Dass der Nachthimmel in der Tat dunkel ist, steht für jeden außer Frage, der ihn schon einmal erlebt hat. Aber… die Erklärung dieser einfachen Tatsache wirft, wenn man gründlich darüber nachdenkt, eine Menge Fragen auf, die beantwortet werden müssen.
Wikimedia Commons user ForestWander
Aus unserer Perspektive hier im Sonnensystem macht es absolut intuitiv Sinn, warum wir bei Tag und bei Nacht sehen, was wir sehen. Tagsüber durchflutet das Sonnenlicht unsere Atmosphäre in alle Richtungen, wobei sowohl direktes als auch reflektiertes Sonnenlicht von überall her zu uns gelangt. Nachts durchflutet das Sonnenlicht die Atmosphäre nicht, und so ist es überall am Himmel dunkel, wo es keinen Lichtpunkt gibt, wie einen Stern, einen Planeten oder den Mond.
Aber man könnte anfangen, sich ein wenig mehr Gedanken zu machen. Wenn das Universum unendlich ist, sollte unsere Sichtlinie dann nicht irgendwann auf einen Stern stoßen, egal in welche Richtung wir schauen? Wenn es da draußen Billionen von Galaxien gibt und Teleskope in der Lage sind, die schwachen Galaxien zu sehen, die unsere Augen nicht sehen können, warum erhellt dann das Licht aller Galaxien zusammen nicht jeden Punkt des Himmels? Diese Frage ist nicht leicht zu beantworten, aber die Wissenschaft ist der Herausforderung gewachsen.
Die Milchstraße in der Nähe des Grand Canyon, zufällig der erste Ort, an dem ich selbst die Milchstraße gesehen habe,… was erst in meinen Zwanzigern geschah, da ich in städtischen Gebieten aufgewachsen bin. Die Ebene der Milchstraße erscheint dunkel und hebt sich von den Hintergrundsternen ab, die sich in der Ebene unserer Galaxie befinden.
Bureau of Land Management, unter einer cc-by-2.0-Lizenz
Dies ist ein Rätsel, das die Wissenschaftler seit Jahrhunderten beschäftigt. Wenn man genau darüber nachdenkt, ergibt es vielleicht nicht einmal für einen selbst einen Sinn. Ja, es stimmt, dass unsere Atmosphäre hier auf der Erde für sichtbares Licht weitgehend durchlässig ist, was es uns ermöglicht, nachts in die weiten Abgründe des Weltraums zu sehen. Unsere Position in der Galaxie bedeutet, dass nur die galaktische Ebene durch den Staub und das Gas im Vordergrund verdeckt ist, die das Licht aus der zentralen Region der Milchstraße blockieren.
Außerhalb davon könnte man jedoch erwarten, dass man Licht in jeder Richtung und an jedem Ort sieht, in den man hineinschauen kann. Denn wenn das Universum wirklich unendlich ist, dann geht die Leere des tiefen Raums unendlich weiter. In jeder erdenklichen Richtung wird Ihre Sichtlinie irgendwann auf einen leuchtenden Lichtpunkt treffen.
Das vollständige UV-Visuell-IR-Komposit des XDF; das größte Bild, das jemals vom fernen… Universums. In einer Region, die nur 1/32.000.000stel des Himmels ausmacht, haben wir 5.500 identifizierbare Galaxien gefunden, die alle dem Hubble-Weltraumteleskop zu verdanken sind. Doch selbst in dieser unglaublich tiefen Ansicht, die ein Universum mit Hunderten von Milliarden (oder mehr) Galaxien offenbart, erscheint der Raum immer noch dunkel.
NASA, ESA, H. Teplitz und M. Rafelski (IPAC/Caltech), A. Koekemoer (STScI), R. Windhorst (Arizona State University) und Z. Levay (STScI)
Wenn dies wahr wäre, dann wäre der Nachthimmel überhaupt nicht dunkel, sondern würde von jedem Stern erhellt, dessen Lichtweg die lange Reise zur Erde zurückgelegt hat.
Aber selbst wenn wir in die tiefsten Tiefen des scheinbar leeren Raums blicken, wo keine Sterne oder Galaxien von menschlichen Augen oder sogar konventionellen Teleskopen gesehen werden können, zeigen unsere leistungsfähigsten Observatorien so viel, was dort ist, aber es sind immer noch nur ein paar Lichtpunkte vor dem schwarzen Hintergrund des leeren Raums.
Ja, das Universum ist voller Sterne und Galaxien. Ja, sie befinden sich in enormen Entfernungen: Millionen, Milliarden oder sogar Zehnmilliarden von Lichtjahren entfernt. Das Sternenlicht reist durch das Universum und erreicht unsere besten Beobachtungsgeräte, die ein reiches Universum mit einer enormen Ausdehnung offenbaren. Aber enorm, egal wie groß es wird, ist noch lange nicht unendlich.
Es könnte sein, dass das Universum wirklich unendlich ist, mit einer unendlichen Anzahl von Sternen und… Galaxien in allen Richtungen. Aber wenn das der Fall wäre, würde man erwarten, dass die eigene Sichtlinie irgendwann ein leuchtendes Objekt kreuzt. Wäre dies der Fall, wäre Dunkelheit unmöglich.
Andrew Z. Colvin / Wikimedia Commons
Die Wissenschaft ist sich noch nicht einig, ob das Universum endlich oder unendlich ist; wir wissen es einfach nicht. Was wir jedoch wissen, ist, dass der Teil des Universums, der für uns beobachtbar ist, endlich sein muss. Obwohl wir bis in die zweite Hälfte des 20. Jahrhunderts praktisch nichts über die großräumige Struktur des Universums wussten, wussten wir doch, dass ein unendlich großes, beobachtbares Universum schlichtweg unmöglich ist.
Bereits in den 1800er Jahren stellte Heinrich Olbers ein mathematisches Paradoxon fest. Wenn man ein unendliches Universum mit einer konstanten Dichte von Sternen und/oder Galaxien hätte, dann würde man aus jeder Richtung, in die man schaut, eine unendliche Menge an Licht sehen. Man würde alle Sterne sehen, die in der Nähe sind, und in den Zwischenräumen zwischen den Sternen würde man die weiter entfernten Sterne sehen. In den Zwischenräumen zwischen diesen Sternen würde man noch mehr Sterne sehen, die sich in größerer Entfernung befinden. Unabhängig von der Entfernung zu ihnen – Millionen, Milliarden, Billionen, Quadrillionen von Lichtjahren usw. – stößt man schließlich überall auf einen Stern.
Sterne gibt es in einer Vielzahl von Größen, Farben und Massen, darunter viele helle, blaue, die … zehn- oder sogar hundertmal so massiv sind wie die Sonne. Das zeigt sich hier im offenen Sternhaufen NGC 3766 im Sternbild Centaurus. Wäre das Universum unendlich, würde selbst ein Haufen wie dieser keine „Lücken“ zwischen den Sternen aufweisen, da ein weiter entfernter Stern diese Lücken schließlich ausfüllen würde.
ESO
Betrachten Sie das Ganze einmal mathematisch, wenn Sie wollen. Wenn die Dichte der Sterne im gesamten Weltraum konstant ist, dann ist die Gesamtzahl der Sterne, die man findet, gleich der Sterndichte multipliziert mit dem Volumen des Universums. Je weiter ein Stern entfernt ist, desto schwächer erscheint er: Seine Helligkeit nimmt mit dem Quadrat der Entfernung ab (~1/r2).
Die Gesamtzahl der Sterne, die man in einer bestimmten Entfernung sehen kann, hängt jedoch mit der Oberfläche einer Kugel zusammen, die mit dem Quadrat der Entfernung zunimmt. (Die Formel für die Oberfläche einer Kugel lautet 4πr2.) Multipliziert man die Anzahl der Sterne mit der Helligkeit der einzelnen Sterne, erhält man eine Konstante. Die Helligkeit in einer bestimmten Entfernung ist ein bestimmter Wert: Nennen wir ihn B. Bei doppelter Entfernung ist die Helligkeit ebenfalls B. Dreimal so weit? Immer noch B. Viermal? Wieder B.
Eine Veranschaulichung des Olbers’schen Paradoxons und der Tatsache, dass man in einem gleichmäßig dichten Universum auf eine… unendliche Menge an Sternenlicht in jeder Richtung stoßen würde.
Wikimedia Commons Benutzer Htkym
Nun addiere diese Reihe: B + B + B + B + ….. und so weiter. Können Sie sehen, wohin das führt? Die Antwort lautet leider: gegen unendlich. Wenn diese Reihe nicht unterbrochen wird, erhält man einen unendlichen Wert für die Helligkeit des Nachthimmels in jeder Richtung.
Im 19. Jahrhundert zog Olbers mit dieser Argumentation den Schluss, dass das beobachtbare Universum nicht unendlich sein kann, aber er konnte sich nicht sicher sein. Schließlich gab es noch andere astronomische Bedenken. Einer der häufigsten Einwände war, dass diese naive Analyse nicht den gesamten lichtblockierenden Staub berücksichtigte, der eindeutig vorhanden war und den man allein durch einen Blick auf die Ebene der Milchstraße erkennen konnte. Selbst in der heutigen Zeit sind viele unserer berühmtesten astronomischen Sehenswürdigkeiten mit lichtblockierendem Staub gefüllt.
Dunkle, staubige Molekülwolken, wie diese in unserer Milchstraße, werden mit der Zeit kollabieren und… neue Sterne entstehen lassen, wobei die dichtesten Regionen darin die massereichsten Sterne bilden. Doch auch wenn sich dahinter viele Sterne befinden, kann das Sternenlicht den Staub nicht durchdringen; es wird absorbiert.
ESO
In einem endlichen Universum kann dieser Staub mit dem Sternenlicht konkurrieren, da das sichtbare Licht, das auf den Staub trifft, absorbiert und mit niedrigeren Energien wieder abgestrahlt wird. Wäre das Universum jedoch wirklich unendlich, würde sich das Problem des Olbers’schen Paradoxons für jedes Staubkorn da draußen stellen: Jedes Korn müsste eine unendliche Menge an Sternenlicht absorbieren, bis auch es mit der gleichen Temperatur strahlt wie das gesamte absorbierte Licht!
Mit anderen Worten: Irgendetwas stimmt nicht. Unser Universum konnte nicht statisch, unendlich und voller Sterne sein, die ewig leuchteten. Wäre dies der Fall, wäre der Nachthimmel für immer und ewig hell, an allen Orten und in alle Richtungen. Offensichtlich ist hier etwas anderes am Werk.
Das beobachtbare Universum mag von unserem Standpunkt aus 46 Milliarden Lichtjahre in alle Richtungen betragen,… aber es gibt sicherlich noch mehr, unbeobachtbares Universum, vielleicht sogar eine unendliche Menge, genau wie unseres darüber hinaus. Das Universum mag unendlich sein, aber wir können nur Licht sehen, das 13,8 Milliarden Jahre lang unterwegs war: die Zeit seit dem Urknall.
Frédéric MICHEL und Andrew Z. Colvin, kommentiert von E. Siegel
Die rettende Tatsache, die Olbers zu seiner Zeit nicht wissen konnte, ist nicht, dass das Universum keine unendliche Ausdehnung hat (das könnte es immer noch), sondern dass es in seiner heutigen Form nicht unendlich lange zurückreicht. Das Universum, das wir heute bewohnen, hatte einen Anfang: einen Tag ohne ein Gestern. Dieser Anfang ist als Urknall bekannt, der den Startpunkt für alle Materie, Strahlung, Energie und Licht setzt, die möglicherweise im beobachtbaren Universum existieren.
Das Universum existiert nicht ewig, und deshalb können wir nur Sterne und Galaxien beobachten, die eine bestimmte und endliche Entfernung entfernt sind. Daher können wir nur eine endliche Menge an Licht, Wärme und Energie von ihnen empfangen, und es kann keine beliebig große Menge an Licht an unserem Nachthimmel geben.
Künstlerische Vorstellung des beobachtbaren Universums in logarithmischer Skala. Galaxien weichen großräumigen … Strukturen und dem heißen, dichten Plasma des Urknalls am Rande. Der Versuch, herauszufinden, wie viele Galaxien im sichtbaren Universum existieren, ist eine der großen kosmischen Fragen unserer Zeit.
Wikipedia-Benutzer Pablo Carlos Budassi
Damit wird ein weiteres Teil des Puzzles aufgedeckt. Wenn das Universum zu einem frühen Zeitpunkt heiß und dicht und voller Materie und Strahlung war, wie es der Urknall behauptet, dann sollte diese frühe Strahlung irgendwann zu unseren Augen gelangen. Überall, wohin wir schauen, in alle Richtungen, sollte es kein Entrinnen vor dieser Strahlung geben.
In der Tat können wir auf der Grundlage heutiger Beobachtungen berechnen, wie viele Photonen, die vom Urknall übrig geblieben sind, heute das Universum erfüllen, und die Antwort lautet: 411 von ihnen für jeden Kubikzentimeter Raum. Wenn Sie fragen, warum wir sie nicht entdecken, lautet die Antwort, dass wir es tun, und zwar ständig. Wenn Sie einen sehr alten Fernseher mit Hasenohren in die Tiefen des intergalaktischen Raums bringen würden, weit weg von allen stellaren oder terrestrischen Radioquellen, könnten Sie ihn auf Kanal 3 einstellen. Man würde immer noch etwa 1 % des „Schnees“ sehen, den man auf der Erde sieht; das ist die Strahlung des Urknalls.
Dieser alte Fernseher hat die Antennen der alten Schule oben drauf, mit denen man… Fernsehsignale auffängt. Hier auf der Erde ist ein winziger Bruchteil dieses „Schnee“-Signals, etwa 1 %, auf die Strahlung des Urknalls zurückzuführen.
Getty
Die Tatsache ist, dass wir dieses Licht vom Urknall empfangen, und dass es überall am Himmel zu finden ist, auf unvermeidliche Weise. Der einzige Grund, warum wir es nicht mit bloßem Auge sehen, ist, dass sich das Universum im Laufe der kosmischen Geschichte ausgedehnt hat und dieses einst sichtbare Licht jetzt so lange Wellenlängen hat, dass unsere Augen es nicht sehen, unsere Haut es nicht spüren und unser Körper es nicht wahrnehmen kann.
Aber unsere Mikrowellen- und Radioantennen können es auffangen. So wurde diese Strahlung zum ersten Mal entdeckt und der Urknall bestätigt: mit einer riesigen Radioantenne, die dieses Signal auffing, egal wann und wohin die Wissenschaftler, die sie betrieben, schauten. Hätten sich unsere Augen darauf eingestellt, Mikrowellen- oder Radiostrahlung zu sehen, sähen wir in der Tat einen Nachthimmel, der in jeder Richtung gleichmäßig hell wäre, ohne dunkle Flecken.
Nach den ursprünglichen Beobachtungen von Penzias und Wilson strahlte die galaktische Ebene einige… astrophysikalische Strahlungsquellen aus (Mitte), aber darüber und darunter blieb nur ein nahezu perfekter, gleichmäßiger Strahlungshintergrund. Die Temperatur und das Spektrum dieser Strahlung sind inzwischen gemessen worden, und die Übereinstimmung mit den Vorhersagen des Urknalls ist außergewöhnlich. Wenn wir das Mikrowellenlicht mit unseren Augen sehen könnten, würde der gesamte Nachthimmel wie das abgebildete grüne Oval aussehen.
NASA / WMAP Science Team
Es braucht zwei Fakten, um zu erklären, warum der Nachthimmel dunkel ist. Die erste ist, dass das Universum erst seit einer begrenzten Zeit existiert, was das Ausmaß und die Menge der Strahlung begrenzt, die wir gegenwärtig beobachten können. Der zweite Grund ist, dass wir nur einen begrenzten Teil des elektromagnetischen Spektrums sehen können: den optischen Teil.
Wenn wir stattdessen den Himmel im Mikrowellenlicht sehen könnten, würde der Himmel in allen Richtungen zu jeder Zeit hell erscheinen. Es ist schon ein wenig ironisch, wenn man darüber nachdenkt, dass es nur unsere menschlichen Beschränkungen sind, die den Nachthimmel als interessanten Ort zum Erforschen erscheinen lassen. Heute haben wir Satelliten gebaut, die diese Strahlung genau messen können, und sie haben uns viel mehr über den Ursprung und die Eigenschaften unseres Universums gelehrt, als wir jemals mit unseren begrenzten Sinnen allein erfahren würden. Der Nachthimmel mag uns dunkel erscheinen, aber das Licht, das immer da ist, hat uns die endgültige Auflösung dieses kosmischen Paradoxons gelehrt.