Unser Wissen über das Universum ist in den letzten 100 Jahren unvorstellbar schnell gewachsen. Heute stehen den Wissenschaftler*innen Raumsonden und Hochleistungsteleskope zur Verfügung, die Einblicke in die Tiefen des Universums erlauben.
Dabei werden alle Bereiche der elektromagnetischen Strahlung genutzt – von Radiowellen bis zur hochenergiereichen Gammastrahlung. Denn jeder Spektralbereich eröffnet ein eigenes Fenster zum All. Superrechner werten die riesigen Datenmengen aus. So können kosmische Phänomene aller Art in bisher nicht gekannter Genauigkeit untersucht werden. Im Jahr 2015 wurden die Untersuchungsmöglichkeiten um eine weitere, völlig neuartige Methode ergänzt: Jetzt können Wissenschaftler*innen auf der Erde auch Gravitationswellen messen – und damit astronomische Ereignisse erkunden, für die es bisher noch gar keine Messmethode gab.
Virtuelles Weltall
Für die bisher größte und detailreichste Simulation der Vorgänge bei der Entstehung des Universums, IllustrisTNG, „füttern“ die Forscher*innen den Hochleistungsrechner Hazel Hen in Stuttgart mit Daten vom Anfangszustand des Kosmos. Der Supercomputer berechnet dann die Entwicklung des Alls über mehr als 13 Milliarden Jahre. Dafür braucht es 16.000 Prozessorkerne („cores“), die mehr als ein Jahr lang rund um die Uhr arbeiten – umgerechnet auf einen einzelnen modernen PC entspricht dies einer Rechenzeit von 15.000 Jahren. In bisher einmaliger Form und Genauigkeit zeigt die Simulation den Forscher*innen großräumige Zusammenhänge im Universum, aber auch Details wie Gasflüsse in Galaxien.
Dunkle Materie und Dunkle Energie
Das Universum besteht nur zu einem sehr kleinen Teil aus Sternen, Planeten und anderen Himmelskörpern, die wir beobachten können. Der Rest – immerhin 95 Prozent – sind Dunkle Materie und Dunkle Energie.
Dunkle Materie ist nicht sichtbar, sie macht sich aber durch ihre Gravitation bemerkbar. Würde es die Dunkle Materie nicht geben, müsste sich die sichtbare Materie im All anders verhalten. Zum Beispiel müssten Galaxien wie unsere Milchstraße dann auseinanderfliegen. Dunkle Energie ist die Bezeichnung für einen Effekt, mit dem Astronom*innen die beschleunigte Ausdehnung des Universums erklären. Aufgrund der gegenseitigen Anziehung von Massen müsste sich das Universum in seiner Ausdehnung verlangsamen. Gemessen wird aber das Gegenteil: Das Universum dehnt sich immer schneller aus! Das lässt sich nur erklären, wenn das Universum zu etwa 70 Prozent aus Dunkler Energie besteht.
Urknall
Eines der größten Rätsel der Wissenschaft ist die Frage nach dem Ursprung des Universums. Wir wissen heute, dass sich das Universum ausdehnt. Auch die Art und Weise kennen wir. Rückwärts betrachtet verdichten sich Materie und Energie unendlich. Und genau dort muss der Anfang unseres heutigen Universums liegen – rein rechnerisch vor 13,8 Milliarden Jahren. Doch dieser Urknall beschreibt keine Explosion in einem Raum. Nach der heute vorherrschenden Theorie ist er der Anfang von Raum, Zeit und Materie.
Gravitationswellen
Albert Einstein hat wieder einmal recht: Am 14. September 2015 werden erstmals Gravitationswellen gemessen, 100 Jahre nachdem er sie in seiner Relativitätstheorie beschreibt. Aber was sind Gravitationswellen? Nach Einstein hinterlässt jede Masse Dellen in der vierdimensionalen Raumzeit. Bewegen sich diese Massen, entstehen Wellen. Diese Wellen breiten sich im All mit Lichtgeschwindigkeit aus und verzerren dabei den Raum.
Im All entstehen ständig Gravitationswellen. Sie können auf der Erde aber nur dann gemessen werden, wenn sehr große Massen sich sehr schnell bewegen – zum Beispiel beim Verschmelzen von zwei Schwarzen Löchern. Genau das wird im September 2015 gemessen. Dazu braucht man sehr empfindliche Messinstrumente: Die beiden riesigen Interferometer, die die Signale auffangen, stehen in den USA. Doch ein großer Teil der hochpräzisen Technik, die in diesen Messgeräten steckt, und auch viele der Auswertungsprogramme kommen aus Deutschland – vom Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Potsdam und Hannover.
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Galaxien
Galaxien sind „Welteninseln“ im unendlichen Meer des Kosmos. Hier sammeln sich Sterne, Planetensysteme, Staubwolken, Gasnebel und Dunkle Materie. Zusammengehalten werden sie durch Gravitation. Galaxien haben unterschiedliche Strukturen – von einfachen Ellipsen bis hin zu hochkomplexen Spiralgalaxien mit definierten „Armen“ wie unsere Milchstraße. Mehrere Galaxien finden sich schließlich zu Gruppen und Haufen unterschiedlicher Größe zusammen. Die größten dieser Galaxienhaufen enthalten mehrere Tausend Galaxien.
Supernova
Manche Sterne sterben einen spektakulären Tod: Die helle Explosion eines massereichen Sterns am Ende seiner Entwicklung wird Supernova genannt. Die Bezeichnung (nova = lateinisch neu) geht zurück auf Tycho Brahe. Der dänische Astronom beobachtet im Jahr 1572 das plötzliche Auftauchen eines sehr, sehr hellen Sterns, wo vorher absolut nichts zu sehen ist.
Bei einer Supernova-Explosion wird ein großer Teil des Sterns in Energie umgesetzt und auf einmal abgestrahlt. Übrig bleibt ein Neutronenstern oder ein Schwarzes Loch. Besonders beeindruckend ist eine Supernova, wenn ein massereicher sogenannter Riesenstern, zum Beispiel ein Roter Riese, sein Brennmaterial verbraucht hat. Durch die eigene Schwerkraft fällt er in sich zusammen und setzt dabei ungeheure Mengen an Energie frei. Die Supernova kann dann für eine Weile heller strahlen als die gesamte Galaxie, in der sie sich befindet.