Freitag, 12. April 2013

Warum ist der Nachthimmel so dunkel?


Das Universum ist groß.

Sehr groß.
(Diese Einstiegsworte habe ich anscheinend schon einmal passend gefunden. ;-) )
Und es gibt darin viele Sterne.
Sehr viele.
Doch wenn das Universum so groß ist und es so viele leuchtende Sterne darin gibt, warum ist der Nachthimmel dann nicht taghell? In einem quasi unendlich großen Universum mit unendlich vielen Sternen müsste nach so (unendlich) langer Zeit ja das gesamte Licht, das jemals entstanden ist, bei uns angekommen sein und den Himmel auch in der Nacht hell erleuchten. Oder?
Offensichtlich handelt es sich hier um ein Paradoxon, denn wer schon einmal nach den Hühnern schlafen gegangen ist, weiß, dass der Himmel in der Nacht ja doch relativ dunkel ist. Man sieht mehr oder weniger Sterne, eventuell beleuchtet der Mond die Landschaft ein bisschen, aber grundsätzlich ist es ziemlich finster (wenn man von der zunehmenden Lichtverschmutzung absieht).
Über dieses sogenannte Olbers-Paradoxon (benannt nach dem deutschen Astronomen Heinrich Wilhelm Olbers) haben sich bereits Persönlichkeiten wie Johannes Kepler, Edmond Halley oder Johann Heinrich Lambert Gedanken gemacht.
Eine Nacht am Mars.
Die Marsmonde Deimos (links) und Phobos (rechts), fotografiert vom Mars-Rover Spirit im August 2005.1


Falls auf ein dreidimensionales Universum folgende Voraussetzungen zutreffen, müsste der Nachthimmel nach unendlicher Zeit unendlich hell sein:

  1. Das Universum ist in jede Richtung unendlich ausgedehnt.
  2. Alle Sterne haben eine endliche Ausdehnung und Leuchtkraft.
  3. Auf großen Skalen ist das Universum homogen (gleichmäßig mit Sternen gefüllt).
  4. Es ist statisch (zeitlich unveränderlich).
Man stellte viele Überlegungen an, wie man das Olbers-Paradoxon auflösen könnte. So vermutete man z. B., dass das Licht in seiner Ausbreitung durch dunkle Staub- oder Gaswolken behindert wird. Diese auf den ersten Blick plausibel erscheinende Möglichkeit kann jedoch nicht real sein, da sie diese Staub- oder Gaswolken mit der Zeit durch diese Lichtabsorption aufheizen und selbst zu strahlen anfangen würden.

Wie kommen wir nun aus diesem Schlamassel heraus?


Es ist eigentlich ganz einfach: Die Grundvoraussetzungen für die Annahme eines hellen Nachthimmels sind nicht erfüllt. Auch wenn das Universum möglicherweise unendlich groß ist, kann es das für uns sichtbare Universum nicht sein. (Bedingung 1 ist somit verletzt.) Außerdem ist das Universum kein statisches, da es sich - wie sich herausgestellt hat - exponentiell ausdehnt. (Und tschüss, Voraussetzung 4!) Betrachtet man die Evolution des Universums in der negativen Zeitrichtung, beobachtet man ein Verdichten des Universums, bis man an einer Singularität angelangt ist, welche den Urknall darstellt. Unser Universum gibt es also nicht schon unendlich lange und es ist aufgrund der endlichen Geschwindigkeit des Lichts auch nicht unendlich groß. Mit anderen Worten: Unser Universum ist zeitlich und räumlich begrenzt.

Man kann sich einfach vorstellen, dass das Licht nur eine begrenzte Zeit hatte sich fortzupflanzen und der Bereich, von dem uns bislang Licht erreichen konnte, somit nur endlich groß ist. Somit gibt es nur eine endliche Anzahl von darin befindlichen Sternen, welche wiederum nur eine zeitlich begrenzte Lebensdauer haben. Die Zahl der möglichen "Lichtquellen" wird dadurch weiter einschränkt.

Trotzdem: An den Anfängen des Universums war es ziemlich hell. Es war ja auch heiß. Sehr heiß. Aus dieser Zeit - der Ära der Entkopplung der Hintergrundstrahlung (also der Phase, in der das Universum durchsichtig wurde, weil es durch die Raumexpansion weit genug abgekühlt war) - stammt noch die meiste Strahlung im heute sichtbaren Universum. Diese anfänglich sehr energiereiche, heiße Strahlung wurde aufgrund der Ausdehnung des Raumes immer schwächer und kühler. (Stellt euch vor, dass die kurzen, hochenergetischen Wellen in die Länge gezogen wurden, wodurch sie an Energie verloren haben.) Die anfänglich ca. 3000 K (~ 2700 °C) heiße Strahlung hat heute nur mehr 2,7 K (~ -270 °C). "Kosmische Rotverschiebung" nennt man den Mechanismus dieses Abkühlens. Diese Strahlung, die das Universum fast gleichmäßig ausfüllt (homogen und isotrop), nennt man Kosmische Hintergrundstrahlung (CMB - Cosmic Microwave Background). Sie wurde vor kurzem neu und äußerst genau vom Weltraumteleskop Planck vermessen und gab uns zahlreiche neue Erkenntnisse über die Entwicklung und den Zustand des heutigen Universums. Die CMB ist eine Mikrowellenstrahlung, deshalb können wir sie nicht sehen. Wäre das menschliche Auge sensibel auf Mikrowellen, wäre das Universum tatsächlich hell ausgeleuchtet - natürlich auch nachts. Doch da wir nur denjenigen Bereich des elektromagnetischen Spektrums sehen können, in dem auf der Erde am meisten Licht durch die Sonne vorhanden ist (ca. 380 nm bis 780 nm Wellenlänge), und da das Universum und die darin befindlichen Sterne räumlich und zeitlich begrenzt sind, erscheint uns der Nachthimmel so dunkel.


Eine überraschend ausführliche Antwort auf eine Frage, die man vielleicht nicht einmal gestellt hätte, oder? ;-)






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1 By NASA [Public domain], via Wikimedia Commons


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