Astrophysik

Das Universum tickt anders

Galaxien driften auseinander, und mit ihnen dehnt sich die Zeit. Der UZH-Astrophysiker Romain Teyssier erforscht mit Hilfe von Supercomputern den Werdegang des Weltalls.

Michael T. Ganz

Universum
Astrophysiker Romain Teyssier: «Eine Jahrmilliarde ist für das heutige Universum eine eher kurze Zeiteinheit.»

 

Vor 13,8 Milliarden Jahren entstand mit dem Big Bang das Universum. Zu Beginn ist es eine schwarze Teilchensuppe, ein See aus dichter Materie. Die Schwerkraft lässt dann kleine Wellen entstehen, alles gerät in Bewegung, es bilden sich Teilchenhaufen, die allmählich auseinanderdriften. Wa-rum sie dies tun, ist bis anhin ein Rätsel. Nur eines ist den Astronomen klar: Die Expansion des Universums machte dieses überhaupt erst sichtbar...

 

Romain Teyssier, wie genau begann das Universum zu leuchten?

Teyssier: Das Universum ist ein Gas, und Gas, das sich ausdehnt, erkaltet. Stellen Sie sich vor: Nach dem Big Bang ist das Universum extrem heiss, die Teilchen sind in höchst bewegtem Zustand. Nach 400000 Jahren Expansion sind sie kühl genug, um sich zu beruhigen. Die Elektronen paaren sich mit Protonen zu Atomen. Wasserstoffatome machen 90 Prozent des Universums aus. Fast alle Teilchen, die den Photonen zuvor den Weg versperrten, sind nun also fort, und das Licht kann endlich in gerader Linie vordringen.

 

... Zu sehen gibt es aber noch lange nichts. Fast 100 Millionen weitere Jahre bleibt das Universum dunkel. Man spricht von den Dark Ages, den dunklen Zeiten der kosmischen Geschichte. Zwar ist das All bereits transparent, doch Sterne und Galaxien haben sich bislang keine gebildet. Es braucht noch viel Schwerkraft, um aus den kleinen Wellen im kosmischen See riesige Brecher zu formen, deren Schaumkronen dann zu ersten kleinen Galaxien und Sternen werden.

Jetzt endlich beginnt das Universum zu glimmen; nach einer weiteren Milliarde Jahre ist es voll erleuchtet. Und in den verbleibenden knapp 13 Milliarden Jahren bis zum heutigen Tag bilden sich dann nach und nach die wirklich grossen Galaxien. Die Milchstrasse ist eine der früheren: Sie ist schon rund 10 Milliarden Jahre alt. Auch unsere Sonne hat mit ihren 4 Milliarden Jahren ein stolzes kosmisches Alter, ebenso ihr etwa gleichaltriger Planet Erde.

Damit wäre die Geschichte des Universums eigentlich erzählt. Doch seit den 1990er-Jahren scheint es ein neues Kapitel zu geben. Astronomen stellten damals fest, dass die Expansion, die das Universum seit dem Big Bang antreibt, an Tempo zulegt. Die Gilde war in Aufruhr...

 

Von der schwarzen Teilchensuppe zum Galaxien-Meer: Das Universum (Bild: Alessandro Della Bella)
Von der schwarzen Teilchensuppe zum Galaxien-Meer: Das Universum (Bild: Alessandro Della Bella)

Was macht diese Erkenntnis denn so aufregend?

Teyssier: Sie hat uns total überrascht. Die Schulphysik sagt, dass sich Expansion aufgrund der Schwerkraft mit der Zeit verringert. Werfe ich einen Stein in die Luft, wird er langsamer und fällt dann auf den Boden zurück. Im Universum ist es aber offenbar so, dass der Stein immer schneller steigt und entschwindet. Dafür haben wir Physiker keine Erklärung. Die mysteriöse Kraft, die wir dahinter vermuten, haben wir Dunkle Energie getauft. Aber wir haben nicht die blasseste Ahnung, woher sie kommt. Sie hat jedenfalls einen gewaltigen Einfluss auf das Universum, denn nun entfernen sich die Galaxien immer rascher voneinander. Eine völlig neue Phase der kosmischen Geschichte.

Die Phasen dieser Geschichte variieren zwischen einem Sekundenbruchteil und Jahrmilliarden. Das sind extreme Gegensätze, die unsere menschliche Vorstellung von Zeit übersteigen. Kann man da überhaupt noch in Sekunden und Jahren denken?

Teyssier: Im Universum wird Zeit anders definiert als auf der Erde. Im Universum entsteht Zeit durch Interaktionen zwischen den Playern des Systems. Nehmen wir zum Beispiel ein komplett isoliertes Teilchen, etwa ein Photon, und schicken es ins leere All, dann existiert die Zeit für dieses Teilchen nicht. Es hat keinerlei Fremdkontakt, wird sich nicht verändern, ist also ewig. Trifft es jedoch auf ein Elektron und wird von diesem absorbiert, geschieht Interaktion. Erst jetzt entsteht Zeit. Erst jetzt ist Zeit als Grösse überhaupt sinnvoll. Zeit ist also die Dauer zwischen zwei Interaktionen.

Und wie hilft uns das, die Gegensätze kosmischer Zeitspannen zu begreifen?

Teyssier: Am Anfang, als das Universum noch sehr dicht und heiss war, trafen die Teilchen pausenlos aufeinander und interagierten unvorstellbar schnell. Für sie war die Planck-Zeit, die uns unendlich kurz vorkommt, eher lang. Heute ist das Universum riesengross, zwischen den Galaxien gibt es gigantische Leerräume, Interaktionen geschehen nur alle zwei bis drei Milliarden Jahre. Eine Jahrmil-liarde ist für das heutige Universum also eine eher kurze Zeiteinheit. Mit der Ausdehnung des Universums verändert sich der Zeitbegriff. Expandiert das Weltall, expandiert auch die Zeit. Zeit wird relativ.

Wenn die Erde ja Teil des expandierenden Universums ist, müssten wir unsere irdische Zeit nicht auch anpassen?

Teyssier: Nein. Die Galaxien in sich sind in einem stabilen Zustand. Auch unsere Milchstrasse hat ihr Gleichgewicht von Schwer- und Fliehkräften gefunden und verändert sich nicht mehr. Die Expansion findet einzig zwischen den Galaxien statt. Unsere irdische Zeit kann bleiben, wie sie ist. Kosmische Zeit hingegen wird es einst nicht mehr geben. Die Dunkle Energie treibt die Galaxien immer rascher auseinander, irgendwann werden keine Interventionen mehr stattfinden, und dann verschwindet auch der Zeitbegriff. Eigentlich traurig, nicht wahr? Aber vielleicht haben wir Forscher uns ja geirrt, und alles wird anders.

Als Astronom scheinen Sie ein sehr anderes Zeitverständnis zu haben als wir gewöhnlichen Erdenbürger.

Teyssier: Für mich als Physiker ist Zeit an die Natur der Objekte gebunden, die ich untersuche. Die Schwerkraft braucht zehn Millionen Jahre, um aus einer Gaswolke einen Stern zu formen. Das klingt nach enorm viel. Aber für mich ist es weder kurz noch lang, sondern einfach die Zeiteinheit der Sternenbildung durch Schwerkraft. Wir Astrophysiker arbeiten mit Zeiteinheiten physikalischer Prozesse, wir denken nicht in Menschenstunden oder Menschenjahren. Irdische Zeitenheiten sind praktisch, um Berechnungen anzustellen, auch in der Physik. Aber beim Denken in astronomischen Dimensionen brauche ich sie nicht.

 

...Die kosmische Zeit wird sich auflösen, bevor das Universum verschwindet. Die irdische Zeit wird erst dann stillstehen, wenn es die Erde nicht mehr gibt. So weit wird es spätestens in vier Milliarden Jahren sein, wenn die Sonne ausbrennt. Ihre äussere Hülle wird sich dann ausweiten und die Erde verschlingen...

 

Zur Person

Romain Teyssier ist Professor für computergestützte Astrophysik und lehrt Physik, Astrophysik und Computerwissenschaften an der UZH. Seine Spezialitäten sind die Kosmologie sowie die Entstehung von Sternen und Galaxien. Mithilfe von Supercomputern und dem von ihm entwickelten Ramses-Code simuliert Teyssier Strukturen und Bewegungen im Weltall über Jahrmilliarden.

Michael T. Ganz ist freischaffender Journalist

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