Arnold Benz - Das geschenkte Universum

Newtons Gottesbild eines Welterhalters und aktiven Weltenlenkers stieß beim berühmten deutschen Philosophen Gottfried Wilhelm Leibniz (1646–1716) auf vehemente Kritik. Warum sollte Gott in seiner Allmacht nicht ein Universum erschaffen können, das keinen Unterhalt braucht? Leibniz gehörte geistig einer älteren Generation an, die noch geprägt war durch Gedankenfiguren aus der Antike und dem Mittelalter. In dieser Tradition galt Gott als Inbegriff von Allmacht und Allwissenheit. Allerdings war dieser Begriff eines unendlich fernen und am Gegenwartsgeschehen unbeteiligten Gottes dem Untergang geweiht. Es ist nicht erstaunlich, dass der moderne Atheismus in dieser zweiten Hälfte des 17. Jahrhunderts erstmals philosophisch ausformuliert wurde. Der Atheismus zu jener Zeit war im Grunde agnostisch.4 Ein Gott, der zwar vor langer Zeit das Universum erschaffen hatte, aber im Leben keine Rolle spielte, ist letztlich unwichtig und kann ohne Schaden beiseitegelegt werden. Newtons Erklärungsversuch zur Stabilisierung des Universums überlebte nicht lange. Sobald die Gravitation im frühen 18. Jahrhundert zu einer rein physikalischen Kraft wurde, verlor die Idee eines »handgreiflichen« Gottes an Attraktivität. Newtons Vorgehen hingegen, die Natur selbst zu befragen, ist noch heute die Methode der neuen Naturwissenschaften. Das wollen auch wir in unserem Bericht über die Entstehung von Sternen und Planeten tun.

Die Vorstellungen haben sich in den vergangenen dreihundert Jahren dank neuer Beobachtungsmethoden einschneidend verändert. Die Grundidee von Newton, dass sich Sterne aus dem interstellaren Gas durch Selbstgravitation bilden, ist zwar noch immer aktuell. Sie wird aber der heute bekannten Komplexität der Vorgänge nicht gerecht. Nicht nur die Schwerkraft ist wichtig, fast die ganze Physik von magnetischen bis zu nuklearen Kräften und selbst die Chemie des interstellaren Gases wirken mit. Sterne, insbesondere solche in ihrer Anfangsphase, sind keine unveränderlichen Kugeln, sondern dynamische Vorgänge, in denen sich Materie ansammelt, in Scheiben zu rotieren beginnt, sich chemisch verändert und zum Teil wieder ausgeworfen wird. Vielleicht die wichtigste Erkenntnis: Wenn sich Sterne bilden, ist die ganze Vorgeschichte seit dem Beginn des Universums von Belang. Dies weist auf kosmosweite Zusammenhänge, die wir noch lange nicht alle verstehen. Treten wir hinaus und machen wir eine Reise, um uns diese Dinge näher anzuschauen!

Der Raum zwischen den Sternen ist nicht ganz leer. Es gibt dort Atome, Moleküle, Elementarteilchen und feine Staubpartikel. Die Unterschiede von Ort zu Ort sind immens. Sie unterscheiden sich um viele Zehnerpotenzen in Dichte und Temperatur. Selbst der Zustand der Materie ist verschieden und geht von Staub und molekularem Gas nahe beim absoluten Nullpunkt der Temperatur (-273 Grad Celsius) über atomares Gas mit einigen tausend Grad bis zu ionisiertem Gas mit Millionen von Grad, das vor allem aus Elektronen und Protonen besteht. Das Sonnensystem und die allernächsten Sterne sind von einem siebentausend Grad heißen Gas umgeben. In einem Würfel von zwei Zentimeter Kantenlänge befinden sich durchschnittlich nur zwei Atome oder Atomkerne. Das Gas ist gleichwohl etwa zehnmal dichter als die Umgebung. Man nennt es den »Lokalen Flaum« (Local Fluff). Die Sonne mit ihren kreisenden Planeten befindet sich nahe am Rand dieser langgestreckten Struktur. Der Lokale Flaum ist fünfundzwanzig Lichtjahre lang und zwischen fünf und zehn Lichtjahre breit. Die Breite entspricht etwa dem zehntausendfachen Durchmesser des Sonnensystems bis zum Planeten Neptun. Das Sonnensystem fliegt mit 26 Kilometern pro Sekunde durch diese kleine interstellare Wolke. Weltraumsonden spüren das Gas des Lokalen Flaums auf, wie es zwischen den Planeten vorbeiströmt. Die verblüffend hohe Temperatur birgt übrigens keine Gefahr auf interplanetaren Reisen, weil die wenigen Atome pro Kubikzentimeter die vielen Atome in der Hülle eines Raumschiffs nicht zu erwärmen vermögen. Auch andere bekannte Nachbarsterne, wie Alpha Centauri, Wega und Altair, bewegen sich in derselben Wolke. Die Sonne ist eben erst eingetaucht und wird 200 000 Jahre brauchen, um den Lokalen Flaum zu durchqueren.

Abbildung 2: Der Orion-Nebel in rund 1500 Lichtjahren Entfernung füllt fast das ganze Sternbild. Das Bild zeigt einen Ausschnitt unterhalb der drei Gürtelsterne. In der Mitte beleuchtet eine Gruppe von jungen, hellen Sternen das Gas im Umkreis von 10 Lichtjahren. Auf diesem Hintergrund kann man dunkle Molekülwolken erkennen (Foto: M. Robberto u. a., NASA, ESA).

Der Lokale Flaum schwebt wie eine Daune in einem noch viel heißeren Gas, der »Lokalen Blase« (Local Bubble) mit einer Temperatur von einer halben Million Grad. Auch dieses Gas kann uns nichts anhaben. Öffnete ein Astronaut in der Lokalen Blase eine leere Literflasche, würden durchschnittlich nur zehn Atome darin Platz nehmen. Die Lokale Blase mit einem Radius von 150 Lichtjahren muss vor einigen zehn Millionen Jahren durch Supernovae in der Nähe des Sonnensystems entstanden sein. Warme und heiße Gebiete von der Art des Lokalen Flaums und der Lokalen Blase machen den weitaus größten Teil des Raumes in unserer Gegend der Milchstraße, unserer Galaxie, aus.

In diesen unvorstellbar großen Räumen gibt es zwar viele Sterne, aber das interstellare Gas mit seiner hohen Temperatur und sehr geringen Dichte kann keine neuen Sterne bilden. Sterne entstehen in einer dritten Zustandsform des interstellaren Gases, in den bereits erwähnten Molekülwolken (Dunkelwolken). Diese beanspruchen nur ein Prozent des Volumens, aber ein volles Drittel der Masse des lokalen interstellaren Gases in der Milchstraße. Molekülwolken müssen folglich sehr dicht sein. Die Moleküle in einem Gas stoßen gegeneinander und werden zum Rotieren und Schwingen angeregt. Sie sind dann in einem höheren Energiezustand und geben diese Energie nach einer Weile in Form einer elektromagnetischen Welle wieder von sich. In einem Bereich von Wellenlängen kleiner als ein Mikrometer nehmen unsere Augen diese Wellen als optisches Licht wahr. Im Infrarot sind die Wellenlängen größer und die Strahlung ist intensiver. Ihre Stärke nimmt zu bis zu einer Wellenlänge von fast einem Millimeter. Da ein dichtes Gas auf diese Weise viel seiner Wärme in den Weltraum abstrahlt, kühlt es sich ab. Bei tiefen Temperaturen besteht das Gas zum größten Teil aus Molekülen, und diese wiederum bestehen zu 99,99 Prozent aus molekularem Wasserstoff und atomarem Helium.

Hier gibt es ein subtiles Problem im Bereich von Molekülen, das uns später noch beschäftigen wird und große Auswirkungen auf die Wolken hat: Bei niedrigen Temperaturen sind Stöße schwach und bringen Moleküle nur zum Rotieren. Für alle anderen Strahlungsursachen, wie zum Beispiel Schwingungen, reicht die Energie in den kalten Wolken nicht. Ausgerechnet das häufigste Molekül, das Wasserstoffmolekül, und Helium werden jedoch bei niedrigen Temperaturen nur ungenügend angeregt, sodass sie überhaupt nicht zum Leuchten kommen. Daher sind Wasserstoffmoleküle in Wolken nicht beobachtbar, und sie tragen nichts zur Abkühlung bei, ohne die keine Sterne entstehen. Aus diesem Grund sind auch viel weniger häufige Moleküle wichtig, wie Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Wasserdampf, Methanol und Ammoniak. Sie strahlen ihre Rotationsenergie in Form von Infrarot- und Millimeterwellen ab.

Der Staub der Wolken schützt die zerbrechlichen Moleküle in diesen dunklen, kalten Winkeln unserer Galaxie vor hochenergetischen Strahlen und der Wärmestrahlung benachbarter Sterne. Ultraviolett- und Röntgenstrahlung von bereits entstandenen Sternen in der Nachbarschaft würden Moleküle aufbrechen und sie zerstören. Ohne Staub gäbe es keine Moleküle, ohne Moleküle keine Sterne und Planeten. Der interstellare Staub entstand im Wind von Sternen früherer Generationen. Wir werden diesen Winden noch näher begegnen, wenn wir auf die Endphase von Sternen detaillierter eingehen. Es gibt im Universum ein Geflecht von kausalen Zusammenhängen. Aber wie entstand der erste Stern – im frühen Universum ohne Staub und Moleküle? Eine Antwort auf diese Frage werden wir später geben.