Kapitel 9: Das dunkle Zeitalter und die ersten Sterne

Nacht 97: Bilder der Nachtseite

An Tag 97 hatte der Boden die Besatzung um Nachtaufnahmen der Erde gebeten. Wissenschaftler am Boden nutzen solche Bilder, um vieles zu untersuchen: das Leuchten von Städten und Straßen, die Ausbreitung der Lichter über die Jahre, Unwetter und die Formen von Küstenlinien im Dunkeln. Die Aufgabe klingt einfach. In der Praxis ist sie eine der schwierigeren Arbeiten auf der Station, weil sich die Station so schnell bewegt.

Bei etwa 28.000 Kilometern pro Stunde gleitet der Boden darunter schnell vorbei. Ein Foto der Nachtseite braucht eine lange Belichtung, weil es so wenig Licht gibt, aber eine lange Belichtung verwischt, wenn sich Kamera und Boden gegeneinander bewegen. Deshalb benutzte Noor eine Kamerahalterung, die sich langsam drehte, um dem Boden zu folgen, und sie prüfte jedes Bild auf dem Bildschirm, bevor sie das nächste machte. Ade schwebte neben ihr und las die Zeiten vor, zu denen die Station über jedes Gebiet ziehen würde, um das die Wissenschaftler gebeten hatten.

Zwischen den geplanten Bildern sahen sie Dinge, die kein Zeitplan planen konnte. Weit zu einer Seite zuckten Blitze durch ein Gewitter, eine Wolke leuchtete nach der anderen auf, wie Lampen, die in einem großen dunklen Haus ein- und ausgeschaltet werden. Nahe dem Rand der Erde wogte langsam ein grüner Vorhang aus Polarlicht, an seiner Oberkante mit einem zarten Hauch von Rot. Über allem lag entlang der Krümmung des Planeten ein dünnes, blasses Band leuchtender Luft und darüber der schwarze Himmel mit den Sternen.

Noor wusste, was sie sah. Polarlicht entsteht, wenn winzige Teilchen, die von der Sonne ausströmen, vom Magnetismus der Erde zu den Gebieten nahe den Polen gelenkt werden, wo sie die dünne obere Luft zum Leuchten bringen, ein wenig wie das Gas in einer Leuchtreklame. Das blasse Band am Rand des Planeten war die Luft selbst, die ganz schwach einen Teil der Energie zurückgab, die sie tagsüber aus dem Sonnenlicht gesammelt hatte.

Als die Station wieder ins Sonnenlicht kam, packte Noor die Kamera weg und sah sich die Bilder an. Die meisten waren gut. Einige waren verwackelt, und sie markierte diese, damit die Wissenschaftler Bescheid wussten. Dann blieb sie einen Moment bei dem letzten Bild auf dem Bildschirm: eine dunkle Erde, ein paar verstreute Lichter und darüber vollkommene Dunkelheit. Es erinnerte sie an etwas, das sie über das Universum nach dem ältesten Licht gelesen hatte, über eine Zeit, in der es noch keinen einzigen Stern gab.

An diesem Abend stellte sie Sami eine Frage, statt eine zu beantworten. Sie fragte ihn, welcher Ort auf seiner nächtlichen Route der dunkelste sei. Er schrieb zurück, das sei eine lange Straße zwischen Feldern, ohne Orte und ohne Straßenlaternen, wo er manchmal das Radio ausschalte und in Stille fahre. Noor erzählte ihm, dass das Universum einmal eine solche Dunkelheit hatte, aber viel länger, über Millionen von Jahren. Und dass die ersten Lichter, die darin erschienen, die ersten Sterne waren.

Nach dem ältesten Licht

In einer früheren Nacht haben wir gesehen, wie sich der Nebel etwa 380.000 Jahre nach dem Anfang lichtete. Atome entstanden, und das älteste Licht wurde freigesetzt. Anfangs war dieses Licht warm und hell, das Leuchten von etwas mit einer Temperatur von einigen tausend Grad. Hättest du dabei sein können, hätte der ganze Himmel in einem sanften orangefarbenen Licht geleuchtet. Aber das Universum dehnte sich weiter aus, und das Licht wurde weiter gedehnt. Im Lauf einiger Millionen Jahre wurden seine Wellen länger, als das Auge sehen kann. Für menschliche Augen wurde der Himmel dunkel.

Es gab noch keine Sterne, die dieses Licht hätten ersetzen können. Das Universum war mit Gas gefüllt, fast nur Wasserstoff und Helium, den einfachen Elementen der ersten Minuten. Es war ziemlich gleichmäßig im Raum verteilt, aber nicht vollkommen gleichmäßig, wegen der winzigen Kräuselungen, die wir im ältesten Licht gesehen haben. Und es gab noch etwas, dem wir in der nächsten Nacht richtig begegnen werden: eine große Menge unsichtbarer Materie, die Dunkle Materie, die nicht leuchtet, aber mit ihrer Schwerkraft zieht.

Wie lange dauerte das dunkle Zeitalter? Es begann, als das älteste Licht aus dem Sichtbaren verschwand, und endete, als die ersten Sterne zu leuchten begannen. Da sich die ersten Sterne wahrscheinlich innerhalb der ersten paar hundert Millionen Jahre bildeten, dauerte das dunkle Zeitalter wahrscheinlich hundert Millionen Jahre oder länger. Die genaue Dauer kennt niemand. Es war jedenfalls eine sehr lange Nacht, viele Male länger als die ganze Menschheitsgeschichte.

Astronomen nennen diesen langen Zeitraum das kosmische dunkle Zeitalter. Es war nicht dunkel, weil es leer war. Es war dunkel, weil darin noch nichts leuchtete. Stell dir ein großes Theater nach der letzten Vorstellung des Abends vor. Das Publikum ist gegangen, die Lichter sind aus, und die Bühne ist still. Aber das Gebäude ist nicht leer. Die Sitze, die Vorhänge und die Bühne sind alle noch da und warten auf die nächste Aufführung.

Während des dunklen Zeitalters war die Schwerkraft langsam am Werk. An den Orten, an denen das Universum ganz leicht dichter war, zog die Schwerkraft ein wenig stärker. Diese Orte zogen mehr Materie an, was sie noch dichter machte, was ihre Anziehung noch stärker machte. Das ist die geduldige Arbeit der Schwerkraft: Kleine Unterschiede werden mit der Zeit größer. Die unsichtbare Dunkle Materie sammelte sich zuerst zu Klumpen, und das gewöhnliche Gas fiel in diese Klumpen hinein, wie Wasser, das in Mulden im Boden läuft.

Als sich das Gas sammelte und dichter wurde, wurde es in seinem Zentrum auch heißer, so wie Luft in einer Fahrradpumpe warm wird, wenn man sie zusammendrückt. Lange wuchsen die Gasklumpen, ohne zu Sternen zu werden. Dann wurde an den dichtesten Orten das Gas im Zentrum so heiß und so dicht gepackt, dass ein neuer Vorgang begann. Wasserstoffkerne begannen, sich zu Helium zu verbinden und dabei Energie abzugeben, in einem Vorgang namens Kernfusion, den wir in einer späteren Nacht erkunden werden. Als das geschah, wurde ein Stern geboren. Das erste Licht nach dem dunklen Zeitalter war eingeschaltet.

Die ersten Sterne

Wann erschienen die ersten Sterne? Astronomen glauben, dass sie sich wahrscheinlich innerhalb der ersten paar hundert Millionen Jahre nach dem Anfang bildeten. Der genaue Zeitpunkt ist nicht bekannt, und er war an verschiedenen Orten vielleicht verschieden, da die dichtesten Klumpen zuerst Sterne gebildet hätten. Verglichen mit dem ganzen Alter des Universums, etwa 13,8 Milliarden Jahren, sind ein paar hundert Millionen Jahre ziemlich früh. In der Geschichte von einem langen Arbeitstag, die wir in der letzten Nacht erzählen werden, liegt das irgendwo in der ersten halben Stunde nach Mitternacht.

Die ersten Sterne waren wahrscheinlich ganz anders als die Sonne. Sie bestanden fast vollständig aus Wasserstoff und Helium, weil es noch keine schwereren Elemente gab. Schwerere Elemente helfen Gaswolken, abzukühlen und in kleinere Stücke zu zerfallen. Ohne sie blieben die Gaswolken des jungen Universums wahrscheinlich wärmer und fielen zu viel größeren Klumpen zusammen. Deshalb glauben viele Astronomen, dass die ersten Sterne oft sehr groß waren, vielleicht um ein Vielfaches schwerer als die Sonne.

Große Sterne leben schnell. Ein Stern, der viel schwerer ist als die Sonne, verbraucht seinen Brennstoff weit schneller als ein kleiner, weil sein Zentrum so viel heißer und dichter ist. Die Sonne leuchtet seit etwa 4,6 Milliarden Jahren und hat erst etwa die Hälfte ihres Lebens hinter sich. Die größten der ersten Sterne lebten vielleicht nur ein paar Millionen Jahre. Dann endeten sie, wahrscheinlich in großen Explosionen, und diese Explosionen verstreuten die ersten schwereren Elemente im Raum. Das ist der Anfang einer Geschichte, der wir in späteren Nächten folgen werden.

Hier ist es wichtig, ehrlich zu sein. Vieles von dem, was wir über die ersten Sterne gesagt haben, stammt aus sorgfältigen Berechnungen und Computermodellen, nicht aus direkter Beobachtung. Astronomen sind ziemlich sicher, dass die ersten Sterne aus Wasserstoff und Helium bestanden und dass viele groß waren. Aber wie groß sie waren, wie viele es gab und wie genau sie entstanden, wird noch erforscht. Verschiedene Modelle geben etwas unterschiedliche Antworten. Noch hat niemand einen der allerersten Sterne deutlich gesehen und sicher gewusst, was er war.

Es gibt auch eine schöne Wirkung der ersten Sterne, die Astronomen untersuchen können. Große, heiße Sterne geben sehr viel starkes Licht ab, vieles davon ultraviolett, die Art Licht, die an einem sonnigen Tag die Haut verbrennt. Dieses starke Licht konnte im Gas rund um die Sterne Elektronen von den Wasserstoffatomen abschlagen. Langsam wuchsen um jeden frühen Stern und jede frühe Galaxie Blasen aus Gas mit freien Elektronen. Die Blasen breiteten sich aus und wuchsen zusammen. Als das Universum etwa eine Milliarde Jahre alt war, war das meiste Gas zwischen den Galaxien auf diese Weise verändert. Das Licht der frühen Sterne hatte den letzten Rest der Dunkelheit vertrieben.

Die Menschen, die zurückblickten

Wie suchen Astronomen nach den ersten Sternen und Galaxien? Die Antwort führt zurück zu den allerersten Nächten dieses Buches. Licht braucht Zeit, um zu reisen. Je weiter etwas entfernt ist, desto länger ist sein Licht zu uns unterwegs gewesen, desto weiter in der Vergangenheit sehen wir es also. Um die frühesten Galaxien zu sehen, müssen Astronomen die fernsten betrachten. Diese sind äußerst schwach, deshalb brauchen sie sehr große und sehr empfindliche Teleskope.

1990 wurde ein Teleskop in eine Umlaufbahn um die Erde gebracht, oberhalb der Luft, die den Blick vom Boden aus verschwimmen lässt. Es heißt Hubble-Weltraumteleskop, nach dem Astronomen Edwin Hubble, dem wir in früheren Nächten begegnet sind. Mitte der 1990er-Jahre tat sein Team etwas, das zunächst fast wie Verschwendung wirkte. Es richtete das Teleskop viele Tage lang auf einen winzigen Himmelsausschnitt, der völlig leer aussah, einen Ausschnitt, der weit kleiner war als der Vollmond. Als es alle Bilder zusammenfügte, war der leere Ausschnitt voller Galaxien, Tausende davon, viele so weit entfernt, dass ihr Licht Milliarden Jahre unterwegs gewesen war.

Doch auch dieses Teleskop hatte eine Grenze. Wie wir in der Nacht der sich entfernenden Galaxien gesehen haben, wird Licht von sehr fernen Galaxien durch die Expansion des Raumes gedehnt. Licht, das die ersten Galaxien als blaues oder ultraviolettes Licht verließ, kommt heute als Infrarotlicht an, mit Wellen, die zu lang für unsere Augen sind. Infrarotlicht ist die Art, die wir als Wärme spüren, zum Beispiel von einem Ofen. Um die frühesten Galaxien gut zu sehen, brauchten Astronomen ein Teleskop, das eigens für Infrarotlicht gebaut ist.

Dieses Teleskop ist das James-Webb-Weltraumteleskop. Es wurde im Dezember 2021 gestartet, nach vielen Jahren der Planung und des Baus durch eine große Zahl von Ingenieuren, Technikern und Wissenschaftlern. Sein großer Spiegel war zu groß, um in eine Rakete zu passen, deshalb bestand er aus vielen Teilen, die sich im All entfalteten, wie eine Blume, die sich öffnet. Weil das Teleskop nach schwacher Wärme sucht, muss es äußerst kalt gehalten werden, deshalb trägt es einen großen Schild, der die Hitze der Sonne abhält. Und es wurde viel weiter von der Erde weggeschickt als bis zum Mond, an einen ruhigen Ort, an dem Sonne, Erde und Mond alle auf derselben Seite bleiben, hinter dem Schild.

Die Reise selbst war ein langes Stück sorgfältiger Arbeit. Das Teleskop brauchte etwa einen Monat, um seinen Platz zu erreichen, und in dieser Zeit entfaltete es sich Schritt für Schritt: der Schild, die Spiegelteile und viele kleinere Teile. Jeder Schritt war am Boden getestet worden, und jeder musste im All funktionieren, wo niemand hinfliegen konnte, um etwas zu reparieren. Viele der Menschen, die es gebaut hatten, verfolgten diese Wochen sehr genau, nachdem sie Jahre ihres Arbeitslebens dieser einen Maschine gewidmet hatten.

Seit es seine Arbeit aufgenommen hat, hat das Webb-Teleskop Galaxien gefunden, deren Licht sie verließ, als das Universum erst ein paar hundert Millionen Jahre alt war. Manche dieser frühen Galaxien sind heller und weiter entwickelt, als viele Astronomen erwartet hatten. Das hat lebhafte Diskussionen darüber ausgelöst, wie schnell die ersten Galaxien wuchsen. Diese Diskussionen dauern noch an. Es ist ein gutes Beispiel dafür, dass ein neues Instrument nicht nur alte Fragen beantwortet. Es stellt auch neue.

Noch immer auf der Suche nach den allerersten

Selbst das Webb-Teleskop hat die allerersten Sterne noch nicht deutlich für sich allein gesehen. Die frühesten Galaxien, die es sieht, enthalten bereits viele Sterne, und manche dieser Sterne enthalten vielleicht schon schwerere Elemente, die von Sternen vor ihnen erzeugt wurden. Die allerersten Sterne, die nur aus Wasserstoff und Helium bestanden, sind wahrscheinlich zu schwach und zu weit entfernt, um einzeln gesehen zu werden. Astronomen hoffen, auf andere Weise Spuren von ihnen zu finden, zum Beispiel im Licht der frühesten Galaxien oder in den hellen Blitzen ihrer Explosionen.

Es gibt noch andere Arten der Suche. Das Wasserstoffgas des dunklen Zeitalters gab ein eigenes, sehr schwaches Radiosignal ab. Mehrere Gruppen von Wissenschaftlern bauen Radioinstrumente, um zu versuchen, es nachzuweisen. Das ist sehr schwere Arbeit, weil das Signal so schwach ist und das Funkrauschen von der Erde und aus unserer eigenen Galaxie so stark. Es ist ein wenig wie bei den Ingenieuren des ältesten Lichts, die versuchten, in einem Raum voller Rauschen eine leise Stimme zu hören. Noch hat niemand dieses Signal so gemessen, dass sich alle darüber einig sind.

Astronomen untersuchen auch alte Sterne in unserer Nähe, in unserer eigenen Galaxie. Manche Sterne in der Milchstraße sind sehr alt und enthalten nur winzige Mengen schwererer Elemente. Sie sind nicht die allerersten Sterne, aber vielleicht ihre Kinder oder Enkel, entstanden aus Gas, das nur von einer oder wenigen früheren Sterngenerationen angereichert worden war. Indem sie die kleinen Mengen schwererer Elemente in diesen alten Sternen untersuchen, können Astronomen etwas über die Sterne erfahren, die vor ihnen kamen. Es ist ein wenig so, als lernte man Urgroßeltern kennen, indem man die Familienähnlichkeit bei ihren Nachkommen betrachtet.

Die Suche nach den ersten Sternen findet also an vielen Orten zugleich statt: mit Teleskopen im All, die in die Ferne blicken, mit Radioinstrumenten, die nach dem dunklen Zeitalter lauschen, und mit Teleskopen am Boden, die die ältesten Sterne in der Nähe untersuchen. Jede Methode liefert einen Teil des Bildes. Keine liefert bisher das ganze Bild. So funktioniert ein großer Teil der Wissenschaft: durch viele kleine, sorgfältige Arbeiten, von vielen Menschen über viele Jahre getan, die sich langsam zusammenfügen.

Vor dem Schlafen

Vor dem Schlafen schaute Noor noch einmal aus dem Fenster. Die Station war wieder über der Nachtseite, und diesmal schaltete sie das Licht in dem kleinen runden Raum aus, damit sich ihre Augen gewöhnen konnten. Nach ein paar Minuten erschienen mehr Sterne, dann noch mehr, bis der schwarze Himmel voll von ihnen war. Von der Station aus funkelten sie nicht. Sie leuchteten gleichmäßig, jeder eine Sonne, manche nah und manche fern.

Ade schwebte leise herein und schaute eine Weile neben ihr hinaus. Er sagte, jedes Mal, wenn er so viele Sterne sehe, falle es ihm schwer zu glauben, dass es einmal überhaupt keine gegeben habe. Noor sagte, ihr falle es schwer zu glauben, dass jemand das herausgefunden habe. Dann kehrten beide in ihre Kabinen zurück, denn der nächste Arbeitstag würde früh beginnen.

Sie schrieb an Sami: „Wenn du das nächste Mal deine dunkle Straße fährst, denk daran. Hundert Millionen Jahre oder länger war das ganze Universum dunkler als diese Straße. Dann gingen die ersten Sterne einer nach dem anderen an, wie die ersten Lichter einer Stadt in der Dämmerung.“ Sami antwortete, auf seiner dunklen Straße sei das erste Licht, das er meistens sehe, die Tankstelle, an der er Kaffee kaufe, und die werde er jetzt als Stern betrachten.

Vielleicht gehst oder fährst auch du nach einem langen Arbeitstag im Dunkeln nach Hause. Wenn das erste Licht deiner Straße oder deines Zuhauses vor dir auftaucht, ist das ein kleiner, gewöhnlicher Trost. Das Universum hatte seine eigene Fassung dieses Moments, vor langer Zeit, als die ersten Sterne in der Dunkelheit zu leuchten begannen. Alles, was danach kam, die Galaxien, die Sonne und die Erde, wuchs aus diesem Anfang.

Verbreitete Missverständnisse

Viele Menschen glauben, das kosmische dunkle Zeitalter sei dunkel gewesen, weil das Universum leer war. Es war überhaupt nicht leer. Es war voller Wasserstoff- und Heliumgas, voller unsichtbarer Dunkler Materie und immer noch voller ältestem Licht, das bis dahin über das hinaus gedehnt war, was Augen sehen können. Das dunkle Zeitalter war dunkel, weil noch nichts leuchtete. Es war auf stille Weise auch eine geschäftige Zeit, denn die Schwerkraft zog die Materie langsam zu den Klumpen zusammen, in denen sich die ersten Sterne bilden würden.

Viele Menschen stellen sich auch vor, die ersten Sterne seien wie die Sonne gewesen. Sie waren wahrscheinlich ganz anders. Sie bestanden fast nur aus Wasserstoff und Helium, ohne die schwereren Elemente, die die Sonne enthält. Viele von ihnen waren wahrscheinlich viel größer und heißer als die Sonne, und sie lebten viel kürzer. Die Sonne ist ein viel späterer Stern. Wie wir in einer späteren Nacht sehen werden, entstand sie aus Gas, das schon von vielen Sterngenerationen vor ihr angereichert worden war.

Und schließlich glauben manche Menschen, sie könnten die ersten Sterne mit eigenen Augen sehen, wenn sie einen sehr dunklen Ort finden und nach oben schauen. Leider geht das nicht. Die ersten Sterne endeten vor langer Zeit, und ihr Licht, falls es uns überhaupt erreicht, ist viel zu schwach und zu stark gedehnt, um es ohne die größten Teleskope zu sehen, und selbst diese haben sie noch nicht deutlich gesehen. Die Sterne, die du in einer dunklen Nacht siehst, sind viel näher und viel jünger, fast alle befinden sich in unserer eigenen Galaxie. Aber jeder von ihnen gehört zu derselben langen Geschichte. In der nächsten Nacht sehen wir, wie die ersten Ansammlungen von Sternen zu Galaxien heranwuchsen und wie etwas Unsichtbares ihnen dabei half.