Elektrisches Plasma vs. Big Bang

Der Ursprung unseres Universums

Stellen Sie sich den Moment vor, als unsere Vorfahren zum ersten Mal ihre Augen gen Himmel richteten, um in den Nachthimmel zu blicken. Diesem Moment entspringt vermutlich jegliche Vorstellung von Kunst, Mythos, Religion oder Wissenschaft. Die Kosmologie behandelt die Frage nach dem Ursprung und der Entstehung unseres Universums. Unvermindert erregt sie seit jeher unsere Faszination und unser Vorstellungsvermögen.

Manch einer würde behaupten, die derzeit dominierende wissenschaftliche Urknalltheorie des Universums trägt starke Züge eines Mythos, wenn nicht einer rein künstlerischen Wahrhaftigkeit. Noch dazu wird sie von Teilen des wissenschaftlichen Establishments mit einer Inbrunst verteidigt, die an blinden Glauben und religiösen Eifer grenzt – in einem so hohen Maße, dass sich 34 angesehene Wissenschaftler aus weltweit zehn Staaten dazu berufen fühlten, einen offenen Brief zu unterzeichnen, in dem sie mehr Offenheit und Fördergelder einforderten, um die Validität der Urknalltheorie und ihrer Alternativen zu erforschen. Zu diesen Alternativen zählen auch die Steady-State- und die Plasmakosmologie.

Argumente gegen die Urknalltheorie

Die Urknallkosmologie fußt auf jenen Eigenschaften des Universums, die zur Zeit ihrer Entwicklung mithilfe von Teleskopen beobachtet werden konnten. Im Wesentlichen observierte man damals Licht aus dem sichtbaren Teil des elektromagnetischen Spektrums; ein schmales Band, nicht einmal ein Oktav breit, mit Wellenlängen zwischen 390 und 700 Nanometern.

Seit den 1970er Jahren greifen Wissenschaftler bei der Erforschung des Alls auf Daten aus beinahe dem kompletten elektromagnetischen Spektrum zurück. Messbar sind insgesamt 73 Oktav: von Gamma-, Röntgen- und ultravioletter Strahlung am hochenergetischen Ende der Skala bis hin zu Infrarot-, Mikro- und Radiowellen am anderen Ende. Das eröffnete ein breites Panorama, während wir zuvor nur durch einen schmalen Spalt in einem schwarzen kosmischen Vorhang blinzeln konnten. Vor unseren weit reichenden Teleskopaugen (siehe Abb. 1) entfaltet sich heute ein fantastisches Spektakel im gesamten elektromagnetischen Spektrum quer durch die Raumzeit des Universums. Die energiereichsten Ereignisse in diesem Schauspiel sind Röntgenblitze. Sie ändern ihre Ausgangsleistung binnen Sekunden oder Millisekunden um mehrere Größenordnungen; einige sind bis zu 1010-mal schneller als Blitze im sichtbaren Spektrum.

Abb. 1: Stichproben verschiedener Teleskope (Stand: Februar 2013) von Wellenlängen aus dem elektromagnetischen Spektrum (von Gammastrahlung ganz links bis Radiostrahlung ganz rechts) (Bild: NASA)

Die neuen Beobachtungen und Erkenntnisse warfen unmittelbare Probleme für die Urknallkosmologie auf. Sie wurde daraufhin um bestimmte Parameter erweitert und zur Lambda-Cold-Dark-Matter-(ΛCDM-)Kosmologie umgearbeitet, auch bekannt als das kosmologische Standardmodell des Universums: das einfachste Modell, das (retrospektiv) zu den Beobachtungen im Licht entfernter Galaxien und Supernovae passt, einschließlich der kosmischen Hintergrundstrahlung und der beschleunigten Ausdehnung des Universums.

Die Ausdehnung des Universums ist abgeleitet aus dem Maß der Rotverschiebung im Licht astronomischer Objekte. Eine Rotverschiebung tritt auf, wenn sich die Wellenlänge des Lichts eines Objekts, das sich vom Beobachter entfernt, erhöht oder hin zum niedrigenergetischen Ende des elektromagnetischen Spektrums wandert. Der US-amerikanische Astronom Edwin Hubble (1889–1953) entdeckte: Die Rotverschiebung einer Galaxie erhöht sich mit zunehmender Entfernung zur Erde – was impliziert, dass sich das Universum ausdehnt. Geht man von einem linearen Verhältnis von Wellenlängenänderung zu ursprünglicher Wellenlänge aus, ergibt sich für die Rotverschiebung ein Wert von unter 0,1. Vergleicht man die Berechnungen anhand dieses Wertes mit den tatsächlichen Beobachtungen, so scheint das Licht entfernter Galaxien und Supernovae allerdings zu schwach zu sein. Das impliziert: Diese Objekte müssen weiter von uns entfernt sein als angenommen – ein Umstand, der nur durch die beschleunigte Ausdehnung des Universums erklärt werden kann.

Das Lambda (Λ) in derΛCDM-Kosmologie steht für die kosmologische Konstante – der Energiedichtewert des Vakuumraums –, auch bekannt als dunkle Energie. Diese hypothetische Entität ist nötig, um erklären zu können, wie die beschleunigte Ausdehnung des Alls zustande kommt, zumal ihr die anziehenden (kollabierenden) Effekte der Gravitation durch die Materie entgegenstehen. Derzeit schätzt man, dass etwa 68,3 Prozent der Energiedichte im Universum auf dunkle Energie entfallen.

„Cold dark matter“ – zu Deutsch: kalte dunkle Materie – ist eine Art hypothetischer Materie. Sie ist notwendig, um Gravitationswirkungen erklären zu können, die in übermäßig großen Strukturen beobachtet werden – etwa die Rotation ganzer Galaxien oder die verstärkte Häufung von Galaxien, die nicht mit der vorhandenen Menge sichtbarer Materie erklärt werden kann. Kalte dunkle Materie besteht aus einer Substanz, die sich von den Protonen und Neutronen gewöhnlicher Materie unterscheidet. Sie verflüchtigt sich nicht, sie kollidiert nicht und sie interagiert nur über die Gravitation mit anderen Partikeln oder anderer Materie. Rund 26,8 Prozent der Massenenergiedichte des Universums sollen auf dunkle Materie entfallen. Damit beläuft sich der Anteil an gewöhnlicher Materie auf 4,9 Prozent.

Dunkle Materie und dunkle Energie können per Definition nicht gemessen werden und sind lediglich hypothetische Parameter zur Rettung der Urknallkosmologie. Zusätzliche Probleme ergeben sich, wenn man die Rotverschiebung mit der Fluchtgeschwindigkeit und Distanz astronomischer Objekte von der Erde in Beziehung setzt. Der Astronom Halton Arp [1927–2013] war zu Beginn seiner Laufbahn als Assistent Edwin Hubbles tätig und arbeitete jahrelang an den Observatorien Mt. Palomar und Mt. Wilson, wo er seinen berühmten „Atlas of Peculiar Galaxies“ (Atlas ungewöhnlicher Galaxien) kompilierte. Arp machte eine interessante Entdeckung: Viele Quasarpaare¹ weisen hohe Rotverschiebungswerte (z) auf, müssten sich also der Theorie nach sehr schnell von der Erde wegbewegen und weit von uns entfernt sein. Erstaunlicherweise sind sie aber physisch mit Galaxien verbunden, die eine niedrige Rotverschiebung aufweisen und von denen man weiß, dass sie in relativer Nähe zu uns liegen. Arp lokalisierte viele Quasare mit hohen Rotverschiebungswerten, die symmetrisch auf beiden Seiten ihrer – wie Arp sie nannte – Muttergalaxien mit niedrigen Rotverschiebungswerten angeordnet waren.

Laut Arp setzt sich der beobachtete Rotverschiebungswert jedes astronomischen Objekts aus zwei Komponenten zusammen: die inhärente Komponente (der das Plasma zugrunde liegt) und die Geschwindigkeitskomponente. Doch lediglich die Geschwindigkeitskomponente wird von konventionellen Astrophysikern anerkannt – und das führt zu allerlei Paradoxa über die Entfernungen astronomischer Objekte sowie das Alter und die beschleunigte Ausdehnung des Universums. Laut Arp ist ein hoher Rotverschiebungswert ein Zeichen für die Jugendlichkeit einer Galaxie, und nicht für ihr hohes Alter. Seinen Forschungen zufolge scheinen die inhärenten Rotverschiebungswerte von Quasaren gequantelt zu sein, also nur bestimmte Werte annehmen zu können.