Kapitel 7: Die ersten Minuten

Nacht 70: Die Wassermaschine

Tag 70 war ein Wartungstag. Auf dem Plan, den der Boden jeden Morgen heraufschickte, hatte Noors Hauptaufgabe einen schlichten Namen: einen Filter in der Wasseraufbereitung austauschen. Auf einer Raumstation ist Wasser zu kostbar, um es zu verschwenden. Es ist schwer, es von der Erde heraufzuschicken, deshalb sammelt die Station fast jeden Tropfen, den sie kann, und reinigt ihn immer wieder. Der Wasserdampf, den die Besatzung ausatmet, und der Schweiß, der ihre Haut verlässt, werden der Luft entzogen. Waschwasser wird gesammelt. Sogar Urin wird gesammelt, gereinigt und wieder in Trinkwasser verwandelt.

Noor hatte für diese Aufgabe am Boden viele Male an einem Nachbau der Maschine trainiert. Auf der Station brauchte sie dafür den größten Teil des Vormittags. Sie schloss Ventile in der richtigen Reihenfolge, prüfte die Druckanzeigen, öffnete eine Verkleidung und zog den alten Filter heraus. Jedes lose Teil wurde festgebunden oder in einem Beutel gehalten. Ade schwebte mit der Checkliste in der Nähe und las jeden Schritt laut vor, bevor sie ihn ausführte, und Noor wiederholte den Schritt für ihn. Am Boden mag das langsam wirken. Im Orbit vermeidet man so Fehler.

Als der neue Filter eingesetzt war, führte die Maschine ihre Tests durch. Eine Reihe kleiner Lämpchen wurde nacheinander grün. Die Teams am Boden verfolgten dieselben Werte auf ihren Bildschirmen und bestätigten, dass alles normal aussah. Noor trug die Uhrzeit ins Logbuch ein und steckte den alten Filter in einen Beutel, der später in ein Frachtschiff gepackt und abtransportiert werden sollte.

Beim Mittagessen füllte sie ihren Trinkbeutel aus der Wasserversorgung der Station und hielt ihn gegen das Licht. Das Wasser war vollkommen klar. Es schmeckte nach gar nichts, und genau so sollte gutes Wasser schmecken. Tomás hob seinen eigenen Beutel und sagte, wie jedes Mal, wenn jemand die Wassermaschine repariert hatte, aus dem Kaffee von gestern sei der Kaffee von heute geworden. Ade sagte, über diesen Satz wolle er beim Essen lieber nicht nachdenken.

Am Abend schrieb Sami, er habe die ganze Nacht Kisten mit Flaschenwasser in einem Supermarkt abgeladen und sei froh, dass niemand von ihm verlange, das Wasser zweimal zu trinken. Noor erzählte ihm, dass in gewisser Weise jeder Mensch auf der Erde Wasser trinkt, das schon einmal benutzt wurde, von Wolken, Flüssen, Pflanzen und Tieren, seit Milliarden Jahren. Und dann dachte sie weiter zurück, daran, woher das Wasser selbst kam. Ein Wassermolekül besteht aus zwei Atomen Wasserstoff und einem Atom Sauerstoff. Der Sauerstoff hat seine eigene Geschichte, die wir in einer späteren Nacht hören werden. Aber der Wasserstoff in jedem Wassertropfen ist viel älter. Er stammt aus den ersten Minuten des Universums.

Die kleinsten Bausteine

In der vorigen Nacht sind wir dem ältesten Licht begegnet, das freigesetzt wurde, als das Universum etwa 380.000 Jahre alt war. Heute Nacht gehen wir viel weiter zurück, in eine Zeit, als das Universum erst wenige Minuten alt war. Um zu verstehen, was damals geschah, müssen wir ein wenig darüber wissen, woraus Atome bestehen. Die Wörter mögen neu sein, aber der Gedanke ist einfach, wie wenn man die Teile einer Maschine kennenlernt, bevor man sie repariert.

Jedes Atom hat ein winziges Zentrum, den Atomkern. Um den Kern herum befinden sich noch winzigere Teilchen, die Elektronen. Der Kern selbst besteht aus zwei Arten von Teilchen. Protonen tragen eine positive elektrische Ladung. Neutronen tragen überhaupt keine Ladung, daher kommt ihr Name. Protonen und Neutronen sind fast gleich schwer, und beide sind weit schwerer als ein Elektron.

Man kann sich kaum vorstellen, wie klein ein Atomkern ist. Ein Vergleich, den Lehrer oft benutzen, geht so. Wäre ein ganzes Atom so groß wie ein großes Fußballstadion, dann wäre sein Kern etwa so groß wie eine kleine Erbse in der Mitte des Spielfelds. Die Elektronen befänden sich irgendwo weit draußen auf den Tribünen. Fast das ganze Gewicht des Atoms steckt in dieser winzigen Erbse in der Mitte.

Die Zahl der Protonen im Kern entscheidet, um welche Art von Atom es sich handelt. Ein Atom mit einem Proton ist Wasserstoff. Ein Atom mit zwei Protonen ist Helium. Ein Atom mit sechs Protonen ist Kohlenstoff, und ein Atom mit acht Protonen ist Sauerstoff. Jede dieser Grundarten von Atomen nennt man ein Element. Die Neutronen fügen Gewicht hinzu und helfen, den Kern zusammenzuhalten, aber sie ändern nicht, um welches Element es sich handelt.

Der einfachste Kern von allen ist ein einzelnes Proton für sich. Das ist der Kern des gewöhnlichen Wasserstoffs. Ein Heliumkern ist komplizierter. Er besteht aus zwei Protonen und zwei Neutronen, dicht zusammengepackt. Um einen Heliumkern zu bauen, muss man Protonen und Neutronen sehr nah zueinander bringen, so nah, dass eine sehr starke Kraft im Inneren des Kerns sie packen kann. Unter gewöhnlichen Bedingungen geschieht das fast nie, weil sich Protonen mit ihren elektrischen Ladungen gegenseitig abstoßen. Es braucht gewaltige Hitze und gewaltigen Druck, um sie zusammenzuzwingen.

In den ersten Momenten des Universums gab es noch keine Atome und keine Kerne. Es gab nur eine heiße Mischung aus freien Protonen, freien Neutronen, Elektronen, Licht und anderen winzigen Teilchen, die sich alle sehr schnell bewegten. Es war viel zu heiß, als dass irgendetwas hätte zusammenhalten können. Wann immer sich ein Proton und ein Neutron verbanden, schlug die Hitze sie fast sofort wieder auseinander. Das Universum war wie eine Küche, die so heiß ist, dass kein Teig je aufgehen könnte, weil alles verbrennt, sobald es angerührt ist.

Ein kurzes Zeitfenster zum Bauen

Während sich das Universum ausdehnte, kühlte es ab. Nach einigen Minuten erreichte es eine Temperatur, bei der Protonen und Neutronen endlich zusammenhalten konnten. Diese Temperatur war immer noch weit höher als die im Inneren der heutigen Sonne, aber sie war nicht mehr zu hoch. Für kurze Zeit wurde das ganze Universum zu einem Ort, an dem leichte Kerne gebaut werden konnten. Protonen und Neutronen verbanden sich zu Paaren, die Paare verbanden sich zu Heliumkernen, und eine sehr kleine Menge eines etwas schwereren Elements, Lithium, entstand ebenfalls.

Dieses Zeitfenster blieb nicht lange offen. Das Universum dehnte sich weiter aus und kühlte weiter ab. Innerhalb etwa der ersten zwanzig Minuten waren Temperatur und Dichte so weit gesunken, dass das Bauen aufhörte. Die Teilchen waren nun zu weit verstreut und zu langsam, um mit genug Wucht aufeinanderzutreffen. Was bis dahin entstanden war, war das, womit das Universum arbeiten musste. Viele Millionen Jahre lang, bis die ersten Sterne zu leuchten begannen, entstanden danach überhaupt keine neuen Elemente.

Vielleicht fragst du dich, wie irgendjemand die Temperatur des Universums im Alter von wenigen Minuten wissen kann. Die Überlegung ist einfacher, als sie klingt. Astronomen wissen, wie schnell sich das Universum heute ausdehnt und wie warm das älteste Licht heute ist. Als das Universum kleiner war, war dasselbe Licht in einen kleineren Raum gedrängt, also war es heißer, und zwar auf eine einfache und gut verstandene Weise. Indem sie den Film mit diesen Regeln rückwärts laufen lassen, können Physiker berechnen, wie heiß das Universum zu jedem Zeitpunkt war, bis zurück in die ersten Minuten.

Es gab noch einen weiteren Grund, warum die Zeit knapp war. Ein Neutron für sich allein, außerhalb eines Kerns, hält nicht lange. In durchschnittlich etwa einer Viertelstunde verwandelt sich ein freies Neutron in ein Proton. Die Neutronen verschwanden also die ganze Zeit langsam. Überleben konnten nur die Neutronen, die in Heliumkerne eingebaut worden waren. Man könnte das mit einer Bäckerei vergleichen, in der die Hefe langsam ihre Kraft verliert. Der Bäcker muss sie schnell verwenden, sonst ist sie dahin.

Als das Bauen aufhörte, gab es weit weniger Neutronen als Protonen. Grob gesagt kam auf sieben Protonen ein Neutron. Diese Zahl entscheidet über das Ergebnis. Stell dir sechzehn Teilchen vor: zwei Neutronen und vierzehn Protonen. Die beiden Neutronen verbinden sich mit zwei der Protonen zu einem Heliumkern, das sind insgesamt vier Teilchen. Die anderen zwölf Protonen bleiben allein, als zwölf Wasserstoffkerne. Dem Gewicht nach sind also vier von sechzehn Teilen Helium, das ist ein Viertel. Die anderen drei Viertel sind Wasserstoff.

Das ist die Vorhersage der ersten Minuten: der Masse nach etwa drei Viertel Wasserstoff und etwa ein Viertel Helium, mit winzigen Spuren einer schwereren Art von Wasserstoff und von Lithium. Hunderttausende Jahre später, als das Universum weiter abgekühlt war und sich die Elektronen um diese Kerne herum niederließen, entstanden die ersten Atome. Das waren die Atome des glühenden Nebels, des Nebels, der sich lichtete und das älteste Licht freigab.

Zwei Geschichten, die sich trafen

Hier treffen sich auf schöne Weise zwei Geschichten. Die erste ist die Geschichte der Vorhersage. 1948 berechneten George Gamow, Ralph Alpher und Robert Herman, denen wir in der vorigen Nacht begegnet sind, wie ein heißes, dichtes junges Universum in seinen ersten Minuten leichte Kerne bauen konnte. In den folgenden Jahren verbesserten andere Physiker die Berechnungen mit besseren Messungen darüber, wie sich Protonen und Neutronen verhalten. Es dauerte viele Jahre, die Einzelheiten ihrer Arbeit richtig hinzubekommen, aber das Hauptergebnis blieb dasselbe: Das junge Universum sollte vor allem Wasserstoff und etwa ein Viertel Helium erzeugt haben.

Die zweite Geschichte begann sogar noch früher, mit einer jungen Frau namens Cecilia Payne. In den 1920er-Jahren arbeitete sie als Studentin an einer Sternwarte und untersuchte das Licht der Sterne. In der Nacht der sich entfernenden Galaxien haben wir gesehen, dass sich Licht zu einem Spektrum auffächern lässt, einem Band von Farben mit dunklen Linien darin. Jedes Element hinterlässt sein eigenes Linienmuster. Lange hatten Astronomen angenommen, die Sonne müsse ungefähr aus denselben Stoffen bestehen wie die Erde, weil ihr Spektrum Linien von Eisen und vielen anderen Elementen zeigte.

Payne nutzte neue Erkenntnisse der Physik, um zu verstehen, wie die Temperatur eines Sterns das Muster seiner Linien verändert. Als sie das berücksichtigte, kam sie zu einem verblüffenden Schluss. Sterne bestehen vor allem aus Wasserstoff und Helium. Die schwereren Elemente sind vorhanden, aber nur in kleinen Mengen. Sie schloss diese Arbeit 1925 ab. Damals erschien der Gedanke so unwahrscheinlich, dass ein angesehener älterer Astronom sie überredete zu schreiben, ihr Ergebnis sei wahrscheinlich nicht echt. Einige Jahre später kamen andere Astronomen, darunter eben dieser ältere Astronom, auf anderen Wegen zum selben Schluss. Payne hatte recht gehabt.

Es lohnt sich, einen Moment über Paynes Lage nachzudenken. Sie war jung, sie war eine Frau in einem Fachgebiet, in dem nur wenige Frauen solche Arbeit machen durften, und ihr Ergebnis widersprach dem, was fast alle glaubten. Viele an ihrer Stelle hätten den Gedanken fallen gelassen. Sie ließ die Arbeit nicht fallen. Sie war sorgfältig, sie veröffentlichte sie, und die Belege lagen vor, damit andere sie prüfen konnten. Ihr Ergebnis ist heute eine der Grundlagen der Astronomie.

Fügt man die beiden Geschichten zusammen, zeigt sich etwas Bemerkenswertes. Die Physiker fragten, was die ersten Minuten erzeugt haben sollten. Die Astronomen maßen, woraus Sterne und Gaswolken tatsächlich bestehen. Beide Antworten weisen auf dasselbe hin: ein Universum, das vor allem aus Wasserstoff besteht, mit etwa einem Viertel Helium. Wenn Astronomen die ältesten Gaswolken und die ältesten Sterne messen, die am wenigsten Zeit hatten, von späteren Sternen verändert zu werden, stimmen die Mengen gut mit der Vorhersage überein.

Eine der stärksten Spuren

In der ersten Nacht hat dieses Buch drei Hauptspuren dafür genannt, dass das Universum einen heißen, dichten Anfang hatte. Die erste war, dass sich die Galaxien voneinander entfernen. Die zweite war das älteste Licht. Die dritte ist die Geschichte dieser Nacht: die Mengen der leichtesten Elemente. Diese dritte Spur ist besonders stark, weil sie ein Test mit Zahlen ist. Eine Theorie, die nur sagt „Es war einmal heiß“, könnte zu vielen Ergebnissen passen. Eine Theorie, die sagt „etwa ein Viertel Helium, nicht die Hälfte, nicht ein Zehntel“, lässt sich überprüfen, und sie hätte scheitern können.

Sie scheiterte nicht. Das Helium ist in etwa der richtigen Menge vorhanden, wo immer Astronomen hinschauen, in alten Sternen und im Gas zwischen den Galaxien. Auch die Spuren des schweren Wasserstoffs passen zur Vorhersage. Und die Zahlen, die sich aus diesen leichten Elementen ergeben, stimmen mit den Zahlen überein, die sich völlig unabhängig davon aus den Mustern im ältesten Licht ergeben. Zwei sehr verschiedene Arten von Messungen mit sehr verschiedenen Instrumenten erzählen dieselbe Geschichte über das junge Universum.

Es gibt auch einen Test, den man auf der Erde machen kann. Das Bauen leichter Kerne hängt davon ab, wie leicht sich Protonen und Neutronen bei einer bestimmten Temperatur verbinden. Diese Raten sind nicht geraten. Sie werden in Laboren gemessen, wo Maschinen Protonen und andere Teilchen aufeinanderschießen und zählen, was herauskommt. Die Berechnungen der ersten Minuten verwenden diese gemessenen Zahlen. In diesem Sinn folgen ein kleines Labor auf der Erde und das ganze junge Universum denselben Regeln.

Ein ehrliches Rätsel sollte erwähnt werden. Die Menge an Lithium, die Astronomen in manchen sehr alten Sternen finden, ist geringer, als die Berechnungen der ersten Minuten vorhersagen. Wissenschaftler untersuchen noch, warum. Vielleicht hat etwas im Inneren dieser alten Sterne einen Teil ihres Lithiums langsam zerstört. Vielleicht muss etwas an der Berechnung verbessert werden. Dieses Rätsel ist noch nicht vollständig verstanden. Aber es ist ein kleines Rätsel innerhalb einer großen Übereinstimmung, und es ändert nichts am Gesamtbild der ersten Minuten.

Es ist auch gut zu wissen, was die ersten Minuten nicht erzeugt haben. Sie erzeugten fast nichts, was schwerer ist als Lithium. Es gab keinen Kohlenstoff, keinen Sauerstoff, kein Eisen, kein Gold. Das Universum, das aus den ersten Minuten hervorging, war sehr einfach: Wasserstoff, Helium, ein wenig von ihren nahen Verwandten und sonst nichts. Jedes andere Element, auch der Sauerstoff, den du atmest, und der Kohlenstoff in allem, was lebt, musste später entstehen. Diese Arbeit leisteten die Sterne, und ihre Geschichte gehört in spätere Nächte.

Wenn du also ein Glas Wasser in der Hand hältst, hältst du zwei sehr verschiedene Geschichten. Der Sauerstoff darin entstand im Inneren von Sternen, lange nach dem Anfang. Aber der Wasserstoff, die „zwei“ in den zwei Atomen Wasserstoff und dem einen Atom Sauerstoff, entstand in den ersten Minuten, vor etwa 13,8 Milliarden Jahren. Dieser Wasserstoff war schon in Wolken, Sternen, Kometen, Ozeanen und Regen. Jetzt ist er in deinem Glas.

Vor dem Schlafen

Vor dem Schlafen füllte Noor noch einen Beutel aus der sauberen Wasserversorgung und trank ihn langsam am Fenster. Die Erde unten lag im Tageslicht. Sie sah das Blau eines Ozeans, übersät mit weißen Wolken, und den Rand einer Küste. All das Wasser, dachte sie, und in jedem Tropfen derselbe alte Wasserstoff, der durch Milliarden Jahre gewartet hat.

Sie schrieb an Sami: „Das Wasser, das du heute Nacht abgeladen hast, ist sehr alt. Der Wasserstoff darin entstand in den ersten zwanzig Minuten des Universums. Deine Kisten waren schwerer, als du dachtest.“ Sami schrieb zurück, das habe ihm sein Rücken schon gesagt, danke. Dann fügte er hinzu, er werde die nächste Flasche ein bisschen anders ansehen.

Ade, der sie schreiben gesehen hatte, fragte, was sie ihrem Bruder heute erzähle. Als sie es erklärte, schwieg er einen Moment und sagte dann, er habe jede Seite des Handbuchs der Wassermaschine gelesen und nicht ein einziges Mal daran gedacht, dass das Wasser alt ist. Tomás sagte, das sei das Problem mit Fachleuten: Sie kennen eine Sache so gut, dass sie vergessen, sich über sie zu wundern.

Morgen oder heute Abend füllst du vielleicht auch ein Glas Wasser am Ende deines Arbeitstages. Du musst nicht jedes Mal an das Universum denken. Aber einmal könntest du das Glas vielleicht einen Moment lang halten, bevor du trinkst. In deiner Hand ist etwas, das fast am Anfang der Zeit entstanden ist, und es hat einen sehr weiten Weg zurückgelegt, um zu dir zu gelangen.

Verbreitete Missverständnisse

Viele Menschen glauben, alle Elemente seien beim Urknall entstanden. Das scheint naheliegend, denn der Urknall ist der Anfang von allem. Aber die ersten Minuten erzeugten nur die leichtesten Elemente: Wasserstoff, Helium und eine winzige Menge Lithium. Schwerere Elemente wie Kohlenstoff, Sauerstoff, Eisen und Gold entstanden viel später, im Inneren von Sternen und bei den gewaltigen Ereignissen am Ende des Lebens mancher Sterne. Das Universum begann einfach und wurde mit der Zeit reicher.

Viele Menschen glauben auch, Helium sei ein seltenes Element, weil die meisten es auf der Erde nur von Partyballons kennen und es manchmal knapp ist. Tatsächlich ist Helium nach Wasserstoff das zweithäufigste Element im Universum. Auf der Erde ist es aus einem anderen Grund selten. Helium ist sehr leicht und verbindet sich nicht mit anderen Elementen, deshalb entweicht jedes Helium in der Luft langsam ins All. Das meiste Helium, das Menschen auf der Erde gewinnen, stammt aus großer Tiefe unter der Erde, wo es langsam durch den Zerfall mancher Atomsorten im Gestein entsteht. Draußen im Universum ist Helium überall.

Und schließlich stellen sich viele Menschen vor, die ersten Minuten seien reine Spekulation, weil niemand dabei war, um sie zu sehen. Es stimmt, dass niemand zugesehen hat, und es stimmt, dass manche Fragen über die allerersten Momente noch offen sind, wie wir in der nächsten Nacht sehen werden. Aber dieser Teil der Geschichte gehört zu den am besten geprüften überhaupt. Er nutzt dieselbe Physik, die in Laboren auf der Erde sorgfältig gemessen wird, er macht klare Vorhersagen mit Zahlen, und diese Vorhersagen stimmen mit dem überein, was Astronomen am Himmel messen. In der nächsten Nacht gehen wir noch weiter zurück, in eine Zeit, bevor es auch nur Protonen und Neutronen gab, und dort wird der Boden unter unseren Füßen viel weniger fest.