500 Jahre, dieses Paradoxon zu lösen.

Dieses Problem erregte bereits die Aufmerksamkeit eines der berühmtesten Astronomen der Geschichte: Johannes Kepler. Er kam zu der gleichen Schlussfolgerung wie wir gerade. Kepler fragte sich, warum der Himmel dann nachts dunkel ist und zog in Erwägung, dass das Universum vielleicht doch nicht unendlich ist, sondern eigentlich ziemlich klein sein müsse. Vielleicht gäbe es ja deshalb nicht so viele Schichten von Sternen und jenseits von ihnen existiere vielleicht eine dunkle Außenwand, die das Universum umschließt. Das würde die Dunkelheit erklären, die wir sehen.

Inzwischen hatte der Astronom Heinrich Wilhelm Olbers – der Typ, nach dem dieses Paradoxon benannt ist – eine andere Lösung vorgeschlagen. Olbers argumentierte, dass der Raum gefüllt ist mit interstellarem Staub und Gas, die das Licht von weiter entfernten Sternen blockieren. Durchdenken wir das mal eben. Was passiert, wenn etwas sehr heiss ist? Richtig, irgendwann leuchtet es. Gut, man benötigt extrem heiße Temperaturen, damit das passiert.

Aber das Universum existiert bereits seit langer Zeit. Und Licht, das seit Millionen von Jahren ständig auf Gaswolken scheint, würde diese auf extreme Temperaturen aufheizen. Definitiv heiß genug, um zu glühen. Schließlich würden sie mit der gleichen Helligkeit leuchten, wie die Sterne. Die Olberstheorie trägt also auch nicht viel zur Lösung unseres Problems bei.

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Ist das Universum endlich?

Zu jener Zeit waren die Teleskope noch nicht so leistungsfähig.

Also zurück zu Keplers Idee eines kleinen statischen, endlichen Universums mit nicht so vielen vielen Sternen darin. Aber solch ein statisches Universum hätte ein kleines Problem: die Schwerkraft. Die Anziehungskraft zwischen allen Planeten und Sternen würde mit der Zeit dazu führen, dass sie zueinander hin gezogen werden und das Universum schließlich in sich zusammenfällt.

Unser Universum würde scheinbar schrumpfen – denn ein solch endliches Universum würde aufgrund der Anziehungskräfte mit der Zeit immer kleiner werden und schliesslich kollabieren. Das Universum muss also unendlich gross sein – aber wenn dem so ist, müsste es ja auch unendlich viele Sterne geben, der nächtliche Himmel dürfte also gar nicht dunkel sein. Vertrackt, nicht wahr?

Zu jener Zeit waren die Teleskope noch nicht so leistungsfähig und man dachte, dass die winzigen Lichtkleckse die man durch sie sieht, nur Nebel sind innerhalb unserer eigenen Galaxie. Bis Edwin Hubble mit einem viel leistungsfähigeren Teleskop erkannte, dass diese Flecken tatsächlich ganze Galaxien jenseits unserer Milchstraße waren! Wenn sich diese Galaxien auf uns zubewegen, dachte er, wäre das ein ziemlich guter Hinweis darauf, dass das Universum kollabiert und wir in einem endlichen, statischen Universum leben, genau wie Kepler sagte.

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Was hat Hubble gefunden?

Aus einem expandierenden Universum ergeben sich überraschende Konsequenzen.

Tatsächlich bewegen sich die Galaxien nicht auf uns zu. Das Universum kollabiert also nicht. Es steht aber auch nicht still – nein, er fand heraus, das sich die Galaxien tatsächlich von uns weg bewegen. Und zwar um so schneller, je weiter die Galaxie entfernt war! Eine ziemliche Überraschung.

💡 Nicht die Galaxien selbst bewegen sich von uns weg – es ist der Raum selbst, der expandiert. Da der Raum selbst, im Gegensatz zu allen anderen Objekten im Universum (einschliesslich Licht), keinem Geschwindigkeitslimit unterliegt, können sich Galaxien sogar mit Überlichtgeschwindigkeit auseinander bewegen. Dabei sind es nicht die Galaxien selbst, die sich bewegen, sondern der Raum um sie herum – ähnlich einem Hefeteig, in dem Rosinen sitzen und der sich beim Backen ausdehnt.

Warum dehnte sich das Universum aus? Und wenn es sich ausdehnt, dann muss es damals, vor langer Zeit, ja auch kleiner gewesen sein. Dann wären alle Galaxien, Sterne und Planeten quasi zusammengequetscht, und noch weiter in der Zeit zurück die gesamte existierende Materie zu einem einzigen Punkt komprimiert gewesen. Und was könnte all diese Materie in Bewegung gesetzt haben? Eine Art gigantischer Explosion vielleicht? Eine Art Urknall? Das ist es, was Kosmologen glauben. Es ist die berühmte Urknalltheorie. Man nimmt an, das vor etwa 14 Milliarden Jahren das Universum aus einer gigantischen Explosion entstand.

Zurück zu unserem Problem: warum ist der Himmel nachts so dunkel? Nun, es gibt zwei sehr wichtige Konsequenzen, die sich aus einem expandierenden Universum ergeben.

Die erste: wenn man Wassertropfen in eine Badewanne fallen lässt, erzeugt jeder Tropfen, wenn er auf das Wasser trifft, eine Welle. Diese Wellen breiten sich gleichmässig aus. Aber was, wenn wir unsere Hand ins Wasser halten und diese hin und her bewegen? Dann sehen wir, das sich die von unserer Hand verursachten Wellen in Bewegungsrichtung stauchen, ähnlich dem Schall vor einem Düsenjet, der kurz davor ist, die Schallmauer zu durchbrechen. Dieses Phänomen nennt man den Dopplereffekt.

Es ist derselbe Effekt, der auftritt, wenn ein Krankenwagen an uns vorbeifährt. Kommt er auf uns zu, nehmen wir seine Schallwellen komprimiert war, der Ton ist höher. Fährt er von uns weg, wird der Ton tiefer, weil sich der Abstand der Schallwellen, von unserem Punkt aus gehört, vergrössert. In ähnlicher Weise geschieht genau das mit Licht, das von fernen Sternen kommt. Denn Licht ist ja ebenfalls eine Welle.

Auf der nächsten Seite: Von sichtbarem und unsichtbarem Licht

Von sichtbarem und unsichtbarem Licht

Wenn Sterne sich von uns entfernen, werden ihre Lichtwellen gestreckt. Menschen können nur nur bestimmte Wellenlängen des Lichts sehen und wenn wenn die Wellenlängen immer länger werden, erscheinen sie uns erst rötlich, bis wir sie irgendwann mit unseren Augen gar nicht mehr sehen können. Dies wird als Rotverschiebung bezeichntet, denn Rot hat die längste Wellenlänge von allen sichtbaren Farben. Werden die Wellenlängen dann noch weiter gestreckt, wechselt die Farbe dieser Lichtwellen von rot in den Infrarotbereich, den unsere Augen nicht wahrnehmen können (die vieler Tiere allerdings schon). Für unsere Augen aber ist infrarot unsichtbar.

Aha! In gewisser Weise ist der Nachthimmel also doch erleuchtet – wir können ihn nur nicht sehen, weil unsere begrenzten menschlichen Augäpfel Licht im infraroten Spektrum nicht wahrnehmen können!

Aber dann ist da noch etwas: Licht kann sich nicht unendlich schnell bewegen. Es gibt im Universum ein generelles Geschwindigkeitslimit von 299.792.458 Metern pro Sekunde. Licht benötigt also Zeit, um zu uns zu kommen. Und das Universum ist so unvorstellbar gross, das es mitunter milliarden von Jahren auf der Reise ist, bis es auf unsere Netzhaut trifft.

In den weit entfernten Regionen des Weltraums, wo der Raum sich schneller als die Lichtgeschwindigkeit ausdehnt, wird das Licht von diesen Galaxien also niemals die Expansion überholen, egal wie lange wir warten. Wir werden nie in der Lage sein, das Licht dieser Galaxien zu sehen.

Wir können selbst mit den stärksten Teleskopen nicht über diesen Horizont, den wir das sichtbare Universum nennen, hinaus sehen. Es ist nicht nur ein Horizont im Raum, es ist ein Horizont in der Zeit. Jenseits des Randes unseres sichtbaren Universums wird das Licht niemals schneller sein als die Ausdehnung des Raums. Es ist, als würde man zu langsam auf einer Rolltreppe in die falsche Richtung laufen – man kommt einfach nicht weiter.

Was wir am Nachthimmel sehen, ist also nur ein winziger Bruchteil des gesamten Kosmos. Und wenn dich jemand fragt, warum der Himmel nachts so dunkel ist, kennst du die Antwort: weil das Universum sich schneller ausdehnt, als Licht wandern kann. Und weil wir kein Infrarotlicht sehen können. Könnten wir es, wäre der Himmel für uns so hell, wie beim Blick durch ein Nachtsichtgerät.

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