Wie dunkel ist das Universum?

Wie dunkel ist das Universum? Alter und Expansion erklärt

Die Frage Wie dunkel ist das Universum? führt direkt zu den faszinierenden Ursprüngen der Kosmologie. Wer die physikalischen Hintergründe der nächtlichen Finsternis versteht, erkennt die gewaltigen Dimensionen von Raum und Zeit. Das Wissen schützt vor Fehlannahmen über die Lichtverteilung im All und hilft, die unsichtbaren Prozesse der Galaxienentwicklung besser einzuordnen.

Warum das Weltall trotz Milliarden Sternen schwarz bleibt

Die Frage, warum das Universum dunkel ist, klingt zunächst simpel, berührt aber die Grundfesten der modernen Kosmologie. Das Universum ist etwa 13,8 Milliarden Jahre alt, was bedeutet, dass Licht ferner Galaxien schlichtweg noch keine Zeit hatte, uns zu erreichen. Zudem dehnt sich der Raum mit einer Geschwindigkeit von etwa 70 Kilometern pro Sekunde pro Megaparsec aus, wodurch das Licht ferner Objekte in den unsichtbaren Infrarotbereich gestreckt wird.^[2] Aber es gibt noch ein Detail, das die meisten Menschen völlig übersehen - und ich werde es im Abschnitt über die Messungen im tiefen All weiter unten auflösen.

Ehrlich gesagt habe ich früher immer gedacht, das Weltall sei einfach leer und deshalb schwarz. Das ist ein weit verbreiteter Irrtum. In Wirklichkeit ist das Universum gefüllt mit Energie und Licht, nur eben nicht in dem schmalen Bereich, den unsere Augen wahrnehmen können. Die Dunkelheit ist also eher ein Limit unserer Biologie als eine Eigenschaft des Kosmos selbst. Es ist faszinierend und gleichzeitig ein wenig frustrierend, dass wir nur einen Bruchteil der Realität direkt sehen können.

Das Olberssche Paradoxon: Wenn Logik auf Dunkelheit trifft

Stellen Sie sich vor, Sie stehen in einem unendlich dichten Wald. Egal in welche Richtung Sie blicken, Ihr Auge würde immer auf einen Baumstamm treffen. Wäre das Universum unendlich alt, unendlich groß und statisch, müsste der gesamte Nachthimmel so hell leuchten wie die Oberfläche der Sonne. Dieses Problem nennt man das Olbersches Paradoxon einfach erklärt. Doch die Realität sieht anders aus. Der Himmel ist schwarz. Warum?

Die Antwort liegt in der Endlichkeit. Da das Universum erst vor 13,8 Milliarden Jahren begann, hat uns das Licht von Sternen, die weiter als 13,8 Milliarden Lichtjahre entfernt sind, noch gar nicht erreicht. Die Sichtweite ist begrenzt. Das Licht ist unterwegs, aber es ist noch nicht hier. Dieser Umstand bildet die erste Barriere gegen einen strahlend weißen Himmel. Wir blicken in die Vergangenheit, und je weiter wir schauen, desto weniger Zeit hatten die Photonen für ihre Reise.

Die Expansion des Raums: Licht wird zu langen Wellen

Ein weiterer entscheidender Faktor ist die Expansion des Universums Licht. Der Raum zwischen den Galaxien dehnt sich kontinuierlich aus. Die aktuelle Expansionsrate liegt bei etwa 70 bis 74 Kilometern pro Sekunde pro Megaparsec.^[3] Was bedeutet das für das Licht? Wenn sich eine Lichtquelle von uns entfernt, werden die Lichtwellen wie eine Ziehharmonika in die Länge gezogen. Dieser Effekt wird kosmologische Rotverschiebung genannt. Sichtbares Licht wird dadurch in den Infrarotbereich oder sogar in den Mikrowellenbereich verschoben.

Es hat mich Wochen gekostet, die Analogie mit dem Luftballon wirklich zu verstehen. Stellen Sie sich Punkte auf einem Ballon vor, der aufgeblasen wird. Nicht die Punkte bewegen sich, der Gummi dazwischen dehnt sich aus. Das Licht, das über diesen Gummi reist, wird unweigerlich mitgedehnt. Ein Photon, das als blaues Licht startete, kommt Milliarden Jahre später als Radiowelle an. Unsere Augen registrieren diese Wellenlängen nicht. Das Weltall erscheint uns schwarz, obwohl es von der Kosmische Hintergrundstrahlung Dunkelheit durchflutet ist. Diese Strahlung hat eine Temperatur von nur etwa 2,7 Kelvin und liegt weit außerhalb des sichtbaren Spektrums.^[4]

Die Leere des intergalaktischen Vakuums

Warum leuchtet der Himmel auf der Erde tagsüber blau, während das All tiefschwarz bleibt? Die Antwort ist Streuung. Die Erdatmosphäre ist dicht gepackt mit Molekülen, die das Sonnenlicht in alle Richtungen ablenken. Im Weltraum herrscht jedoch ein fast perfektes Vakuum. Im intergalaktischen Raum findet man im Durchschnitt lediglich ein Atom pro Kubikmeter.^[5] Zum Vergleich: Ein einziger Atemzug von Ihnen enthält bereits Trilliarden von Atomen.

Ohne Materie gibt es nichts, was das Licht streuen könnte. Ein Lichtstrahl saust einfach an Ihnen vorbei, ohne dass Sie ihn sehen, es sei denn, er trifft direkt in Ihr Auge. Das ist wie bei einem Laserpointer in einem staubfreien Raum - man sieht den Strahl von der Seite nicht. Diese absolute Leere sorgt dafür, dass Schatten im Weltraum messerscharf und extrem dunkel sind. Es gibt kein diffuses Umgebungslicht, wie wir es von bewölkten Tagen auf der Erde kennen.

Messungen im tiefen All: Das Rätsel des Hintergrundlichts

Hier ist nun das Detail, das ich anfangs versprochen habe: Wie dunkel ist das Universum? Wirklich, wenn wir alle Sterne und Galaxien abziehen? Lange Zeit war es unmöglich, das auf der Erde oder im inneren Sonnensystem zu messen, da der Staub in unserer Umgebung das Sonnenlicht reflektiert (das sogenannte Zodiakallicht). Erst die Raumsonde New Horizons konnte in den äußeren Bereichen des Sonnensystems, weit hinter Pluto, Messungen der absoluten Dunkelheit vornehmen.

Die Ergebnisse waren verblüffend. Das Weltall ist etwa doppelt so hell, wie es aufgrund der bekannten Galaxien sein dürfte. Das bedeutet, es gibt eine unbekannte Quelle für diffuses Licht im Hintergrund. Es könnten bisher unentdeckte Zwerggalaxien sein oder Licht von Sternen, die aus ihren Galaxien herausgerissen wurden. Trotzdem bleibt dieses restliche Licht extrem schwach. Es entspricht etwa der Helligkeit einer Kerze, die aus einer Entfernung von mehreren Kilometern betrachtet wird. Das Universum ist also nicht absolut schwarz, aber für das menschliche Auge bleibt dieser Unterschied unsichtbar.

Vergleich der Lichtwahrnehmung: Erde vs. Weltraum

Erdatmosphäre

1. Etwa 25 Trillionen Moleküle pro Kubikzentimeter auf Meereshöhe
2. Blau am Tag, rötlich bei Sonnenuntergang
3. Weich durch reflektiertes Umgebungslicht
4. Stark durch Luftmoleküle und Staub (Rayleigh-Streuung)

Intergalaktischer Raum

1. Durchschnittlich 1 Atom pro Kubikmeter
2. Tiefschwarz (visuell), Mikrowellenhintergrund (technisch)
3. Extrem hart und tiefschwarz ohne Aufhellung
4. Praktisch nicht vorhanden aufgrund fehlender Partikel

Die Frustration eines Astrofotografen in der Stadt

Lukas, ein Hobby-Astronom aus München, wollte das schwache Leuchten der Andromeda-Galaxie fotografieren. Er investierte Stunden in die Vorbereitung, doch seine Bilder waren jedes Mal orange-grau und detailarm.

Er versuchte es mit teuren Filtern und längeren Belichtungszeiten, aber das Ergebnis wurde nur schlimmer - das Streulicht der Stadt überstrahlte alles. Er war kurz davor, sein Hobby frustriert aufzugeben.

Dann realisierte er durch ein Gespräch mit Profis, dass keine Technik der Welt die Physik der Erdatmosphäre besiegen kann. Er fuhr 3 Stunden tief in die Alpen, weit weg von jeder Zivilisation.

In einer klaren Nacht auf 2.000 Metern Höhe sah er zum ersten Mal die wahre Dunkelheit. Die Bilder zeigten plötzlich Strukturen, die in der Stadt unsichtbar waren, was seine Leidenschaft für die Astronomie rettete.