Kapitel 10: Wie die Galaxien wuchsen

Nacht 110: Eine Unterrichtsstunde mit Wassertropfen

Tag 110 war nach der Uhr der Station ein Samstag. Wochenenden im Orbit sind nicht ganz frei, weil manche Arbeiten nie aufhören, aber sie sind leichter. Am Vormittag putzte die Besatzung gemeinsam die Station. Sie wischten Oberflächen ab, wechselten Luftfilter und saugten die Gitter ab, an denen sich Staub, Krümel und kleine verlorene Gegenstände sammeln, von der bewegten Luft dorthin getragen. Ade fand eine Schraube, die jemand vor Wochen verloren hatte, und Tomás erklärte sie zum Fund des Tages.

Wochenenden bringen auch ein wenig eigene Zeit. Tomás verbrachte eine Stunde mit seiner Musik und spielte mit Kopfhörern leise für sich. Ade las ein Buch auf seinem Tablet, die Füße unter eine Stange gehakt. Jeder von ihnen hatte für den Abend ein privates Gespräch mit der Familie geplant. Eine Raumstation ist ein Arbeitsplatz, aber an einem Samstag wird sie für ein paar Stunden zu etwas, das einem Zuhause näherkommt.

Am Nachmittag hatte Noor eine Aufgabe, auf die sie sich gefreut hatte. Der Boden hatte sie gebeten, eine kurze Unterrichtsstunde für Schulen zu filmen. Kinder hatten Fragen zum Leben auf der Station eingeschickt, und einige der Fragen betrafen Wasser. Was geschieht mit Wasser, wenn nichts es nach unten zieht? Lässt es sich gießen? Spritzt es? Fällt es?

Noor stellte in einer ruhigen Ecke eine Kamera auf und drückte ein wenig Wasser aus einem Trinkbeutel. Es ließ sich nicht gießen. Es kam als wackelnder Klecks heraus und zog sich dann langsam zu einer fast vollkommenen Kugel zusammen, die vor ihr in der Luft schwebte. Sie berührte sie sanft mit einem Strohhalm, und die Kugel zitterte am ganzen Körper und wurde wieder rund. Sie fügte einen zweiten, kleineren Tropfen hinzu, und als sich die beiden berührten, verbanden sie sich sofort zu einer größeren Kugel.

Sie erklärte vor der Kamera, dass Wasser an sich selbst zieht. An seiner Oberfläche zieht das Wasser immer nach innen, ein wenig wie eine gespannte Haut. Auf der Erde ist die Schwerkraft stärker als dieser Zug, deshalb breitet sich Wasser zu einer Pfütze aus oder läuft bergab. Auf der Station, in der Schwerelosigkeit, gewinnt der eigene Zug des Wassers, und die Form, die das meiste Wasser mit der kleinsten Oberfläche fasst, ist eine Kugel. Am Ende fing sie die Tropfen vorsichtig mit einem Handtuch auf, denn loses Wasser in der Nähe elektrischer Geräte ist eine echte Gefahr.

An diesem Abend schickte sie Sami ein kurzes Stück des Films. Er schrieb zurück, seine siebenjährige Tochter habe es sich dreimal angesehen und wolle jetzt Astronautin werden oder vielleicht ein Wassertropfen. Dann fragte er etwas, das ihn seit der Unterrichtsstunde beschäftigte. Wenn sich kleine Tropfen zu größeren verbinden, sind dann auch Galaxien so entstanden? Noor dachte darüber nach. In gewisser Weise ja, schrieb sie. Aber die Kraft, die Galaxien zusammenbringt, ist nicht der Zug einer Wasseroberfläche. Es ist die Schwerkraft. Und ein Teil davon kommt von etwas, das niemand sehen kann.

Von Kräuselungen zu einem Netz

In der vorigen Nacht haben wir gesehen, wie die ersten Sterne in der Dunkelheit aufleuchteten. Sie entstanden in Gasklumpen, an den Orten, an denen das junge Universum etwas dichter war als im Durchschnitt. Die Geschichte dieser Nacht handelt davon, was danach geschah: wie diese ersten kleinen Klumpen wuchsen, sich verbanden und zu den Galaxien wurden, die heute das Universum füllen, auch die Milchstraße, unsere eigene Galaxie.

Die Geschichte beginnt mit den winzigen Kräuselungen, die wir im ältesten Licht gesehen haben, Unterschieden von etwa einem Teil in 100.000. Die Schwerkraft machte aus diesen kleinen Unterschieden große. Ein Ort, der ein wenig dichter ist, zieht ein wenig stärker, sammelt mehr Materie und wird noch dichter. Über Hunderte Millionen und dann Milliarden Jahre wuchsen die Kräuselungen zu Klumpen und die Klumpen zu größeren Gebilden.

Es gibt einen Grund, warum gerade die Schwerkraft unter allen Kräften der Natur diese Arbeit leisten konnte. Im Alltag ist die Schwerkraft sehr schwach. Ein kleiner Magnet kann eine Büroklammer gegen die Anziehung der ganzen Erde hochheben. Aber die Schwerkraft hat eine besondere Eigenschaft: Sie zieht nur und stößt nie ab, und sie summiert sich. Elektrische Ladungen gibt es in zwei Arten, positiv und negativ, und in großen Mengen Materie heben sie sich meist gegenseitig auf. Die Schwerkraft hebt sich nie auf. Über die riesigen Entfernungen und langen Zeiten des Universums wird sie zu der Kraft, die alles formt.

Wenn Astronomen kartieren, wo sich heute Galaxien befinden, sehen sie ein bemerkenswertes Muster. Galaxien sind nicht gleichmäßig verstreut wie Zucker, der auf einen Tisch gestreut wurde. Sie sind in langen Fäden und dünnen Wänden angeordnet, mit riesigen, fast leeren Bereichen dazwischen. Wo sich Fäden treffen, gibt es dicht gedrängte Gruppen und Haufen von Galaxien, von denen manche Hunderte oder Tausende Galaxien enthalten. Astronomen nennen dieses Muster das kosmische Netz.

Wenn du je ein Spinnennetz voller Morgentau gesehen hast oder den Schaum auf einer Tasse Kaffee, wenn sich die Bläschen aneinandergedrückt haben, dann hast du etwas mit ähnlichem Aussehen gesehen: dünne Ränder und Verbindungen mit offenen Räumen dazwischen. Das kosmische Netz ist natürlich ungeheuer viel größer. Ein einziger leerer Bereich darin kann Hunderte Millionen Lichtjahre Durchmesser haben. Aber der Gedanke ist derselbe. Materie hat sich entlang von Linien und an Treffpunkten gesammelt und ist aus den Räumen dazwischen abgeflossen.

Computermodelle des Universums, die mit den im ältesten Licht gemessenen Kräuselungen beginnen und dann der Schwerkraft durch Milliarden Jahre vorwärts folgen, erzeugen ein Netz, das dem wirklichen sehr ähnlich sieht. Diese Übereinstimmung ist einer der Gründe, warum Astronomen glauben, die Geschichte im Großen und Ganzen zu verstehen, wie die Struktur des Universums wuchs. Aber die Modelle funktionieren nur gut, wenn sie eine sehr wichtige Zutat enthalten, etwas, das noch nie jemand direkt gesehen hat.

Die Menschen, denen etwas fehlte

Der erste Hinweis kam 1933 von einem Astronomen namens Fritz Zwicky. Er untersuchte einen großen Galaxienhaufen im Sternbild Haar der Berenike. Er maß, wie schnell sich die Galaxien in dem Haufen bewegten. Galaxien in einem Haufen bewegen sich umeinander, zusammengehalten von ihrer gemeinsamen Schwerkraft, wie Menschen, die sich in einem vollen Raum bewegen und ihn doch nie ganz verlassen. Je schneller sie sich bewegen, desto mehr Schwerkraft braucht es, um sie zusammenzuhalten.

Zwicky stellte fest, dass sich die Galaxien viel zu schnell bewegten. Hätte der Haufen nur die Materie enthalten, die Astronomen in Form leuchtender Sterne sehen konnten, wäre er längst auseinandergeflogen. Und doch war er da. Etwas musste sehr viel zusätzliche Schwerkraft beisteuern. Zwicky schrieb von „Dunkler Materie“, von Materie, die nicht leuchtet, aber zieht. Viele Astronomen jener Zeit waren nicht überzeugt. Die Messungen waren schwierig, und es war möglich, dass etwas übersehen worden war. Die Idee wartete.

Jahrzehnte später, in den 1970er-Jahren, untersuchte die Astronomin Vera Rubin, wie sich Sterne und Gas in Spiralgalaxien bewegen. Eine Spiralgalaxie dreht sich langsam, wie ein großes Rad. Man könnte erwarten, dass sie sich wie unser Sonnensystem dreht, in dem sich die Planeten weit von der Sonne entfernt langsamer bewegen als die Planeten nahe bei ihr, weil die Anziehung der Sonne in der Ferne schwächer ist. Das meiste Licht einer Galaxie kommt aus ihrem hellen Zentrum, deshalb erwarteten Astronomen, dass sich auch die äußeren Sterne langsam bewegen.

Das fand Rubin nicht. Bei einer Galaxie nach der anderen bewegten sich die Sterne und das Gas weit draußen an den Rändern genauso schnell wie die weiter innen. Sie bewegten sich so schnell, dass sie hätten weggeschleudert werden müssen, es sei denn, die Galaxie enthielt viel mehr Materie, als man sehen konnte, verteilt weit über die hellen Sterne hinaus. Rubin war sorgfältig und geduldig, und ihren Messungen ließ sich schwer widersprechen. Zusammen mit der Arbeit anderer überzeugten sie die meisten Astronomen davon, dass Dunkle Materie wirklich existiert. Es war ein gutes Beispiel dafür, wie beständige, sorgfältige Arbeit verändert, was ein ganzes Fachgebiet glaubt.

Seitdem sind weitere Belege hinzugekommen. Masse krümmt den Weg von Licht, das an ihr vorbeizieht, und Astronomen können Hintergrundgalaxien sehen, deren Licht von Haufen davor gekrümmt und verzerrt wurde. Das Ausmaß der Krümmung zeigt, wie viel Masse da ist, und wieder ist es weit mehr als die sichtbare Materie. Auch die Muster im ältesten Licht lassen sich nur erklären, wenn es eine große Menge Dunkler Materie gibt. Heute schätzen Astronomen, dass es im Universum etwa fünfmal mehr Dunkle Materie als gewöhnliche Materie gibt.

Was wir wissen und was nicht

Was also ist Dunkle Materie? Die ehrliche Antwort lautet: Niemand weiß es. Wir wissen, dass sie Schwerkraft hat, weil wir ihre Anziehung sehen können. Wir wissen, dass sie nicht leuchtet, kein Licht zurückwirft und kein Licht abschirmt, denn sonst würden wir sie sehen. Wir wissen, dass sie offenbar auf keine Weise, die wir bemerken konnten, mit gewöhnlicher Materie zusammenstößt. Darüber hinaus ist ihr Wesen eine der größten unbeantworteten Fragen der Wissenschaft.

Wenn Dunkle Materie aus Teilchen besteht, wie viele Wissenschaftler glauben, dann sind diese Teilchen wahrscheinlich nicht nur weit weg in anderen Galaxien. Sie könnten überall um uns herum sein, hier in der Milchstraße, und still durch die Erde, durch die Station und durch dein Zimmer ziehen, während du liest, ohne irgendetwas zu berühren. Das ist nicht sicher, weil wir nicht wissen, was Dunkle Materie ist. Aber es ist ein seltsamer und sanfter Gedanke: Die häufigste Art von Materie im Universum zieht vielleicht gerade jetzt durch dich hindurch, und du würdest es nie spüren.

Einiges ist weitgehend ausgeschlossen worden. Könnte Dunkle Materie einfach gewöhnliche Materie sein, die schwer zu sehen ist, etwa kaltes Gas, Staub, schwache Sterne, erloschene Sterne oder Schwarze Löcher? Astronomen haben nach solchen Objekten gesucht, und sie finden auch einige, aber bei Weitem nicht genug. Es gibt auch einen tieferen Grund. Die ersten Minuten, denen wir in einer früheren Nacht begegnet sind, legten die Gesamtmenge gewöhnlicher Materie im Universum fest, und das älteste Licht bestätigt diese Menge. Sie ist viel zu klein, um die ganze zusätzliche Schwerkraft zu erklären. Der größte Teil der Dunklen Materie muss also etwas anderes sein als die Atome, aus denen Sterne, Planeten und Menschen bestehen.

Viele Wissenschaftler glauben, Dunkle Materie sei eine Art Teilchen, die noch nicht entdeckt wurde. Überall auf der Welt haben Wissenschaftler sehr empfindliche Detektoren gebaut, oft tief unter der Erde, wo sie vor anderen Teilchen abgeschirmt sind, um zu versuchen, ein Teilchen der Dunklen Materie beim Zusammenstoß mit gewöhnlicher Materie zu erwischen. Andere suchen in Teilchenbeschleunigern oder am Himmel nach Anzeichen Dunkler Materie. Bisher hat keine dieser Suchen sie gefunden. Das heißt nicht, dass sie nicht da ist. Es heißt, dass sie schwerer zu fassen ist, als man gehofft hatte, oder anders, als man erwartet hatte.

Eine kleine Zahl von Wissenschaftlern hat eine andere Idee versucht: Vielleicht gibt es überhaupt keine zusätzliche Materie, und stattdessen verhält sich die Schwerkraft über sehr große Entfernungen anders, als unsere Theorien sagen. Diese Idee hatte einige Erfolge bei der Erklärung, wie sich Galaxien drehen. Aber sie tat sich sehr schwer damit, die Galaxienhaufen, die Krümmung des Lichts und die Muster des ältesten Lichts alle zugleich zu erklären, was die Dunkle Materie zusammen erklärt. Vorerst halten die meisten Astronomen die Dunkle Materie für die bessere Erklärung. Aber die Frage bleibt offen, und genau so sollte es sein, bis die Belege sie entscheiden.

Was auch immer sie am Ende sein mag, die Dunkle Materie spielte beim Wachsen der Galaxien eine Schlüsselrolle. Gewöhnliche Materie wurde im jungen Universum vom Licht herumgestoßen und konnte sich erst dann leicht zu Klumpen sammeln, als das älteste Licht freigesetzt war. Dunkle Materie spürt Licht überhaupt nicht. Deshalb konnte sie früher beginnen, sich zu Klumpen zu sammeln. Als das gewöhnliche Gas endlich frei war, fiel es in die Klumpen aus Dunkler Materie, die schon warteten. Ohne diesen Vorsprung hätten Galaxien viel länger gebraucht, um sich zu bilden, und das Universum sähe heute vielleicht ganz anders aus.

Galaxien, die sich vereinen

Die ersten Galaxien waren klein. Wie wir in der vorigen Nacht gesehen haben, sieht das Webb-Teleskop Galaxien aus der Zeit einige hundert Millionen Jahre nach dem Anfang, und sie sind viel kleiner als die Milchstraße. Wie wuchsen große Galaxien wie unsere aus so kleinen Anfängen? Zum Teil, indem sie frisches Gas aus dem kosmischen Netz anzogen, und zum Teil, indem sie sich vereinten, wie Noors Wassertropfen, wenn auch viel langsamer und viel weniger sanft.

Wenn zwei Galaxien sich nahe kommen, zieht ihre Schwerkraft sie zueinander hin. Sie schwingen umeinander, manchmal mehrmals über Hunderte Millionen Jahre, und lange Ströme aus Sternen und Gas werden aus ihnen herausgezogen. Am Ende finden sie oft zu einer größeren Galaxie zusammen. Astronomen haben viele Galaxienpaare in verschiedenen Stadien dieser langsamen Begegnung fotografiert. Jedes Bild ist wie ein Einzelbild aus einem Film, der weit länger als ein Menschenleben dauert.

Unsere eigene Galaxie ist das Ergebnis von Milliarden Jahren solchen Wachstums. Heute ist die Milchstraße eine große Spiralgalaxie mit etwa 100.000 Lichtjahren Durchmesser und Hunderten Milliarden Sternen, von denen einer die Sonne ist. Von der Station aus konnte Noor auf einem dunklen Abschnitt der Umlaufbahn ihr Band über den Himmel sehen. Was sie sah, war der Blick von innen auf eine große flache Sternenscheibe, von der Kante her gesehen, von irgendwo in ihr.

Die Milchstraße wuchs zum Teil auf diese Weise. Astronomen, die die Bewegungen der Sterne in unserer Galaxie untersuchen, haben Gruppen von Sternen gefunden, die sich auf ungewöhnliche Weise gemeinsam bewegen, und sie halten sie für die Überreste kleinerer Galaxien, die die Milchstraße vor langer Zeit verschluckt hat. Manche der ältesten Sterne unserer Galaxie entstanden vor mehr als 13 Milliarden Jahren, die Milchstraße wächst also schon fast die ganze Geschichte des Universums hindurch. Selbst heute zieht sie langsam einige kleine Nachbargalaxien an sich.

Und der Milchstraße steht eine große Begegnung bevor. In einer früheren Nacht haben wir gesehen, dass die Andromedagalaxie, etwa 2,5 Millionen Lichtjahre entfernt, eine der wenigen Galaxien ist, die sich auf uns zubewegen. In etwa 4 bis 5 Milliarden Jahren werden sich die Milchstraße und die Andromedagalaxie voraussichtlich sehr nahe kommen, und über lange Zeit könnten sie zu einer größeren Galaxie verschmelzen. Ihre genauen Bahnen werden noch vermessen, deshalb sind Astronomen noch nicht sicher, wann oder ob die Verschmelzung überhaupt geschehen wird. Falls ja, wird der Nachthimmel jedes Planeten, der dann noch existiert, ganz anders aussehen, voller neuer Ströme und Wolken aus Sternen.

Das mag beunruhigend klingen, aber es gibt keinen Grund zur Sorge, und zwar aus zwei Gründen. Der erste ist die ungeheure Zeit, um die es geht, viele Male länger als die Menschheitsgeschichte. Der zweite ist, dass Galaxien zum größten Teil leerer Raum sind. Die Abstände zwischen den Sternen sind im Vergleich zu den Sternen selbst so groß, dass die Sterne fast nie zusammenstoßen, wenn zwei Galaxien verschmelzen. Sie ziehen in großen Abständen aneinander vorbei, während sich die Gaswolken der beiden Galaxien treffen und vielen neuen Sternen das Leben schenken können.

Eine Nachricht an Sami

Vor dem Schlafen sah sich Noor den kurzen Film mit den Wassertropfen noch einmal an und schickte dann die fertige Unterrichtsstunde zum Boden. Sie dachte an die Kinder, die sie in ihren Klassenzimmern sehen würden, und an Samis Tochter, die ein Wassertropfen werden wollte. Sie dachte auch an die langen Fäden des kosmischen Netzes, an denen sich die Galaxien aufreihen wie Tropfen an einem Spinnenfaden.

Sie schrieb an Sami: „Sag deiner Tochter, dass sich Galaxien auch vereinen, wie die Tropfen, aber sehr langsam. Unsere Galaxie hat mehrere kleinere verschluckt. Und das meiste von dem, was Galaxien zusammenhält, ist etwas Unsichtbares, das noch niemand bestimmen konnte. Vielleicht ist sie diejenige, die herausfindet, was es ist.“ Sami antwortete, seine Tochter sei eingeschlafen, aber er werde es ihr am Morgen erzählen, und er sei sicher, sie werde fragen, was „bestimmen“ heißt.

Vielleicht hast auch du am Ende deiner eigenen Woche einen leichteren Tag, mit Hausarbeit am Vormittag und etwas, das dir Freude macht, am Nachmittag. An einem solchen Tag, wenn du ein Glas Wasser einschenkst oder zusiehst, wie sich Regen auf einer Fensterscheibe zu Tropfen sammelt, erinnerst du dich vielleicht an das lange, langsame Sammeln des Universums. Kleine Dinge vereinen sich zu größeren. Manches von dem, was sie zusammenhält, ist leicht zu sehen. Manches davon, wie vieles Gute, das Menschen zusammenhält, ist überhaupt nicht zu sehen.

Verbreitete Missverständnisse

Viele Menschen glauben, Dunkle Materie sei einfach gewöhnliche Materie, die zu dunkel ist, um sie zu sehen, etwa Staub, dunkle Wolken oder erloschene Sterne. Astronomen haben sorgfältig nach solchen Dingen gesucht. Es gibt sie, aber bei Weitem nicht genug davon. Die ersten Minuten des Universums und das älteste Licht zeigen beide, dass die Gesamtmenge gewöhnlicher Materie viel zu klein ist, um die zusätzliche Schwerkraft zu erklären. Der größte Teil der Dunklen Materie muss also etwas anderes sein, wahrscheinlich etwas, das überhaupt nicht aus Atomen besteht.

Viele Menschen nehmen auch an, Wissenschaftler wüssten, was Dunkle Materie ist, und benutzten dafür nur einen geheimnisvollen Namen. Sie wissen es nicht. Sie wissen, wie viel davon es gibt, ungefähr wo sie ist und wie sie zieht. Aber woraus sie besteht, ist trotz vieler Jahre sorgfältiger Suche nicht entdeckt worden. Das Wort „dunkel“ in ihrem Namen ist ein ehrliches Eingeständnis. Es bedeutet, dass wir ihre Wirkungen sehen, aber die Sache selbst nicht sehen können, und dass wir sie noch nicht verstehen.

Und schließlich stellen sich viele Menschen vor, wenn zwei Galaxien zusammenstoßen, prallten ihre Sterne in großen Explosionen aufeinander. Tatsächlich stoßen Sterne fast nie zusammen, selbst wenn ganze Galaxien verschmelzen, weil der Raum zwischen den Sternen so riesig ist. Wäre die Sonne so groß wie ein Sandkorn, dann wäre der nächste andere Stern ein weiteres Sandkorn in mehr als zehn Kilometern Entfernung. Die eigentliche Begegnung findet zwischen den Gaswolken statt, die zusammengedrückt werden und neue Sterne bilden können, und diese neuen Sterne erzeugen ihrerseits neue Elemente. In der nächsten Nacht schauen wir in die Sterne hinein und sehen, wie sie die Elemente unseres eigenen Körpers erzeugten.