Die Zukunft des Universums

Zufall, Chaos, Gott?

Arnold Benz

• Verlag: Patmos Verlag
• Jahr: 2013
• eBook-ISBN: 9783843602891
• Auflage: 1
• Thema: Theologie & Religion
• Thema: Religion

Auf der Grundlage der neuesten Erkenntnisse in Astronomie, Physik und Biologie stellt Arnold Benz Fragen nach Wesen und Zukunft des Universums. Auf leicht verständliche Art fasst er die naturwissenschaftlichen Erkenntnisse zusammen und führt uns an deren Grenze. Alle Prognosen gehen auf Zerfall: Die Sonne wird erkalten, die Materie wird radioaktiv zerfallen - es gibt naturwissenschaftlich keine begründete Hoffnung. Aber gerade hier wird der Dialog mit der Religion reizvoll und interessant. Auch der naturwissenschaftlich analysierte Kosmos kann Schöpfung sein, durchdrungen von der Intelligenz göttlichen Geistes.

1. Teil

Universum, Zeit und Schöpfung

Eine Nacht am Very Large Array

Es geht nichts mehr, ich muss weg. Wir haben den ganzen Tag versucht, mit dem Very Large Array² Radiowellen des engen Doppelsterns EM Cygni zu empfangen. Die Quelle ist schwach, und noch weiß ich nicht, ob das Interferometer das Sternsystem überhaupt entdeckt hat. In klimatisierten Räumen ohne Fenster irgendwo im amerikanischen Bundesstaat New Mexico haben wir Millionen von Zahlen eingelesen, kontrolliert, geeicht, addiert, transformiert, auf Band gesichert, Fehler gemacht, wieder neu begonnen und haben immer noch kein Bild. LISTR, FILLM, UVLOD, UCAT, SETJY, MX – die Computerprogramme schwirren mir durch den Kopf.

Mit dem Besucherwagen fahre ich allein gegen Süden, bis kein Teleskop, kein Strommast mehr zu sehen ist, und steige aus. Es ist eine mondlose Nacht, ich gehe gemächlich bergauf.

Als sich die Augen ans Dunkel gewöhnen, sehe ich die grandiose San Augustin-Ebene mit den Bergen am Horizont. Horizont? Darüber wölbt sich ein prachtvoller Sternenhimmel, wie man ihn nur in der Wüste und in den Bergen erlebt. Nein, mein Horizont ist weiter weg: Noch leuchtet Cygnus im Westen, das Sternbild des Schwans. Darin müssen irgendwo meine beiden Sterne sein in rund tausend Lichtjahren Entfernung und mit Leuchtstärke 14,2 – fürs Auge nicht sichtbar. Ich kann sie mir gut vorstellen: Der winzige, grell leuchtende Weiße Zwerg, so groß wie die Erde, ist umgeben von einer Akkretionsscheibe und erinnert an Saturn. Die Farbe der Scheibe ist innen grell violett und geht nach außen wie beim Regenbogen über Blau und Grün zu Rot. Unweit daneben, im Abstand von Erde und Mond, kreist ein tausendmal größerer, von der mächtigen Anziehung des Zwergs etwas verformter, rötlicher Begleiter, von dem dauernd Materie auf die Scheibe fällt, die sie wiederum an den Zwerg verliert. Viele andere Sterne sind in dieser Himmelsgegend. Der Schwan liegt in der von Sternen funkelnden Milchstraße. Mein Fachwissen sagt mir, dass das Auge nur dreitausend Sterne unterscheiden kann, aber ich ahne, dass es Milliarden sind.

Ich komme zum Gipfel, gespannt darauf, die andere Seite zu sehen und eine vielleicht ganz andere Sicht zu erleben.

Das Zentrum der Milchstraße liegt etwas unter dem Schwan und ist bereits untergegangen. Die dreihundert Milliarden Sterne unserer Galaxie drehen sich um dieses Zentrum wie auf einem Karussell. Ich glaube zu fühlen, wie ich zusammen mit dem Sonnensystem und den Nachbarsternen mit der rasenden Geschwindigkeit von über zweihundert Kilometern pro Sekunde gegen Westen genau auf diesen Schwan zufliege.

Zweihundertvierzig Millionen Jahre braucht die Sonne für einen Umlauf in der Milchstraße, für ein »galaktisches Jahr«. Als sie das letzte Mal ihre jetzige Stelle durchflog, löste auf der Erde die Triaszeit eben die Permzeit ab, und nach einer Eiszeit und großen Überflutungen begannen sich die Dinosaurier gerade erst zu entwickeln. Das Karussell beginnt sich zu drehen. Jahrzehnte, meine Lebenszeit und zukünftige Jahrhunderte fliegen dahin. Bis zur nächsten Jahrtausendwende wird sich die Milchstraße noch nicht stark ändern. Nach einer Million Jahren wird das Sonnensystem ungefähr dort sein, wo jetzt EM Cygni steht. Der kleine Weiße Zwerg wird dann von seinem Begleiter schon so weit gefüttert sein, dass er als Supernova explodiert. Natürlich sind die beiden dann nicht mehr an der gleichen Stelle. Sie haben sich mitgedreht. Aber wenige Millionen Jahre später explodiert unser Nachbarstern Beteigeuze. Auf dem Karussell regt es sich, die Mitreiter verändern sich, verschwinden, neue entstehen. Bunte Gasnebel tauchen auf und werden zu Sternhaufen. Es ist ein einziges Kommen und Gehen. Durch die Entwicklung der Sterne häufen sich die schweren chemischen Elemente immer mehr an und die Farben wechseln. Die Milchstraße selbst verändert sich. Ihre Spiralstruktur mit den vier Hauptarmen öffnet sich, Spiralsegmente entstehen und vergehen. Nach vielen Umläufen wird die Scheibe flacher und kontrahiert. Ich fühle mich in den Strudel hineingerissen und werde ein Teil der gewaltigen Dynamik. Meine innere Uhr scheint nach einer anderen Zeit zu laufen, synchron mit der Milchstraße. Ich bin klein gegen die stellaren Riesen und gleichzeitig groß in meinem Geist, dem dieses Schauspiel bewusst wird. Aber die Größe spielt eigentlich gar keine Rolle mehr, denn ich bin eins mit dem Universum. Für einen Augenblick spüre ich die Grenze meiner Person fallen; der Intellekt, der den ganzen Tag im selben Hirnwinkel verbracht hat, scheint sich grenzenlos auszubreiten. Ich bin mit der Natur versöhnt und muss ihr keine Geheimnisse entreißen. Das staunende Ah ist meine sprachlose Antwort in diesem Dialog mit dem All. Für einen Augenblick trennen mich keine objektivierende Distanz und kein Erklärungsdrang vom Ganzen.

Bergab gehend frage ich mich, was am Erlebten wirklich war. Was bedeuten diese Gefühle, dieses mystische Verschmelzen? Fraglos hat das Erlebnis etwas bewirkt, denn ich bin verändert, glücklich, auch neu motiviert zur wissenschaftlichen Arbeit von morgen. Diese psychische Realität ist objektiv feststellbar und lässt sich nicht abstreiten.

War da noch mehr als nur Sterne, Galaxien und das Universum? War das eine Gotteserfahrung? Worin unterscheidet sich eine Gotteserfahrung von anderen Erfahrungen? Merkwürdigerweise stellten sich diese Fragen erst im Nachhinein, in der Reflexion des Verstandes. Sie waren im Moment des Erlebens nicht wichtig.

Die Zeit der Sterne

Die Astronomie (ástron gr. = Stern, nómos gr. = Ordnung, Gesetz) ist im 20. Jahrhundert von einer beschreibenden Wissenschaft zur erklärenden Astrophysik geworden. Heute will sie die Geschichte des Kosmos verstehen. Es geht um die Fragen: Welche kosmischen Entwicklungen führten zu einem Planeten, auf dem Menschen leben können, und wie ist das Universum selber entstanden? Dieses Kapitel soll zeigen, wie die Astrophysik zu ihren Erklärungen kommt. Am Beispiel der Sterne wird dargestellt, wie sich der Kosmos entwickelt.

Abbildung 1: In vierzehnhundert Lichtjahren Entfernung, entlang dem lokalen Spiralarm, liegt der Orion-Nebel. Dieses Gebiet mit hoher interstellarer Gasdichte wird durch einige sehr helle, große Sterne zum Leuchten angeregt. Neue Sterne sind in der dunklen Molekülwolke links unten am Entstehen (Foto: Hale Observatorien).

Die Beobachtungsmöglichkeiten der Astronomie haben sich in den letzten Jahren vervielfacht. Radiowellen und Infrarotstrahlung durchdringen das interstellare Gas, aus dem Sterne entstehen, und zeigen Geburtsbilder von Sternen. Stern- und Gasbewegungen werden heute auf wenige Meter pro Sekunde genau gemessen. Weltraumteleskope produzieren Bilder in noch nie dagewesener Schärfe und fangen Röntgenstrahlen, ultraviolettes und infrarotes Licht aus dem Weltall auf. Interkontinentale Radiointerferometrie sieht räumliche Details bis zu einem Tausendstel einer Bogensekunde scharf. Aus hundert Kilometer Distanz betrachtet könnte man mit dieser Auflösung die Haare auf dem Kopf eines Menschen zählen und auf dem Mond würde man Astronauten erkennen.

Die Astrophysik hat in den vergangenen Jahren begonnen zu verstehen, wie Sterne entstehen und vergehen. Sie erkennt in Sternen nicht ewige Gebilde ohne zeitlichen Wandel, sondern den Glanz energetischer Abläufe ungeheuren Ausmaßes. Die Entstehungs- und Verweilzeit von Sternen misst man in Millionen und Milliarden von Jahren. Aus der Verschmelzung von Wasserstoff zu Helium und im Spätstadium zu schwereren Elementen bezieht ein Stern seine Energie. Je nach Größe geben Sterne einen beträchtlichen Teil der Masse im Laufe ihrer Entwicklung wieder ans interstellare Gas in der Milchstraße zurück. Daher ist ein Stern nicht ein rein lokaler Prozess. Sterne verändern unsere Milchstraße und damit das Umfeld zukünftiger Sterngenerationen. In der Physik der Sterne hat der Faktor Zeit eine eigentümliche Dynamik erhalten.

Die Entwicklungszeit der Sterne übersteigt das menschliche Maß bei weitem und zwingt die Astronomie, den zeitlichen Verlauf aus Momentaufnahmen herzuleiten. Zum Teil gruppieren sich Sterne zu Sternhaufen mit Hunderten bis Millionen von Sternen, die innerhalb weniger Jahrmillionen, also für astronomische Verhältnisse praktisch gleichzeitig, entstanden sind. Ein Sternhaufen ist daher einer Schulklasse von Kindern vergleichbar, die gleichaltrig, aber in Größe und Entwicklung verschieden sind. In Sternhaufen beobachtet man, dass sich massivere Sterne schneller entwickeln. Interessanterweise fehlen zum Beispiel, je nach Alter des Haufens, die großen Sterne ab einer gewissen Masse. Was aus ihnen geworden ist, soll im Folgenden geschildert werden.

Ein Stern entsteht

In unserer Milchstraße beginnen gegenwärtig pro Jahr etwa zehn Protosterne mit der Wasserstoffverschmelzung. Die Geburt von Sternen und ihre Vorgeschichte dauern rund zehn Millionen Jahre, und rund hundert Millionen Sterne sind folglich in unserer astronomischen Nachbarschaft am Entstehen. Im Ganzen umfasst die Milchstraße heute etwa zweihundert Milliarden Sterne. Es gibt Hunderte von Milliarden ähnlicher Sternansammlungen im Universum, die man Galaxien nennt nach dem griechischen Wort galaxis für Milchstraße.

Sterne entstehen in interstellaren Molekülwolken, die für ihre wunderschönen, wolkenartigen Dunkelstrukturen bekannt sind. Das Gas dieser Nebel ist so dünn, dass nur tausend Atome oder weniger in einem Kubikzentimeter enthalten sind. Gelegentlich kann die Dichte auch tausend Mal höher sein, aber sie ist dann immer noch etwa eine Billion Mal geringer als in irdischen Wolken. Die Dichte des interstellaren Gases ist vergleichbar mit den dünnsten Vakuen in irdischen Labors. An Orten, wo das Gas dichter ist als nebenan, zieht die Schwerkraft der Dichtefluktuation das umgebende Gas an. Dadurch wird die Verdichtung stärker und verleibt sich noch weiteres Gas ein. Der Prozess verstärkt sich selber. Die Materie konzentriert sich allmählich in dichten Wolkenkernen, bis diese unter ihrer eigenen Schwerkraft zusammenbrechen. Das Gas fällt im freien Fall ins Zentrum des Kerns. Die anfänglichen Bewegungen im kollabierenden Gas sind zufällig und mitteln sich größtenteils, aber nicht ganz heraus. Der Rest geht in einer gemächlichen Kreisbewegung auf, die sich im Laufe der Kontraktion beschleunigt wie bei der Pirouette einer Eiskunstläuferin. Es bildet sich ein Wirbel, der immer schneller rotiert, je mehr er sich zusammenzieht. Der Drehimpuls des Wirbels zwingt die Gasmasse in die Form einer rotierenden Scheibe. Diese sogenannten Akkretionsscheiben³ sind typisch für entstehende Himmelskörper.

Nach zehn Millionen Jahren werden Temperatur und Dichte im Zentrum der Scheibe so groß, dass die Fusion von Wasserstoff zu Helium einsetzt und Kernenergie in einem gewaltigen Ausmaß entfesselt wird. Der zusätzliche Gasdruck, der durch die neue Energiequelle entsteht, stoppt die Kontraktion. Im innersten Teil des Wirbels bildet sich ein Gleichgewicht zwischen Schwerkraft und Gasdruck: Der Stern ist geboren. Noch sind von ihm nur Infrarot- und Radiowellen zu empfangen. Das umgebende dichte Gas absorbiert das optische Licht vollständig und wird dabei aufgeheizt. Diese heiße Atmosphäre des jungen Sterns verhindert das weitere Anwachsen und damit die Bildung eines übermäßig massiven Sterns. Aus diesem Grund übertrifft die Masse des größten bekannten Sterns den kleinsten nur um den Faktor tausend. Es dauert noch einige Jahrmillionen, bis die Hülle des überschüssigen Gases wie der Kokon einer Raupe vollends abgeworfen wird, so dass der Stern nun auch optisch sichtbar wird. Aus dem abgestoßenen Gas entstehen weitere Sterne, unter Umständen ein ganzer Sternhaufen.

Abbildung 2: In Molekülwolken mit einigen hundert Lichtjahren Durchmesser, hier im Adlernebel, bilden sich Verdichtungen, aus denen Sterne entstehen. Oben rechts gibt es bereits helle Sterne. Sie heizen das interstellare Gas und blasen es aus ihrer Umgebung weg. Verdichtungskerne widerstehen dem Druck und ragen aus dem heutigen Wolkenrand heraus (Foto: NASA).

Die Entstehung eines Sterns ist ein gutes Beispiel für einen sich selbst organisierenden Prozess, der ohne direkten äußeren Einfluss beginnt und sich chaotisch entwickelt. Der Begriff Chaos⁴ wird in Kapitel »Chaos begrenzt unser Wissen« erklärt und bedeutet, dass man die Detailentwicklung nicht für längere Zeit voraussagen kann. Die Sternentstehung wird von der eigenen Gravitationsenergie angetrieben und entledigt sich ihrer Abwärme in Form von Wärmestrahlung. Schließlich stabilisiert sich der Kontraktionsvorgang als Protostern. Man könnte diesen Zustand als Sättigung der Konzentrationsprozesse in interstellaren Molekülwolken bezeichnen. Diese stationäre Lösung eines Gleichungssystems die sich nach langer Zeit asymptotisch einstellt, nennt man »Attraktor« in der Mathematik. Er ist der vorläufige Gleichgewichtszustand, auf den alle Sternentwicklungen hinlaufen.

Auch nachdem ein Stern entstanden ist, entwickelt er sich weiter. Rund hundert Lichtjahre von uns entfernt liegt zum Beispiel EK Draconis, ein junger Bruder der Sonne. Dieser Stern von der gleichen Masse und ähnlichem inneren Aufbau ist erst siebzig Millionen Jahre alt. Er unterscheidet sich wesentlich von der 4,6 Milliarden Jahre alten Sonne durch seine viel größere Aktivität. Gewaltige Eruptionen erschüttern ihn fast pausenlos, und eine zehn Millionen Grad heiße Korona umgibt ihn, deren Ultraviolettstrahlung hundertmal stärker ist als jene der Sonne. Beides wird von starken Magnetfeldern verursacht, welche durch die kurze Rotationsdauer von nur 2,8 Tagen entstehen. Der Energieverlust bremst die Rotation, so dass die Sonne heute gut zehnmal langsamer dreht als der quirlige EK Draconis. Die ebenso intensive UV-Strahlung der Sonne in jüngeren Jahren hat vermutlich die biologische Entwicklung auf der Erde zunächst ermöglicht und später maßgeblich beeinflusst. Viele der höher entwickelten Lebewesen einschließlich der Menschen wären dagegen jener Strahlenbelastung nicht mehr gewachsen. Zum Glück ist die Sonne nicht stehen geblieben und hat sich weiter entwickelt. Allerdings werden wir im folgenden Unterkapitel und einem späteren Kapitel sehen, wie die Entwicklung weitergehen und die Erde langfristig unbewohnbar machen wird.

Das Endstadium eines Sterns

In weiteren 4,8 Milliarden Jahren wird die Sonne dem Stern Beta Hydri ähnlich sein. Obwohl nur zwanzig Lichtjahre entfernt, kann man auf ihm keine Anzeichen von Aktivität mehr entdecken. Der Stern hat bereits etwa zwanzig Prozent seines Wasserstoffvorrats verbraucht und ist 1,6-mal so groß wie die Sonne. Weil sich die Brennzone von ihrem ursprünglichen Platz im Zentrum des Sterns nach außen verschob, änderte sich der Aufbau des Sterns. Der Kern wurde dichter, so dass der Stern jetzt mehr Wärme produziert als die Sonne. Die Sternoberfläche hat sich deswegen ausgedehnt. Sobald ein noch etwas größerer Teil des Wasserstoffs verbraucht ist, wird der Stern so groß, dass sich die Oberfläche abkühlt und rot wird. Der alternde Stern wird ein Roter Riese. In der Atmosphäre Roter Riesen herrscht Überdruck, der einen starken Sternwind⁵ antreibt. Manchmal verliert der Stern ganze Schichten seiner Atmosphäre. Diese dehnen sich im Laufe der Zeit aus und bilden Kugelschalen, welche farbenprächtige sogenannte planetarische Nebel bilden; sie haben jedoch nichts mit Planeten zu tun. Im Kern wird nun die Heliumschlacke zum Brennstoff eines neuen nuklearen Feuers, in dem Helium zu schwereren Elementen wie Kohlenstoff, Stickstoff und Sauerstoff verschmilzt. Nach einigen weiteren zehn Millionen Jahren schrumpfen Rote Riesen zu Weißen Zwergen. Die bildhaften Namen sollen nicht zur Annahme verleiten, es handle sich um eine niedliche Märchenwelt...

Inhaltsverzeichnis

• NAVIGATION
• HAUPTTITEL
• INHALT
• Einleitung
• 1. Teil: Universum, Zeit und Schöpfung
• 2. Teil: Physik und Wirklichkeit
• 3. Teil: Leben und Sterben
• 4. Teil: Zukunft
• Danksagungen
• Nachwort zur Neuauflage 2012
• Anmerkungen
• ÜBER DEN AUTOR
• ÜBER DAS BUCH
• IMPRESSUM
• HINWEISE DES VERLAGS