Sind wir doch der Mittelpunkt des Universums?

Sternengeschichten Folge 666: Die Achse des Bösen

In dieser Folge geht es um die "Achse des Bösen". Und damit ist nicht der Begriff gemeint, den der damalige US-Präsident George Bush im Jahr 2002 benutzt hat, um Länder wie Nordkorea, Iran und Irak zu beschreiben, die er beschuldigt hat, Terrorismus zu unterstützen. In dieser Folge geht es nicht um Politik, sondern um Kosmologie. Es geht um die Eigenschaften des gesamten Universums und um ein Phänomen, dass zwar nicht wirklich "böse" ist, aber dass man zumindest als "Bedrohung" für unser derzeitiges Verständnis des Universums betrachten kann.

Um zu verstehen, was mit der "Achse des Bösen" gemeint ist; um welche "Achse" es geht und warum sie "böse" sein soll, müssen wir aber zuerst ein wenig ausholen und bei der kosmischen Hintergrundstrahlung beginnen. Davon habe ich hier ja schon oft erzählt, aber weil es zentral ist für diese Geschichte, erzähle ich das wichtigste nochmal. Es geht um das, was ungefähr 400.000 Jahre nach dem Urknall passiert ist. Bis dahin war das junge Universum dicht mit Materie gefüllt, es gab aber noch keine Atome im heutigen Sinn. Sondern nur die Atomkerne; die Elektronen, die normalerweise die Hülle der Atome bilden, sind noch frei durch die Gegend gesaust. Es war noch zu heiß im Universum, als dass sich Atomkerne und Elektronen aneinander binden hätten können. Dadurch konnte sich aber auch das Licht nicht ausbreiten. Das Universum war auch voll mit jeder Menge Energie in Form von Lichtteilchen, die aber bei ihrem Weg ständig von den Elektronen aufgehalten worden sind. Das ganze Universum war damals ein wenig wie ein trüber, nebliger Tag an dem man nichts sieht, nur eben sehr, sehr viel heißer als ein trüber nebliger Tag. Aber dann, 400.000 Jahre nach dem Urknall, war das Universum weit genug abgekühlt, die Elektronen haben sich an die Atomkerne gebunden, der Weg war frei für die Photonen, die sich jetzt in alle Richtungen ausbreiten konnte. Von jedem Punkt im Universum hat sich damals also Strahlung in jede Richtung aufgemacht. Bis heute hat sich das Universum dann natürlich immer weiter ausgedehnt und abgekühlt, die Strahlung von damals ist aber immer noch unterwegs. Wir hier auf der Erde können heute den Teil davon beobachten, der gerade jetzt erst aus den fernen Ecken des Universums bei uns ankommt. Diese Strahlung kommt von jedem Punkt des Himmels zu uns und deswegen nennt man sie "Hintergrundstrahlung". Könnten wir sie mit unseren Augen sehen, dann würden wir sehen, dass der ganze Himmel ständig gleichmäßig schwach leuchtet. Aber unsere Augen können die Hintergrundstrahlung nicht wahrnehmen, es handelt sich um langwellige Mikrowellenstrahlung, die wir nur mit speziellen Teleskopen beobachten können.

Der zentrale Punkt, um den es hier geht, ist aber die Tatsache, dass die kosmische Hintergrundstrahlung mehr oder weniger gleichmäßig aussehen sollte. Wenn wir den Himmel beobachten und die Intensität dieser Strahlung messen, dann sehen wir quasi wie das Universum damals, kurz nach dem Urknall ausgesehen hat. Und damals gab es keine Galaxien, keine Galaxienhaufen, usw - es gab nichts, außer Elektronen, Atomkernen und Energie und alles war gleich im Raum verteilt. Da war keine Hälfte des jungen Universums die leer war, weil sich alles in der anderen Hälfte gedrängt hat. Warum hätte das auch so sein sollen? Es gibt keinen Bereich des Universums, der sich irgendwie fundamental von allen anderen Orten unterscheidet. Die Bedingungen sind überall die selben und es gibt keine "besonderen" Plätze im Kosmos. Das nennt man in der Wissenschaft das "kopernikanische Prinzip" und es ist eines der zentralen Elemente bei unserer Beschreibung des Universums.

Und sicherheitshalber sage ich noch einmal dazu: Das gilt, wenn wir das Universum im großen Maßstab betrachten. Natürlich ist unsere Erde ein "besonderer" Platz, zumindest insofern, als sie sich deutlich und dramatisch zum Beispiel vom Mars, der Venus oder dem leeren Weltraum unterscheidet. Unser Sonnensystem ist ein besonderer Platz, weil es sich von Sternen unterscheidet, die nicht von Planeten umkreist werden. Und so weiter: Es geht aber nicht darum, sondern um das große Ganze. Egal wohin wir im Universum schauen, wir sehen Galaxien voller Sterne, die sich in Galaxienhaufen anordnen. Es sind immer andere Galaxien mit anderen Sternen, aber im Grunde ist es immer das selbe. Ein Ecke des Universums sieht aus wie jede andere Ecke des Universums. So ist es heute und so muss es auch damals gewesen sein, 400.000 Jahre nach dem Urknall. Es gab keinen Bereich in dem sich sehr viel mehr Lichtteilchen rumgetrieben haben als anderswo. Und deswegen kann es auch heute keinen Bereich am Himmel geben, aus dem sehr viel mehr Hintergrundstrahlung zu uns kommt als von anderswo. Die Hintergrundstrahlung ist gleichmäßig, weil es im Universum keinen besonderen Ort gibt.

Und nachdem ich das jetzt alles erklärt habe, müssen wir uns als nächstes mit den Variationen in der Hintergrundstrahlung beschäftigen. Ja, ich weiß, ich habe gerade gesagt, dass es so etwas nicht geben sollte. Aber auch hier geht es um die Details und nicht das große Bild. Im Großen und Ganzen erreicht uns aus jeder Richtung des Himmels Hintergrundstrahlung mit der selben Intensität. Aber es gibt winzige Variationen, weil die Materie nach dem Urknall nicht absolut komplett gleichmäßig verteilt sein hat können. Es muss Regionen mit ein klein wenig mehr Materie gegeben haben und Regionen mit ein bisschen weniger. Die dichteren Bereichen haben im Laufe der Zeit eine größere Gravitationskraft ausgeübt, noch mehr Materie angezogen und so haben sich dann Strukturen wie Galaxienhaufen usw bilden können. Ansonsten wäre das Universum auch heute noch komplett gleichmäßig mit Teilchen angefüllt und es gäbe keine Sterne, keine Planeten und auch uns nicht.

Es muss also kleinste Variationen in der Verteilung der ursprünglichen Materie gegeben haben und die führen - aus Gründen auf die ich im Detail jetzt nicht eingehen will - dazu, dass auch die Intensität der Hintergrundstrahlung leicht variabel ist. Man spricht in der Kosmologie von der "Temperatur" der Hintergrundstrahlung; das bedeutet also, je nachdem an welchen Punkt des Himmels wir blicken, ist es dort ein kleines bisschen wärmer oder kälter. Die Variation in der Hintergrundstrahlung haben wir das erste Mal 1993 gemessen und seitdem immer genauer. Und, ich wiederhole es nochmal, weil es wichtig ist: Diese Variationen widersprechen vorerst nicht dem kopernikanischen Prinzip. Wir können uns irgendeinen Bereich des Himmels raussuchen und werden dort warme und kalte Flecken sehen. Die sehen wir aber genau so, wenn wir uns irgendeinen anderen Bereich des Himmels anschauen. Insgesamt betrachtet gibt es keine Gegend am Himmel, die sich fundamental von irgendeiner anderen unterscheidet; überall gibt es eine Mischung aus kalt und warm.

So soll es zumindest sein. Ob es auch wirklich so ist, muss man genau messen. Das hat man getan und damit sind wir schon fast bei der Achse des Bösen angelangt. Wir müssen aber zuerst noch klären, wie man die Verteilung der warmen und kalten Flecken tatsächlich wissenschaftlich exakt fassen kann. Es reicht nicht, einfach nur zu schauen, ob das Warm/Kalt-Muster halbwegs zufällig aussieht. Man muss das irgendwie mathematisch quantifizieren und das macht man mit etwas, das man "Multipol"-Entwicklung nennt. Im Detail ist das eine gar nicht so unkomplizierte Methode; das Prinzip ist aber leicht erklärt. In der mathematisch sehr vereinfachten Version läuft das so: Zuerst betrachtet man den Himmel als Gesamtheit und bestimmt die durchschnittliche Temperatur der Hintergrundstrahlung. Die liegt übrigens bei 2,725 Kelvin, falls es jemand wissen will und in diesem sehr simplen Bild kann es natürlich keine Variation geben. Im nächsten Schritt teilen wir den Himmel in zwei Hälften und bestimmen die Durchschnittstemperatur für jede davon. Dann teilen wir den Himmel in vier Viertel und berechnen wieder die durchschnittliche Temperatur für jedes Viertel, dann in acht Achtel, und so weiter. Macht man das mathematisch korrekt und nicht nur mit Hälften, Vierteln und Achteln sondern geht bis zu sehr, sehr, sehr viel feineren Unterteilungen, kann man durch die Überlagerung all dieser Bilder am Ende die beobachtete Temperaturverteilung der Hintergrundstrahlung rekonstruieren.

Man kann sich jetzt aber auch die einzelnen Zwischenschritte genauer anschauen und vor allem mathematisch analysieren. Das Bild, wo der Himmel einfach nur eine Durchschnittstemperatur hat und ansonsten keine Struktur wird "Monopol" genannt und ist für unsere Geschichte nicht weiter interessant. Auch nicht der "Dipol", also das Bild, wo der Himmel in zwei Hälften geteilt wird. Der Dipol der kosmischen Hintergrundstrahlung zeigt klar, dass eine Hälfte des Himmels kälter ist als der Durchschnitt und die andere wärmer. Aber genau das ist auch zu erwarten, denn die Erde bewegt sich ja - mitsamt Sonne und Milchstraße - durch das Universum. Wir fliegen quasi einem Teil der Hintergrundstrahlung entgegen und entfernen uns vom anderen Teil, was dazu führt, dass wir eine Hälfte wärmer messen und die andere kälter. Das ist ein bisschen so, wie der Fahrtwind beim Radfahren unser Gesicht abkühlt, den Hinterkopf aber nicht.

Interessant wird es beim Quadrupol, also dem Bild mit den vier Vierteln. Hier sollten wir jetzt die echten Variationen der Hintergrundstrahlung sehen. Ebenso beim Oktupol, also dem Bild mit den Achteln, und so weiter. Und jetzt sind wir direkt bei der Achse des Bösen angekommen. Bleiben wir dafür nochmal ein bisschen beim Quadrupol. Wir haben also den ganzen Himmel in vier Bereich geteilt und die jeweilige Durchschnittstemperatur bestimmt. Wir haben ein Muster bekommen, aus kalten und warmen Bereichen. Und können uns jetzt überlegen, ob es eine Richtung gibt, in der das Muster besonders stark ausgeprägt ist. Das soll fo