Alles, was man anfassen, wiegen oder mit einem Teleskop anvisieren kann – jeder Stern, jeder Planet und jeder Mensch – summiert sich auf gerade einmal 5 % des Universums. Das ist kein Rundungsfehler, sondern eine der am besten bestätigten Zahlen der Kosmologie, verfeinert über Jahrzehnte von Messungen des übrig gebliebenen Lichts aus der Geburtsstunde des Universums. Der Rest besteht aus dunkler Materie und dunkler Energie, zwei Komponenten, die Astronomen präzise messen können, ohne bislang zu wissen, was beide eigentlich sind – eine merkwürdige Form von Gewissheit: sicher zu sein, dass etwas existiert, lange bevor man weiß, woraus es besteht.
Der Urknall ist die Bezeichnung, die Kosmologen dem heißen, dichten Zustand geben, auf den sich alles zurückführen lässt – vor etwa 13,787 Milliarden Jahren, mit einer Genauigkeit von plus/minus 0,02 Milliarden Jahren – eine bemerkenswert genaue Zahl für etwas, das geschah, bevor es überhaupt Atome gab. Bis diese Zahl feststand, brauchte es fast ein Jahrhundert voller Zufallsentdeckungen, hartnäckiger Astronomen und eines belgischen Priesters mit einer sehr guten Idee.
Dieser Leitfaden geht die Beweise durch: das Nachglühen, das noch immer den Himmel durchquert, die Instrumente, die gebaut wurden, um es zu kartieren, die Menschen, die darüber stritten, was es bedeutet, und wie seltsam sich der „Haushaltsplan" des Universums am Ende erweist.
Das Nachglühen, das noch immer den Himmel durchquert
Etwa 375.000 Jahre nach der Geburt des Universums kühlte es so weit ab, dass sich Atome bilden konnten und sich der Nebel aus geladenen Teilchen lichtete, sodass Licht zum ersten Mal frei strömen konnte. Dieses erste Licht erreicht die Erde noch heute als kosmische Mikrowellenhintergrundstrahlung, die gleichzeitig aus allen Richtungen eintrifft.
Sie ist nicht vollkommen gleichmäßig. Satellitenmessungen haben ergeben, dass ein Bereich des Himmels eine Temperatur von 2,7251 Kelvin aufweist, während ein anderer 2,7249 Kelvin misst – ein Unterschied von zwei Zehntausendstel Grad. Genau diese winzige Ungleichmäßigkeit brauchten die Kosmologen: Ohne sie hätte die Schwerkraft nichts Zusätzliches gehabt, an dem sie ansetzen konnte, und Materie hätte sich womöglich nie zu Galaxien zusammengeballt. Diese winzigen Schwankungen präzise genug zu kartieren, um relevant zu sein, dauerte Jahrzehnte und mehrere Generationen von Raumsonden, von denen jede ein noch schwächeres Signal aufspürte als die vorherige.
Eine zufällige Entdeckung, die einen Nobelpreis einbrachte
1964 fingen die Radioastronomen Arno Penzias und Robert Wilson von den Bell Labs mit ihrer Antenne ein schwaches, gleichmäßiges Rauschen auf, das nicht verschwand, egal in welche Richtung sie sie ausrichteten. Sie waren nicht auf der Suche nach der Geburt des Universums, sondern versuchten, ein Störgeräusch in ihrer Anlage aufzuspüren – und dieses „Rauschen" entpuppte sich als die kosmische Hintergrundstrahlung selbst. Es ist eine der unwahrscheinlicheren Entdeckungsgeschichten der Wissenschaft: Der größte kosmologische Fund des Jahrzehnts trat als vermeintlicher Defekt auf.
Vierzehn Jahre später, 1978, erhielten die beiden für diese Entdeckung den Nobelpreis für Physik – sie lieferte der Kosmologie den bis dahin stärksten Beleg dafür, dass das Universum in einem heißen, dichten Zustand begonnen hatte, statt ewig in einem stabilen Zustand zu verharren.
Ein Satellit, der das Babyfoto von allem kartierte
Die Antenne von Penzias und Wilson konnte bestätigen, dass die Hintergrundstrahlung existierte, aber nicht zeigen, wie der Himmel im Detail aussah. Dafür brauchte es eigens dafür gebaute Raumsonden: 1992 spürte NASAs Cosmic Background Explorer die schwachen Temperaturschwankungen über große Himmelsbereiche hinweg auf, und die Wilkinson Microwave Anisotropy Probe verfeinerte dieses Bild später zur ersten vollständigen Himmelskarte mit einer Auflösung von nur 0,2 Grad.
Der Physiker Adam Riess, der sich 2011 für eine andere Arbeit über die kosmische Beschleunigung seinen eigenen Nobelpreis teilte, brachte die Bedeutung der Mission auf den Punkt: Sie habe der Kosmologie Präzision gebracht, und das Fachgebiet sei danach nie mehr dasselbe gewesen. Eine so feinaufgelöste Karte machte aus dem Urknall keine grobe Skizze mehr, sondern etwas, das eher einem technischen Bauplan glich – mit Zahlen, auf denen andere Wissenschaftler tatsächlich aufbauen konnten.
Die Astronomen, die die Expansion kommen sahen
Lange bevor irgendjemand von der kosmischen Mikrowellenhintergrundstrahlung gehört hatte, steckten die Hinweise bereits im gewöhnlichen Sternenlicht. 1912 richtete Vesto Slipher sein Spektrograf auf das, was man damals Spiralnebel nannte, und bemerkte etwas Merkwürdiges: Fast jeder von ihnen entfernte sich rasend schnell von der Erde.
Bis Ende der 1920er-Jahre hatte Edwin Hubble aus dieser Merkwürdigkeit ein Muster gemacht und gezeigt, dass sich weit entfernte Galaxien in alle Richtungen entfernten – genau das, was Einsteins eigene Gleichungen vorhersagten, wenn sich der Raum selbst dehnte. Es war weniger ein einzelner „Entdeckungsmoment" als vielmehr jahrelange Evidenz, die still und leise in dieselbe Richtung wies, wobei Sliphers Spektren einen Großteil der Vorarbeit leisteten, die am Ende mit Hubbles Namen verbunden wurde.
Der Priester, der dem Anfang einen Namen gab
Georges Lemaître, ein belgischer Physiker und katholischer Priester, kam unabhängig davon zu einem ähnlichen Schluss. 1931 schlug er vor, dass das Universum aus dem entstanden sei, was er ein „Uratom" nannte – die Idee, aus der sich später das moderne Urknallmodell entwickelte.
Lemaîtres Handschrift reicht sogar noch weiter zurück als jene berühmte Arbeit. Der allererste Datenpunkt hinter dem, was heute Hubble-Konstante genannt wird – die Zahl, die beschreibt, wie schnell sich das Universum ausdehnt –, stammte tatsächlich aus einer Arbeit von ihm aus dem Jahr 1927, aufgebaut auf Galaxienentfernungen, die Hubble selbst gemessen und veröffentlicht hatte. Am Ende benannte die Geschichte die Konstante nach demjenigen, der die Entfernungen geliefert hatte, statt nach dem Priester, der sie als Erster gegen die Geschwindigkeit auftrug.
Größtenteils aus Dingen gebaut, die wir nicht sehen können
Zählt man jeden Stern, jeden Planeten, jeden Mond und jeden Menschen zusammen, machen gewöhnliche Atome immer noch nur etwa 5 % der Masse und Energie des Universums aus. Der Rest verteilt sich auf zwei Komponenten, die überhaupt kein Licht aussenden: dunkle Materie mit 27 % und dunkle Energie mit dominierenden 68 %.
Direkt nachgewiesen hat bislang niemand eines von beiden. Dunkle Materie wird aus ihrer Schwerkraft erschlossen – sie hält Galaxien deutlich fester zusammen, als ihre sichtbare Materie allein könnte –, während dunkle Energie aus der Tatsache abgeleitet wird, dass sich die Expansion des Universums immer weiter beschleunigt, statt sich zu verlangsamen. Gewöhnliche Materie, der Stoff des Periodensystems, erweist sich als Minderheitsgesellschafter im eigenen Universum – eine Tatsache, die den Großteil eines Jahrhunderts an Messungen brauchte, um sie mit einiger Sicherheit festzunageln.
Das erste Feuerwerk der kosmischen Chemie
In den ersten etwa 20 Minuten nach dem Urknall waren die Bedingungen heiß und dicht genug, damit Protonen und Neutronen zu den ersten leichten Atomkernen des Universums verschmelzen konnten – Wasserstoff-2, Helium-3, Helium-4 und Lithium-7. Dieser Prozess, die Urknall-Nukleosynthese, ist der Grund, warum das Periodensystem im Grunde schon mit fertigem Helium startete, lange bevor auch nur ein einziger Stern zu leuchten begann.
Astronomen schätzen, dass die allerersten Sterne des Universums die Sonne in den Schatten stellten: etwa 30- bis 300-mal so massereich und Millionen Mal heller leuchtend – Giganten im Vergleich zu dem Stern im Zentrum unseres eigenen Sonnensystems.
Ein Universum, das zu groß ist, um es auf einmal zu sehen
Der Teil des Universums, den unsere Teleskope erreichen, ist in alle Richtungen recht gleichmäßig mit Galaxien gefüllt und erstreckt sich über mehr als 10 Milliarden Lichtjahre – rund 6 Trilliarden Meilen von der Erde entfernt. Jenseits dieser Grenze hatte das Licht schlicht noch keine Zeit, die Erde zu erreichen – das bedeutet nicht, dass das Universum dort endet, sondern nur, dass unser Blick darauf dort endet.
Zu den am weitesten entfernten Objekten in dieser Reichweite gehört GN-z11, eine Galaxie, die das Hubble-Weltraumteleskop 2016 bei einer Rotverschiebung von etwa z≈11,1 einfing – sie zeigt sich so, wie sie rund 400 Millionen Jahre nach Beginn der Geschichte des Universums aussah, eine Momentaufnahme aus einer Zeit, als der Kosmos nur einen kleinen Bruchteil seines heutigen Alters hatte. Jede Tatsache in diesem Leitfaden, von der Antenne in New Jersey bis zum Nachglühen, das heute Nacht über uns steht, ist im Grunde ein langes Argument für dieselbe Schlussfolgerung: Das Universum hatte einen Anfang, und die Beweise dafür treffen noch immer ein.