Die dritte Dimension im Kosmos

Für meine nächste große Story in Zusammenarbeit mit Spektrum der Wissenschaft – es geht um die Entdeckung der Leere als neues kosmisches Forschungsterrain – bin ich wieder in die großräumigen Strukturen des Universums abgetaucht. Nicht das erste Mal, aber meist habe ich sie als gesetzt gesehen, will heißen: mich vor allem um die Erkenntnisse gekümmert, die daraus für unser Weltbild erwachsen. Jetzt also war ich erneut in diesen weitläufigen universalen Regionen unterwegs, dabei ist mir wieder bewusst geworden, wie schwierig es doch ist, die dritte Dimension des Universums zu erschließen. Das Thema, eigentlich am Rande, hat mich bald so fasziniert, dass ich es wert fand, dafür eine eigene Reportage zu machen, die ich hier vorstelle.

Faktisch sind wir erst jetzt an der Schwelle der Zeit angekommen, in der wir die großräumigen Strukturen im dreidimensionalen Raum erfassen können. Was Generationen nach Generationen seit Jahrzehntausenden am Firmament wahrnehmen, was Teleskope seit einigen hundert Jahren für uns Neues enthüllen und was Satelliten seit gut fünfzig Jahren digital abbilden, ist nie der „Raum“ da draußen, sondern ein zweidimensionales Abbild, ein Atlas des Himmelsgebäudes. Wir machen es uns selten bewusst, aber wir sehen das dreidimensionale Universum stets in 2D – mit Ausnahme unseres Sonnensystems natürlich, durch das wir mit Sonden bereits reisen.

Die gewaltigen interstellaren oder gar intergalaktischen Entfernungen von Sternen oder Galaxien festzustellen, ist ein aufwändiges Unterfangen. Dafür benutzen die Astronomen zwei wichtige Methoden: Mit Hilfe der durch die Umdrehung der Erde um die Sonne erzielten relativen Bewegung zu den Sternen können wir ihre Entfernung messen. Der Fachmann nennt dies Astrometrie. Sie funktioniert jedoch nur gut für Sterne, die uns relativ nahe sind. Je weiter wir uns in den Raum hinaus bewegen, desto weniger ist diese alt bekannte Methode der Entfernungsmessung brauchbar, da die vergleichsweise winzigen Schwankungen der Erdumlaufbahn bei intergalaktischen Distanzen nichts mehr hergeben. Die durch die Expansion des Raumes erzeugte Rotverschiebung dagegen ist für die Vermessung fremder Galaxien auch Milliarden von Lichtjahre hinaus ein probates Mittel. Allerdings braucht es dafür zuerst einmal eine spektrale Messung, denn nur über die Spektrallinien von Objekten lässt sich die durch die Expansion entstehende Verschiebung der Wellenlängen nachweisen. Je weiter weg sie von uns sind, desto mehr sind sie ins Rote verschoben. Seit knapp hundert Jahren ist dieser optische Doppler-Effekt, von Edwin Hubble entdeckt, ein probates Verfahren, die Entfernung von Himmelsobjekten zu ermitteln. Das ist jedoch zeitraubend, weil ein statistisches Maß. Es braucht lange Beobachtungszeit – und das bei mehr als hundert Milliarden von Sternen allein in unserer Milchstraße!

Die schiere Masse von Himmelsobjekten im Universum bringt noch ein anderes Problem: An einem Bildpunkt, den wir am Himmel beobachten, kann sich im Raum eine lange Reihe von Lichtquellen direkt hintereinander aufreihen. Das heißt: Deren Spektren überlagern sich, müssen also erst individuellen Objekten zugeordnet werden. Und dann ist da noch die Sache mit den Wellenbereichen. Ursprünglich konnte man die Rotverschiebung nur in optischen und infraroten Spektren messen, inzwischen wissen wir aber, dass es auch Sterne und Galaxien gibt, die Licht nur in sehr begrenzten Frequenzbereichen aussenden, in anderen nicht. Will man also eine vollständige dreidimensionale Karte der großräumigen Strukturen im Kosmos erstellen, dann zwingt das dazu, den Himmel und die „sichtbaren“ Objekte darin in allen Spielarten des Lichts zu erfassen. Im Röntgen- und Gammabereich beispielsweise steckt die Röntgen-Spektroskopie noch in den Kinderschuhen. Auch in den Millimeter- und Submillimeter-Wellenlängen des Radiobereichs gehören spektrale Erhebungen bis heute noch nicht zum Alltag.

Fakt ist: Trotz immer neuen Sondern, die die astronomischen Arbeiten an erdgebundenen Teleskopen mächtig erweitert haben, ist nur ein sehr kleiner Anteil aller Lichtobjekte im All mit seiner genauen Entfernung erfasst. Die Milchstraße, der uns direkt umgebende Himmelsraum, ist natürlich am besten untersucht. In unserer Galaxis kennen wir von etwa dreißig Prozent aller Objekte die Entfernung. Mit der Sonde Gaia entsteht derzeit ein umfassender Himmelsatlas, der uns eine vollständige 3D-Sicht auf die Objekte in unserer Galaxie geben soll. Gaia ist das Nachfolgeprojekt von Hipparcos, eine europäische Raumsonde, die ein Meilenstein der Astrometrie war und zwischen 1989 und 1993 mehr als hunderttausend Sterne in unserer Galaxie aus der Umlaufbahn astrometrisch vermessen hat. Mit Gaia sollen diese Daten nun nicht nur präzisier, sondern erheblich erweitert werden. Mehr zur Sonde Gaia im Science-Bereich der ESA – hier.

Was bei der uns umgebenden Milchstraße noch nicht so ins Gewicht fällt, ist die Tatsache, dass die Geschwindigkeit des Lichts endlich ist – also: dass elektromagnetische Strahlung aussendende Objekte nicht nur weiter entfernt sind, je länger dieses Licht durch den Kosmos reisen muss, um die Erde zu erreichen. Außerdem ist es stets der Blick in die Vergangenheit, den wir damit sehen. Wir können heute Objekte vermessen, die bis zu acht Milliarden Lichtjahre von uns entfernt sind, aber wir schauen damit nicht auf das „Jetzt“, sondern sehen eine historische Momentaufnahme dieser Objekte, die alle einem Veränderungsprozess in der Zeit unterliegen.

Simulationen, die uns inzwischen die großräumigen Strukturen des Universums, das kosmische Web, in 3D zeigen, haben also nur indirekt mit dem zu tun, was wir heute am Himmel tatsächlich messen können. Sie sind eine Abstraktion auf der Grundlage der Theorie, eine Berechnung der Himmelsobjekte auf ein gemeinsames Jetzt. Sie berücksichtigen Alterungsprozesse der Objekte, bringen ihren Standort anhand der Gravitation und der Expansion in unsere Gegenwart oder entwickeln die Strukturen über Jahrmilliarden in der Gleichzeitigkeit. Kurz gesagt: Sie zeigen uns das Universum, wie wir es niemals sehen, sondern nur berechnen können.

Heute sind Kosmologen vorsichtig. Sie sagen, es könnte sein, dass das Gesetz der Gravitation möglicherweise nicht statisch ist, sondern sich im Zeitraum von zehn und mehr Milliarden verändert hat – oder aber, dass die Gravitation zwar im Nahbereich als erste Näherung stimmt, aber für großräumige Strukturen modifiziert werden muss. Beides könnte wesentliche Auswirkungen auf die heute so populäre „Dunkle Seite“ des Universums haben, also auf das, was wir so gern mit Dunkler Materie und Dunkler Energie bezeichnen. So schön inspirierend also die dreidimensionalen Welten des kosmischen Webs sind, die uns Simulationen der Europäischen Südsternwarte heute sogar schon in 4K zeigen: man sollte sie nicht als gesetzt ansehen. Es gibt noch viel Spielraum für Modifikationen.

Zum Abschluss hier noch ein Talk, den ich mit Hans Böhringer, Professor für Hochenergie-Astrophysik am MPI für extraterrestrische Physik, vor einiger Zeit geführt habe. Er befasst sich vor allem mit den großräumigen Strukturen im Universum und mit Galaxien-Clustern.

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Ich habe viele Jahre journalistisch im Bereich Wissenschaft und Technologie gearbeitet, später dann mit meiner kleinen Beratungsfirma als Medienexpertin. 2010 erfüllte ich mir meinen großen Traum und gründete den Spartensender HYPERRAUM.TV, für den ich eine medienrechtliche Rundfunklizenz erteilt bekam. Seither mache ich als One-Woman-Show mit meinem „alternativen TV-Sender“ gewollt nicht massentaugliches Fernseh-Programm. Als gelernte Wissenschaftshistorikern habe ich mich gänzlich der Zukunft verschrieben: Denn die Vergangenheit können wir nur erkennen, die Zukunft aber ist für uns gestaltbar. Wir sollten versuchen, nicht blind in sie hinein zu stolpern!

14 Kommentare Schreibe einen Kommentar

  1. “Wir machen es uns selten bewusst, …”

    Doch wenn wir es uns wirklich bewusst machen, sind wir doch schon mindestens in der 4. Dimension unterwegs!? 😉

  2. Horst, Sie haben recht! – Aber es ist doch gut zu versuchen, in diese Meta-Ebene der vierten Dimension zu kommen, auch wenn’s ziemlich mühsam ist – was manchen dann ja auch davon abhält! 🙂

  3. Schon mit 5 Jahren habe ich mit meiner Großmutter die Sternbilder auswendig gelernt, Heute bin ich 78 Jahre weiter und habe mir philosophische Gedanken über den Kosmos gemacht und schreibe, über eine andere Art auf den Kosmos zu schauen. Dabei ist die erste Voraussetzung, dass die Dimensionen stimmen! Dimensionen sind nur ein mathematisches Modell, das man mit der Anordnung von Karteikästen vergleichen könnte. Jeder Seitenast zu einem Kasten ist eine neue Dimension. Ich habe die Dimensionen im Kosmos anders geordnet und bin damit zu einem radikal einfacheren Gesamtbild gekommen, dass auch für Laien den Kosmos verständlicher macht. Ich könnte mir gut vorstellen, dass der Teil, den ich schon im Entwurf fertig habe, für Sie sehr interessant sein könnte. Bitte seien Sie sehr vorsichtig, wenn Sie die herkömmlichen 4 Dimensionen benutzen. Es geht nämlich schon damit los, dass man die 4. (Zeit) nicht verständlich zuordnen kann. Ich bin gerne bereit, Ihnen meine bisherigen Arbeiten zur Kenntnis zu geben. Sie umfassen so ziemlich das, was Sie bisher beschrieben haben. Und noch mehr. Natürlich ist auch meine Sichtweise eine Theorie, aber alle Messungen und Simulationen gehen stimmig darin auf. Falls Sie Interesse haben, geben Sie mir bitte Bescheid.

  4. Meine Mutter hat immer gesagt: “Die meisten Menschen können nur von Frühstück bis Mittag denken.” Die dritte Dimension ist dann aber nicht das Abendbrot, sondern die Tiefe und die Summe UNSERES wirklich-wahrhaftigen Denkens & Handelns – Unser Weltbild ist somit leider immernoch nur eine Illusion unseres selbstgedingsten Gefängnisses, vor allem in der vierten Dimension, seit der “Vertreibung aus dem Paradies”!? 😫😊

  5. “Den Wald vor lauter Bäumen nicht sehen” – den Weltraum vor lauter …!?

    Unser Verständnis vom Leben, dem Universum UND SO 👆, steht und FÄLLT mit dem “Zusammenleben”, oder steht und WÄCHST mit dem Zusammenleben!? 👊👏

  6. Raum,
    wenn ich ehrlich bin kann mir Raum nur als Zwischenraum vorstellen. Und gäbe es Raum, wenn es keine Materie oder Energie gäbe?
    Wo sind wir mit unseren Gedanken angesiedelt? Brauchen Gedanken Raum?
    Gibt es Raum überhaupt ??
    Ist das nur eine sprachliche Konvention, die meint, dass die Materie so stark verdünnt ist, dass wir denken, da sei nichts. Wenn wir das Universum durch eine Gravitationsbrille betrachten würden, dann gäbe es keinen freien Raum.
    Oder ist der Raum nur ein mathematisches Modell, mit dem sich allerdings gut rechnen lässt.

  7. Horst,
    sie haben absolut Recht, im Vergleich zur menschlichen Seele ist der Weltraum ein Nichts.
    Nur Atome und leerer Raum dazwischen.
    Erst wenn wir diesen Raum mit Leben füllen, mit Zusammenleben und mit Sinn füllen, dann erscheint er als das, was er ist, als Gedanke Gottes.

  8. Happy room,
    thanks for joining our thoughts. I reckon, you live in the states and your ancanstors are from Germany, right?
    Weather such information is useful, I don’t know, anyway, everybody ought to think about our univers, sometimes.
    What do you think about space. Does it exist, or not? (exist in a material way)

  9. Die vollständig 3D kartierte Milchstrasse ermöglicht (unter anderem)
    1) die Rekonstruktion des Nachthimmels gesehen z.B. vom Orion aus
    2) die Berechnung der Position von Milchstrassensternen in der Vergangenheit und Zukunft. Wir können also jetzt schon Bilder etwa des nördlichen Nachhimmels wie er sich in einer Million Jahre präsentiert, anfertigen.
    3) die schnelle Interpretation von Ereignissen, die in der Milchstrasse entspringen.

    Zu 3) Nach der vollkommenen hochpräzisen Kartiereung aller Objekte in der Milchstrasse, wissen wir wie die Gegend aussieht aus der beispielsweise plötzlich ein starkes Radio- oder Gammastrahlensignal auf die Erde trifft und können viel schneller die wahrscheinliche Ursache ausmachen, was auch bessere und ertragsreichere Nachbeobachtungen unmittelbar nach Eintreffen des Ereignisses erlaubt.

  10. Liebe Sucher nach dem Aufbau des Kosmos: Ich schreibe gerade eine kleine Abhandlung, wie wir uns das Weltall vorstellen sollten, (um es besser zu verstehen) Ich habe den Kosmos als das Vakuum innerhalb und außerhalb unseres expandierenden Universums vorgestellt. Seine Hauptbestandteile sind eine grenzenlose Leere und eine Ewigkeit. Das Universum ist darin eingebettet mit seiner Strahlung und Materie. Die Leere des Kosmos durchdringt alles im Universum. Beispiel. Atom: der Kern ist positiv, Elektron negativ. Warum stürzt das Elektron nicht ab? Das Vakuum zwischen beiden ist so voll mit Energie, dass ein Absturz ohne Zusatzkraft unmöglich ist. Je nach Messung schwankt der Energieinhalt des Vakuums zwischen fast Null und 10 hoch 146 Einheiten. Verschränkung, Superflüssigkeit, Gravitation und Entropie gehören zum Kosmos, Strahlung, Materie, Raum und Zeit zum Universum. Ich kann hier nicht mit Beispielen und Skizzen alles erklären. Ich beachte dabei alle wissenschaftlichen Erkenntnisse, benutze aber nur Eigenschaften der Dimensionen. Dies ist keine neue Theorie, sondern eine andere Ordnung von Bekanntem.

  11. Goswin,
    wir sind gespannt.
    Die Leere des Kosmos, das erinnert mich an die Frage : Ist Nichts nichts, oder vielleicht doch etwas?
    Viel Erfolg!

  12. Pingback:Die Entdeckung der Leere » HYPERRAUM.TV » SciLogs - Wissenschaftsblogs

  13. Susanne Päch,
    Über Nichts sprechen ist ja schon ein Widerspruch. (kleiner Spaß)
    Die Sonde Neuclid wird sicher neue Einblicke in unser Weltall gewähren.
    Leider ist der Nachthimmel über den Großstädten nicht mehr geignet, um sich wundern zu können.
    Wir fliegen nach Portugal. Dort kann man noch ungestört unsere Milchstraße genießen.

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