Wenn du an einer klaren Nacht nach oben schaust, gehört jeder Stern, Planet und jede leuchtende Nebel, die du sehen kannst, zu einer kleinen Minderheit. Dunkle Materie macht 85 % der Gesamtmasse des Universums aus, während dunkle Materie und dunkle Energie zusammen 95 % seines Gesamtenergiegehalts ausmachen. Gewöhnliche Materie – alles, das aus Atomen besteht, einschließlich jedes Sterns und jedes Lesers dieser Seite – ist dagegen ein Rundungsfehler.
Das Universum ist alles: alle Materie, Energie und die Strukturen, die sie bilden, von Elementarteilchen bis zu Galaxienfilamenten. Es expandiert seit 13,8 Milliarden Jahren, angefangen mit einem dichten Feuerball beim Urknall, und Kosmologen haben im letzten Jahrhundert damit verbracht, herauszufinden, wie seltsam diese Expansion und ihr Inhalt wirklich sind.
Eine Blase 93 Milliarden Lichtjahre breit
Der Teil des Universums, den wir tatsächlich beobachten können, ist eine Sphäre, die auf der Erde zentriert ist. Die eigentliche Entfernung zwischen Erde und dem Rand des beobachtbaren Universums beträgt 46 Milliarden Lichtjahre, so dass die ganze Blase etwa 93 Milliarden Lichtjahre breit ist. Diese Zahl überrascht Menschen, die davon ausgehen, dass „13,8 Milliarden Jahre alt" das sichtbare Universum auf einen Radius von 13,8 Milliarden Lichtjahren begrenzen sollte.
Die Auflösung besteht darin, dass Licht und Raum zwei verschiedene Dinge tun. Licht vom Rand des beobachtbaren Universums reist seit etwa 13,8 Milliarden Jahren, aber die eigentliche Entfernung zu diesem Rand ist größer, weil sich der Rand und die Erde voneinander entfernt haben, während der Raum selbst während der Reise expandierte. Das Licht ist alt; der Raum, den es durchquert hat, dehnt sich weiter aus.
Niemand weiß, wie groß das Gesamtuniversum ist – nur wie viel davon wir von hier aus sehen können. Die Zahl von 93 Milliarden Lichtjahren ist ein Horizont, nicht eine Wand.
Mehr Sterne als Körner auf jedem Strand
In diesem Horizont werden die Zahlen fast absurd. Das beobachtbare Universum enthält schätzungsweise bis zu 2 Billionen Galaxien und insgesamt schätzungsweise 10^24 Sterne – mehr Sterne als alle Sandkörner an jedem Strand auf der Erde.
Dieser Vergleich ist nicht nur eine rhetorische Redewendung; es ist die Art von Zahl, die aufhört, etwas zu bedeuten, sobald du versuchst, sie dir vorzustellen. Zwei Billionen Galaxien sind ungefähr 250 Galaxien pro aktuell lebendem Menschen, und jede dieser Galaxien kann selbst Hunderte von Milliarden Sternen enthalten. Die Milchstraße ist eine Galaxie unter dieser Zahl, umkreist nichts Besonderes, an keinem besonderen Ort.
Ein Universum, das zu 95 % unsichtbar ist
Hier ist der Teil, der Physiker nachts wach hält: Der größte Teil dieser Masse-Energie besteht überhaupt nicht aus Atomen. Die Masse-Energiedichte des Universums beträgt 68 % dunkle Energie, 27 % dunkle Materie und 5 % gewöhnliche Materie – das Zeug von Sternen, Planeten und Menschen.
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Dunkle Materie allein soll etwa 26,8 % der Gesamtmasse-Energie des Universums ausmachen, aber 84,5 % der gesamten Materie darin. Mit anderen Worten: Wenn Astronomen von „Materie" im kosmischen Sinne sprechen, sind fünf von sechs Einheiten dunkle Materie, nicht Atome. Sie emittiert, absorbiert oder reflektiert Licht nicht, und ihre Existenz wird ausschließlich aus ihrer Schwerkraft hergeleitet – sie taucht einfach nicht in den 5 % auf, die wir direkt nachweisen können.
Selbst die 5 % mit der Bezeichnung „gewöhnliche Materie" sind irreführend, wenn du dir Sterne vorstellst. Die große Mehrheit der gewöhnlichen Materie im Universum ist unsichtbar, da sichtbare Sterne und Gas in Galaxien und Clustern weniger als 10 Prozent des Beitrags der gewöhnlichen Materie zur Masse-Energiedichte des Universums ausmachen. Die meisten Atome, die es gibt, leuchten nirgendwo – sie sind diffuses Gas, das zwischen und um Galaxien verstreut ist, niemals dicht genug, um zu zünden.
Zehn Milliarden zu Eins: Wie Materie gewann
Die Physik sagt voraus, dass der Urknall gleiche Mengen Materie und Antimaterie hätte schaffen sollen, die sich gegenseitig in reine Energie umgewandelt hätten und nichts hinterlassen hätten – keine Galaxien, keine Sterne, keine Leser. Es ist offensichtlich nicht so gelaufen: Das Universum hat 10 Milliarden Mal mehr Materie als Antimaterie.
Dieses ungleiche Verhältnis ist eines der offenen Rätsel der Kosmologie, und es ist auch der Grund, warum es überhaupt etwas gibt. Selbst mit Materies Vorteil von zehn Milliarden zu eins ist das resultierende Universum immer noch bemerkenswert dünn. Die durchschnittliche Dichte des Universums, über diesen ganzen Raum verteilt, ist etwa 1 Proton pro 200 Liter – leerer als die beste je auf der Erde gebaute Vakuumkammer.
Das älteste Foto des Universums
Die kosmische Mikrowellenhintergrundstrahlung oder CMB ist das Nächste, das die Kosmologie einem Babyfoto hat. Es ist die Reststrahlung vom Nachglühen von ungefähr 380.000 Jahren nach dem Urknall, als die Temperatur des Universums zum ersten Mal auf den Punkt fiel, an dem Atomkerne sich mit Elektronen verbinden konnten, um neutrale Atome zu schaffen und Licht zum ersten Mal frei reisen lässt.
Dieses Nachglühen kühlt sich seither ab. Heute hat die CMB ein thermisches Schwarzkörperspektrum bei einer Temperatur von 2,72548±0,00057 K – ein paar Grad über dem absoluten Nullpunkt, einheitlich über den ganzen Himmel.
Sie wurde fast zufällig entdeckt. Die Entdeckung der CMB 1964 durch die amerikanischen Radioastronomen Arno Allan Penzias und Robert Woodrow Wilson war der Höhepunkt von Arbeiten, die in den 1940er Jahren eingeleitet wurden; Sie versuchten, Rauschen aus einer Radioantenne zu beseitigen, und stolperten stattdessen über die Restwärme des Urknalls selbst.
Die CMB ist auch fast, aber nicht ganz, perfekt glatt. Sie ist isotropisch auf ungefähr einen Teil in 25.000, mit Quadratwurzel-Mittel-Quadrat-Variationen von knapp über 100 μK, sobald der Dipol, der durch unsere eigene Bewegung verursacht wird, subtrahiert wird. Dieser Dipol ist selbst ein wertvolles Faktum: Er wird durch die eigene besondere Geschwindigkeit der Sonne von 369,82±0,11 km/s relativ zum mitbewegten kosmischen Ruhesystem verursacht, während das Sonnensystem zur Konstellation Crater nahe ihrer Grenze zu Leo driftet. Selbst wenn du auf der Erde stillstehst, wirst du mit dieser Geschwindigkeit durch das älteste Licht des Universums getragen.
Der Druck, der gewinnt
Dunkle Energie ist die seltsamste Zutat im Mix, genau deshalb, weil sie so dünn ist. Die Dichte der dunklen Energie ist sehr gering, etwa 7×10−30 g/cm3, viel geringer als die Dichte von gewöhnlicher Materie oder dunkler Materie in Galaxien. Eine einzelne Galaxie packt im Vergleich zu Dunkelenergie über denselben Raum viel mehr Masse in ihr Volumen.
Und doch dominiert sie das Gesamtenergiebudget des Universums, denn im Gegensatz zu Materie verdünnt sie sich nicht, wenn sich der Raum ausdehnt – sie füllt jeden neuen Kubikmeter Raum mit der gleichen niedrigen Dichte, und der Raum macht immer mehr Kubikmeter. Der Beweis, dass dieser Druck real ist, statt nur theoretisch, kam 1999: Das Supernova Cosmology Project fand Hinweise darauf, dass sich die Expansion des Universums beschleunigt, anstatt unter seiner eigenen Schwerkraft zu verlangsamen, wie Astronomen angenommen hatten. Etwas drückte auf den größten Skalen gegen die Schwerkraft zurück, und es gewinnt seither.
Der fernste Rand dessen, was wir sehen können
Am äußersten Rand des beobachtbaren Universums sitzt der aktuelle Rekordhalter für Entfernung: das am weitesten entfernte identifizierte astronomische Objekt ist eine Galaxie, klassifiziert als MoM-z14, mit einer Rotverschiebung von 14,44. Sein Licht hat sich auf den Weg gemacht, als das Universum noch ein kleiner Bruchteil seines heutigen Alters war, und reist seither zu uns.
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Zoome zurück auf die Skala von Galaxienclustern und Superclustern, und die Struktur des Universums läuft schließlich aus. Bei Skalen zwischen 30 und 200 Megaparsec scheint es keine weitere großflächige Struktur im Universum zu geben, ein Phänomen, das als End of Greatness bezeichnet wird – jenseits dieser Größe weicht das kosmische Netz von Filamenten und Lücken einem Universum, das in jeder Richtung statistisch gleich aussieht. Struktur hat eine Obergrenze; Einheitlichkeit nicht.