Kapitel 4: Die Galaxien entfernen sich voneinander

Nacht 31: Ein Frachtschiff einfangen

Am einunddreißigsten Tag ihres Aufenthalts fing Noor mit einem Roboterarm ein Raumschiff ein. Das Frachtschiff war zwei Tage zuvor gestartet und hatte die Zeit damit verbracht, langsam den Abstand zur Station zu verringern, wobei es unter der sorgfältigen Aufsicht der Teams am Boden immer wieder seine kleinen Triebwerke zündete. Am Nachmittag war es nah genug, um es durch die Fenster zu sehen: ein weißer Zylinder mit breiten Solarflügeln, der sich fast genau so schnell bewegte wie die Station, sodass er reglos am schwarzen Himmel über der hellen Erde zu hängen schien.

Noor saß am Arbeitsplatz für die Robotik, einem kleinen Pult mit Bildschirmen und zwei Steuergriffen, einem für jede Hand. Tomás saß neben ihr und las die Checkliste laut vor. Das Frachtschiff hielt etwa zehn Meter entfernt an und wartete. Am Boden bestätigten die Teams, dass alles bereit war. Dann bewegte Noor den langen Arm sehr langsam nach vorn. Eine Hand steuerte die Richtung, die andere das Drehen des Armendes. Auf dem Bildschirm sah sie das Bild einer Kamera an der Spitze des Arms, auf dem ein kleiner Haltepunkt am Frachtschiff immer größer wurde.

Die Arbeit verlangte ruhige Hände und gleichmäßiges Atmen. Sowohl die Station als auch das Frachtschiff flogen mit etwa 28.000 Kilometern pro Stunde um die Erde, aber zueinander standen sie fast still, wie zwei Autos, die auf der Autobahn nebeneinanderfahren. Als der Haltepunkt in der Mitte des Bildschirms war, drückte Noor den Auslöser. Das Ende des Arms schloss sich mit einem sanften, festen Griff um den Haltepunkt. „Erfasst“, sagte sie. Am Boden begann jemand zu klatschen.

Der Rest des Tages verging damit, das Frachtschiff mit der Station zu verbinden und zu prüfen, ob sich die Luke gefahrlos öffnen ließ. Als sie sich schließlich öffnete, bemerkte Noor als Erstes den Geruch. Es roch nach neuem Kunststoff, nach Verpackung und, ganz schwach, nach Äpfeln. Irgendwo zwischen den Beuteln mit Ausrüstung, Ersatzteilen, Kleidung und Essen hatten die Teams am Boden eine kleine Kiste frisches Obst gepackt. An diesem Abend teilte sich die Besatzung am großen Fenster Äpfel und hielt sie vorsichtig, damit kein Tropfen Saft entwischte.

Als Noor das Frachtschiff vorher durch das Fenster beobachtet hatte, hatte sie darüber nachgedacht, wie schwer es ist zu erkennen, ob sich ein fernes Objekt auf einen zu oder von einem weg bewegt. Aus der Nähe machte es die Kamera des Roboterarms leicht. Aber wie konnte irgendjemand erkennen, wie sich eine Galaxie bewegt, wenn sie Millionen Lichtjahre entfernt ist und auf einem Foto wie ein regloser Fleck aussieht? Das war die Geschichte dieser Nacht, und sie begann mit einem Regenbogen.

Licht hat Fingerabdrücke

Wenn Sonnenlicht durch ein Glasprisma oder durch Regentropfen fällt, fächert es sich zu einem Band von Farben auf: Rot, Orange, Gelb, Grün, Blau und Violett. Dieses Band nennt man ein Spektrum. Jede Farbe darin ist Licht mit einer etwas anderen Wellenlänge, das heißt, seine Wellen liegen ein wenig anders weit auseinander. Rotes Licht hat längere Wellen. Blaues und violettes Licht hat kürzere Wellen. Das Spektrum ist einfach Licht, sortiert nach der Länge seiner Wellen, wie ein Stapel Briefe, der nach Größe sortiert ist.

Im 19. Jahrhundert fanden Wissenschaftler heraus, dass das Spektrum nicht gleichmäßig war, wenn sie Licht mit einem guten Instrument sorgfältig auffächerten. Es war von dünnen dunklen Linien durchzogen, wie die Lücken in einem Strichcode. Bald lernten sie, was die Linien bedeuteten. Jede Atomsorte, etwa Wasserstoff, Natrium oder Eisen, nimmt Licht nur bei bestimmten, genau festgelegten Wellenlängen auf und gibt es nur dort ab. Wenn Licht durch ein Gas geht, entfernen die Atome dieses Gases ihre eigenen besonderen Wellenlängen und hinterlassen genau an diesen Stellen dunkle Linien.

Vielleicht hast du ein einfaches Beispiel für diese Fingerabdrücke schon gesehen, ohne es zu wissen. Manche ältere Straßenlaternen leuchten in einem tiefen Orangegelb. Sie sind mit einem Gas gefüllt, das Natrium enthält, und Natriumatome geben, wenn man sie zum Leuchten bringt, Licht vor allem bei einer bestimmten gelben Wellenlänge ab. Würdest du das Licht einer solchen Laterne durch ein gutes Prisma betrachten, sähest du fast keinen Regenbogen, nur eine helle gelbe Linie. Jede Atomsorte hat ihre eigene Reihe solcher Linien, so persönlich wie eine Unterschrift. Ein heißes Gas zeigt sie als helle Linien, und ein kühleres Gas vor einer hellen Lichtquelle zeigt sie als dunkle Linien an denselben Stellen.

Das war eine wunderbare Entdeckung, denn sie bedeutete, dass Licht Fingerabdrücke trägt. Am Muster der Linien im Licht eines Sterns konnten Astronomen erkennen, welche Atomsorten darin vorkommen, ohne je dorthin zu reisen. Das Muster des Wasserstoffs ist immer dasselbe, ob das Licht von einer Lampe im Labor kommt oder von einem Stern auf der anderen Seite der Galaxie. Astronomen lernten, diese Muster so leicht zu erkennen, wie du die Handschrift eines Freundes erkennst.

Doch bald bemerkten Astronomen noch etwas anderes. Im Licht mancher Sterne und Nebel waren die vertrauten Linienmuster alle vorhanden, aber sie standen nicht ganz an der richtigen Stelle. Das ganze Muster war ein wenig verschoben, entweder zum roten Ende des Spektrums hin oder zum blauen Ende. Der Fingerabdruck war derselbe, aber er war entlang des Farbbandes verrutscht. Diese kleine Verschiebung stellte sich als Trägerin einer gewaltigen Botschaft heraus.

Eine vorbeifahrende Sirene

Etwas wie diese Verschiebung hast du schon oft gehört, mit Schall statt mit Licht. Denk an einen Krankenwagen, der mit eingeschalteter Sirene auf der Straße an dir vorbeifährt. Während er auf dich zukommt, klingt die Sirene höher. Wenn er vorbeifährt und sich entfernt, fällt der Ton plötzlich tiefer ab. Die Sirene selbst hat sich nicht verändert. Der Fahrer hat keinen Schalter berührt. Was sich ändert, ist der Abstand der Schallwellen, wenn sie deine Ohren erreichen.

Wenn der Krankenwagen auf dich zukommt, beginnt jede neue Schallwelle ein wenig näher bei dir als die vorige, sodass die Wellen zusammengedrängt ankommen. Zusammengedrängte Wellen klingen höher. Wenn sich der Krankenwagen entfernt, beginnt jede neue Welle ein wenig weiter weg, sodass die Wellen auseinandergezogen ankommen. Auseinandergezogene Wellen klingen tiefer. Je schneller der Krankenwagen fährt, desto größer ist die Veränderung. Ein geschultes Ohr oder ein gutes Instrument könnte allein an der Veränderung der Tonhöhe sogar erkennen, wie schnell er fuhr.

Licht verhält sich ähnlich. Wenn sich eine Lichtquelle auf uns zubewegt, kommen ihre Wellen ein wenig zusammengedrängt an, sodass ihr Licht leicht zum blauen Ende des Spektrums hin verschoben ist. Wenn sich eine Quelle von uns wegbewegt, kommen ihre Wellen gedehnt an, sodass ihr Licht zum roten Ende hin verschoben ist. Die Verschiebung zum Roten hin nennt man Rotverschiebung. Je größer die Rotverschiebung, desto schneller entfernt sich die Quelle. Die dunklen Linien im Spektrum machen es möglich, das genau zu messen, denn Astronomen wissen exakt, wo jede Linie liegen müsste, wenn sich die Quelle nicht bewegt.

Bei Galaxien kommt die Dehnung des Lichts, wie wir gleich sehen werden, vor allem von der Dehnung des Raumes selbst und nicht nur davon, dass Galaxien wie Krankenwagen durch den Raum rasen. Aber die Sirene ist ein guter Anfang. Der wichtige Punkt ist einfach: Daran, wie weit der Fingerabdruck verrutscht ist, können Astronomen erkennen, ob sich eine ferne Galaxie auf uns zu oder von uns weg bewegt und ungefähr wie schnell.

Diese Verschiebungen sind meist winzig. Bei den Sternen unserer eigenen Galaxie, die sich gegenüber der Sonne mit Geschwindigkeiten von einigen Dutzend Kilometern pro Sekunde bewegen, rücken die Linien nur ein sehr kleines Stück entlang des Spektrums, und um sie zu messen, braucht man gute Instrumente und große Sorgfalt. Astronomen nutzen dieselbe Methode, um Planeten bei anderen Sternen zu finden, indem sie die kleine Hin-und-her-Bewegung messen, die die Anziehung eines Planeten seinem Stern verleiht. Bei fernen Galaxien können die Verschiebungen, wie Slipher bald entdecken sollte, viel größer sein.

Die Menschen, denen es auffiel

Der erste Mensch, der die Bewegungen der Spiralnebel maß, war Vesto Slipher, der diese Arbeit 1912 an einer Sternwarte mit einem guten Teleskop und einer sehr geduldigen Haltung begann. Das Licht eines Spiralnebels ist schwach, und wenn man es zu einem Spektrum auffächert, wird es noch schwächer. Slipher musste manchmal eine einzige Fotoplatte über mehrere Nächte belichten und das schwache Licht nach und nach sammeln, um ein einziges brauchbares Spektrum zu erhalten.

Seine erste Messung, die des Andromedanebels, zeigte eine Blauverschiebung: Andromeda bewegt sich auf uns zu. Doch als er im Lauf der 1910er-Jahre immer mehr Spiralnebel vermaß, stellte er fest, dass die meisten von ihnen Rotverschiebungen zeigten und manche sich mit Hunderten von Kilometern pro Sekunde entfernten. Das war sehr seltsam. Wenn die Spiralnebel kleine Wolken in unserer Galaxie waren, warum eilten dann die meisten von ihnen davon? Damals wusste noch niemand, dass sie eigene Galaxien sind, und niemand hatte eine gute Erklärung.

Unterdessen wartete die Theorie, die nötig war, um sie zu erklären, bereits. 1915 hatte Albert Einstein seine allgemeine Relativitätstheorie veröffentlicht, eine neue Beschreibung der Schwerkraft, in der Raum und Zeit sich krümmen und dehnen können. 1917 wandte er sie auf das Universum als Ganzes an. Wie fast alle damals glaubte er, das Universum sei unveränderlich, es wachse weder, noch schrumpfe es. Seine Gleichungen ergaben nicht von selbst ein unveränderliches Universum, also fügte er ihnen einen zusätzlichen Term hinzu, um es stillzuhalten.

Andere betrachteten dieselben Gleichungen und sahen etwas anderes. 1922 zeigte ein Mathematiker und Physiker namens Alexander Friedmann, dass die Gleichungen ein Universum erlaubten, das mit der Zeit wächst oder schrumpft. 1927 arbeitete ein Priester, der Physik unterrichtete, Georges Lemaître, unabhängig davon dieselbe Art von Lösung aus. Er ging weiter: Er brachte sie mit den gemessenen Rotverschiebungen der Galaxien in Verbindung und schlug vor, dass sich das Universum ausdehnt. Sein Aufsatz erschien in einer Zeitschrift, die nur wenige Astronomen lasen, und fand zunächst wenig Beachtung.

Dann, im Jahr 1929, verglich Edwin Hubble, der bereits gezeigt hatte, dass die Spiralnebel Galaxien sind, ihre Entfernungen mit ihren Rotverschiebungen. Er fand ein klares Muster. Je weiter eine Galaxie entfernt ist, desto schneller entfernt sie sich von uns. Eine doppelt so weit entfernte Galaxie entfernt sich etwa doppelt so schnell. Heute nennen Astronomen diese Regel oft das Hubble-Lemaître-Gesetz, um beide Männer zu würdigen. Nachdem die Expansion des Universums anerkannt war, gab Einstein den zusätzlichen Term auf, den er hinzugefügt hatte, um das Universum stillzuhalten.

Hubbles Zahlen waren nicht vollkommen. Weil die Entfernungen, die er verwendete, zu klein waren, war sein Wert für die Geschwindigkeit der Expansion um ein Mehrfaches zu groß, und es brauchte Jahrzehnte weiterer Arbeit vieler Astronomen, um ihn zu korrigieren. Aber das Muster selbst, mehr Entfernung und mehr Geschwindigkeit zusammen, ist mit besseren Instrumenten immer wieder bestätigt worden. Das ist in der Wissenschaft üblich. Die erste Messung zeigt, dass etwas da ist, und spätere Messungen, oft von anderen Menschen, zeigen genau, wie viel. In einer späteren Nacht werden wir sehen, dass Einsteins zusätzlicher Term viele Jahre später in einer überraschenden neuen Rolle zurückkehrte.

Brot, das im Ofen aufgeht

Was bedeutet es, dass sich fernere Galaxien schneller entfernen? Das einfachste Bild ist eines, das Bäcker gut kennen. Stell dir eine Kugel aus Brotteig vor, in die überall Rosinen eingeknetet sind. Während der Teig an einem warmen Ort aufgeht, quillt jeder Teil von ihm auf. Jede Rosine entfernt sich von jeder anderen Rosine. Keine Rosine schiebt die anderen. Sie werden einfach von dem Teig zwischen ihnen auseinandergetragen, während er wächst.

Such dir nun irgendeine Rosine aus und stell dir vor, du stehst auf ihr. Während der Teig aufgeht, entfernen sich die Rosinen in deiner Nähe langsam, weil nur wenig Teig zwischen dir und ihnen liegt. Die Rosinen weit von dir entfernen sich viel schneller, weil viel Teig zwischen dir und ihnen liegt und alles davon zugleich aufquillt. Genau das ist das Muster, das Hubble fand. Und es spielt keine Rolle, welche Rosine du wählst. Von jeder Rosine aus scheinen sich alle anderen zu entfernen, und die ferneren schneller.

Im Universum ist der Teig der Raum selbst. Die Galaxien, genauer gesagt Gruppen von Galaxien, sind die Rosinen. Sie fliegen nicht von einem Mittelpunkt weg durch den Raum. Vielmehr dehnt sich der Raum zwischen ihnen, sodass die Abstände zwischen ihnen wachsen. Und während Licht durch den sich dehnenden Raum reist, werden auch seine Wellen gedehnt. Das ist der Hauptgrund, warum das Licht ferner Galaxien mit einer Rotverschiebung ankommt. Je länger das Licht durch den sich dehnenden Raum gereist ist, desto mehr sind seine Wellen zum Roten hin auseinandergezogen worden.

Jedes Bild hat seine Grenzen, auch das Brot. Eine Teigkugel hat einen Rand und einen Mittelpunkt, und sie liegt in einem größeren Ofen. Soweit wir wissen, hat das Universum keinen Rand und keinen Mittelpunkt, und es dehnt sich nicht in etwas außerhalb seiner selbst hinein aus. Das Rosinenbild eignet sich also am besten für einen einzigen Gedanken: Alles entfernt sich von allem anderen, und was weiter weg ist, entfernt sich schneller. Für diesen Gedanken funktioniert es wunderbar.

Das Brot kann noch etwas zeigen. Wenn du den aufgehenden Teig von einer Rosine aus beobachten könntest, könntest du messen, wie schnell sich deine Nachbarn entfernen und wie weit sie weg sind. Aus diesen beiden Zahlen könntest du berechnen, wie lange es her ist, dass alle Rosinen in einer kleinen, festen Kugel zusammengedrängt waren, bevor der Teig aufzugehen begann. Genau das taten Astronomen mit den Galaxien. Die Geschwindigkeit der Expansion und die Entfernungen der Galaxien ergeben zusammen ein ungefähres Alter des Universums. Der sorgfältige heutige Wert, der auch viele andere Hinweise nutzt, liegt bei etwa 13,8 Milliarden Jahren.

Diese Entdeckung veränderte die Frage nach dem Anfang vollständig. Wenn sich die Galaxien jetzt voneinander entfernen, dann waren sie gestern ein wenig näher beieinander, letztes Jahr noch näher und vor langer Zeit viel näher. Ein Universum, das wächst, ist ein Universum mit einer Geschichte. Zum ersten Mal war die Frage „Wie hat alles angefangen?“ nicht mehr nur eine Frage für Geschichten und Philosophie. Sie war zu einer Frage geworden, die man mit Teleskopen und Messungen erforschen konnte.

Eine Nachricht an Sami

Nach den Äpfeln schrieb Noor ihrem Bruder. „Heute habe ich mit einem Roboterarm ein Frachtschiff eingefangen. Die Geschichte von heute Nacht: Das Licht ferner Galaxien ist zum Roten hin gedehnt, wie eine Sirene, deren Ton tiefer wird, wenn ein Krankenwagen wegfährt. Je weiter die Galaxie, desto mehr ist das Licht gedehnt. Der Raum selbst dehnt sich, wie aufgehendes Brot mit Rosinen darin. Übrigens war frisches Obst in der Fracht. Ich habe an dich gedacht.“

Samis Antwort kam nach seiner Schicht. „Ich höre jede Nacht Sirenen“, schrieb er. „Ich werde sie nie wieder so hören wie vorher.“ Er fügte hinzu, dass eine der Kundinnen, denen er lieferte, eine alte Bäckerin, die um vier Uhr morgens mit der Arbeit begann, gelacht habe, als er ihr von dem Rosinenbrot erzählte. Sie habe gesagt, sie mache seit vierzig Jahren Modelle des Universums, ohne es zu wissen.

Noor lachte, als sie es las, und las es beim Frühstück Tomás und Ade laut vor. Tomás sagte, die besten Erklärungen schienen immer von Menschen zu kommen, die mit ihren Händen arbeiten. Ade sagte, er wolle die Meinung der Bäckerin zur Geschichte der nächsten Nacht hören, in der es darum ging, den ganzen Film des Universums rückwärts laufen zu lassen.

Wenn du heute Abend ein Auto oder einen Zug vorbeifahren hörst, kannst du vielleicht auf die Veränderung seines Klangs achten, wenn er vom Kommen ins Gehen übergeht. Es ist eine kleine alltägliche Sache. Aber derselbe Gedanke, mit großer Sorgfalt auf das Licht ferner Galaxien angewandt, zeigte, dass wir in einem Universum leben, das wächst, und dass es einmal ganz anders gewesen sein muss.

Verbreitete Missverständnisse

Viele Menschen glauben, wenn sich alle Galaxien von uns entfernen, müssten wir im Mittelpunkt des Universums stehen. Von hier aus sieht es tatsächlich so aus. Aber denk an die Rosinen. Von jeder Rosine im aufgehenden Teig aus scheinen sich alle anderen Rosinen zu entfernen. Eine Astronomin, die in einer Galaxie Milliarden Lichtjahre von uns entfernt lebt, sähe genau dasselbe: alle fernen Galaxien, die sich von ihr entfernen, die ferneren schneller. Es gibt keinen besonderen Mittelpunkt. Jeder Ort sieht sich selbst als die Mitte, und keiner von ihnen ist es.

Eine andere verbreitete Vorstellung ist, dass die Galaxien von einem Punkt weg durch den Raum fliegen, wie Trümmer einer Explosion. Dieses Bild liegt sehr nahe, aber es ist nicht die beste Beschreibung. Die Galaxien bewegen sich tatsächlich ein wenig durch den Raum, gezogen von ihren Nachbarn. Aber der Hauptgrund, warum die Abstände wachsen, ist, dass sich der Raum selbst zwischen ihnen dehnt. Das ist auch der Grund, warum es keinen Punkt im Raum gibt, an dem die Expansion begann. Die Dehnung geschieht überall zugleich, und so ist es seit dem Anfang.

Manche Menschen fragen sich, ob sich alles ausdehnt, auch die Erde, die Station und ihr eigener Körper. Wenn sich der Raum dehnt, dehnen wir uns dann auch? Die Antwort ist nein. Die Dehnung spielt nur über die ungeheuren leeren Entfernungen zwischen Galaxiengruppen eine Rolle. In einem Atom, einem Menschen, einem Planeten, einem Sonnensystem oder einer Galaxie sind die Kräfte, die alles zusammenhalten, weit stärker als die sanfte Dehnung des Raumes, deshalb behalten diese Dinge ihre Größe. Dein Körper, dein Küchentisch und Noors Roboterarm wachsen nicht. Und nicht jede Galaxie entfernt sich von uns. Unsere nahe Nachbarin Andromeda bewegt sich, von der Schwerkraft gezogen, auf uns zu, genau wie Slipher es bei seiner allerersten Messung fand. Die Expansion ist ein Muster des Universums im größten Maßstab, keine Regel für jedes Objekt darin. In der nächsten Nacht folgen wir diesem Muster in der Zeit zurück und sehen, wohin es führt.