Neue Erkenntnisse der Astrophysik:
Herausforderungen für unser Weltbild? [1]

Roland Diehl

Die Naturwissenschaft "Astrophysik"

Das Studium des Sternenhimmels zu allen Epochen der Menschheit spiegelt ein Urinteresse der Menschen an ihrer kosmischen Einbettung wider. Dessen historische Dimension wird deutlich im jüngsten, archäologisch sensationellen Fund (1999/2003) der "Scheibe von Nebra", einem ca. 3700 Jahre alten Kunstwerk mit Darstellungen verschiedener Stern-Konstellationen, und einem darüber, nahe Nebra, in Goseck in Sachsen-Anhalt, gefundenen Sonnen-Observatorium, das der Zeit um 5000 v. Chr. zugewiesen wird und damit sogar noch dem frühzeitlichen Sonnenstands-Bauwerk von Stonehenge in England vorausging. Lange vor der Zeit, von der an man schriftliche Überlieferungen von Kulturgut kennt, gab es offensichtlich Menschen, die die jährlichen Variationen des Sonnenstandes studierten und die das Siebengestirn, die nahe Sterngruppe der Plejaden, als so markant empfanden, dass sie sie als wertvolles Geschenk neben dem Mond darstellten.

Auch heute überlegen wir, was wir wohl anderen Lebewesen jenseits unseres irdischen Daseins mitteilen könnten, und wieder greifen wir zu astronomischen Dingen. Die das Sonnensystem verlassende Voyager-Sonde enthielt zur Kontaktaufnahme mit möglichen außerirdischen Wesen unter anderem Merkmale des Sonnensystems und der nahe liegenden Fixsterne, in der Erwartung, dass unterschiedliche kosmische Zivilisationen diese Zeichen des gemeinsamen Kontexts erkennen: die Einbettung alles Lebendigen in dieses Universum mit all seinen materiellen Objekten, seinen Strukturen, seinen Energieströmen und seiner Dynamik.

Diskurse zwischen Philosophen und Astronomen über Aufbau und Struktur des Kosmos auf der einen und die Beschreibung der Himmelsbeobachtungen auf der anderen Seite waren charakteristisch für die frühen Phasen astronomischer Studien. In den letzten Jahrhunderten vor Christi Geburt gewann die beobachtende Seite allmählich die Oberhand mit verschiedenen, überzeugend präzisen Modellen zur Beschreibung der Planetenbewegungen. Zwischen dem ptolemäischen Almagest mit seinem erdzentrierten komplexen Modell, um 130 n. Chr., und dem kopernikanischen Umbau auf eine sonnenzentrierte Beschreibung in De revolutionibus im Jahr 1543 war diese astronomische Präzision geometrischer Modelle für Planetenbewegungen und Fixsternhimmel das hauptsächlich diskutierte Kriterium.

Selbst dieses enge Korsett zwang die "Krone der Schöpfung" aber anzuerkennen, dass die Bewegung der Objekte im nahen Universum nicht nur auf komplexe Weise erdzentriert, sondern ziemlich gut und dabei wesentlich einfacher sonnenzentriert beschreibbar ist. Lange glaubte man an ein im Grunde statisches Universum: Im fernen Hintergrund bildete der "Fixsternhimmel" das Bühnenbild unseres veränderlichen und vergänglichen Lebens zum "Festhalten", die zyklischen Veränderungen des Himmelszelts im Vordergrund waren in der "Astronomie" weitgehend kategorisiert, katalogisiert und geometrisch beschrieben. Die Sonne als Energiespender unseres Lebens wurde dankbar angenommen, die Erde als Entstehungsort des Lebens gesehen; die "Astrologie" spekulierte über Fernwirkungen zwischen den verschiedenen Objekten im Universum, kosmische Lebensformen waren das Thema exotischer Spekulanten.

Abb. 1:
Atlas als Träger der Welt. Die mittelalterliche Darstellung (1559) des ptolemäischen Weltbildes zeigt jenseits der "Elemente" Erde, Feuer, Wasser und Luft, der Planetenbahnen und des Fixsternhimmels zwei theologisch oder philosophisch begründete "Sphären" jenseits des "Firmaments".

Dennoch hatten die Theologie und Philosophie in der mittelalterlichen Darstellung der Weltsicht ihren Platz: Der Mathematik wies man erhabene Züge zu ("göttliche Kreise"), und außerhalb von Sonnensystem und Fixsternhimmel bewahrte man noch "Platzhalter" für jenseitige Sphären (vgl. Abb. 1).

Der eifernde Wettstreit zwischen Astronomen und Philosophen, und vor allem Theologen, flammte dann nach fast 1 1/2 Jahrtausenden wieder auf in den Fehden um Galileis Anspruch, über die astronomischen Berechnungen hinausgehend, auf der Grundlage naturwissenschaftlicher Beobachtungen und Gesetze ein kosmisches Weltbild zu entwickeln, aber ebenso auch eine Beschreibung des weiten Universums zu erreichen. René Descartes repräsentiert im Besonderen (um 1644, Prinzipien der Philosophie) das Verdrängen der eher kleinkrämerisch-buchhalterisch wirkenden astronomischen Dispute durch weitsichtigere, auf ein konsistentes Weltbild abzielende Diskurse zur Existenz eines unendlich weiten Universums, das es zu beschreiben und verstehen galt. Er war ein eifriger Verfechter der Suche nach den Ursachen für astronomische Phänomene, allerdings ebenso ein eifriger Gegner der "Kraftfeld-Theorien" der "Astrologen" - seine Himmelsobjekte waren medial in Kontakt. Physikalische Wirkungen sollten die Erklärungsgrundlage für kosmische Phänomene bilden.

Isaac Newtons Principiae (1687) zeugen eindrucksvoll vom Erfolg der Beschreibung der Schwerkraft und ihrer kosmischen Auswirkungen im Besonderen. Aber auch die Entdeckung variabler Sterne und Novae sowie der Vielgestalt der "Nebel" mit Hilfe der sich im 17.-19. Jahrhundert rasch entwickelnden astronomischen Teleskope trieb diese Erforschung von Entwicklungszyklen im Universum an. Sterne und Nebel wurden als Objekte in verschiedenen "Entwicklungsphasen" diagnostiziert; deren grundlegenden physikalischen Prozesse wurden diskutiert, wenn auch oft spekulativ. Die beobachtbaren Objekte und Strukturen wurden Gegenstand physikalischer Forschung. Galaxien mussten sich in einem physikalisch beschreibbaren Prozess gebildet haben, und deren Vielfalt deutete ebenso wie bei den Sternen auf unterschiedliche Phasen solcher Entwicklung hin, die den Gesetzen der Natur folgen sollten. Vereinfachend schien die Gravitation auf den großen Skalen des Universums die alles beherrschende Kraft zu sein, wie viele aus den Analysen der Planetenbewegungen und dem Erfolg der Newton'schen Mechanik extrapolierten.

Schließlich bewirkten die Entwicklung der Relativitätstheorie und die Entdeckung (um 1920) der systematischen Fluchtbewegung der allermeisten Galaxien nochmals drastische Veränderung in diesem Weltbild eines eben da seienden Universums, das wir von unserer Station Erde aus betrachten: Dieses Universum hatten wir als sich unter den Naturgesetzen entwickelnde Raum-Zeit zu begreifen. Die Kosmologie als Teildisziplin der Astrophysik nahm ihren Aufschwung und übernahm die entsprechenden Diskurse zu Anfang und Entwicklung des Universums und seiner astronomischen Objekte nach physikalischen Gesetzen, immer mit philosophischem und theologischem Inhalt in unserer Alltagserfahrung entfernteren Bereichen, zu denen diese Diskurse vordrangen, von denen eindeutige astrophysikalische Messungen vorzunehmen aber schwierig blieb.

Nukleare Fusionsenergie vermutete man als Triebkraft der Sternentwicklung auf der einen Seite, das Modell eines "Urknalls" erschien als Startpunkt eines sich insgesamt gewaltig ausdehnenden Universums: Die Physik hatte in der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts die Beschreibung des Universums überzeugend in die Hand genommen. "Astrophysik" war ein etabliertes Teilgebiet der Physik und definierte sich über die Beschreibung kosmischer Objekte wie ihrer beobachtbaren Erscheinungsformen und Veränderungen mit den aus der klassischen Physik und irdischen Laboratorien bekannten physikalischen Gesetzen.

Bald wurde jedoch klar, dass in der Astrophysik Fragestellungen auftauchen, die keine Entsprechung in anderen Bereichen der Physik haben: Kosmische Strahlung ist viel energiereicher, als man das je in terrestrischen Teilchenbeschleunigern wird nachbauen können; Neutronensterne bündeln Kraftfelder der Schwerkraft und des Magnetfeldes in einer unvorstellbaren und nicht experimentell realisierbaren Intensität; schwarze Löcher setzen uns offensichtliche Horizonte, jenseits derer wir wenig Konkretes naturwissenschaftlich erforschen können. Astrophysik wurde damit als komplementär zur traditionellen Physik erkannt, das Laborexperiment ergänzt durch die Beobachtung des Kosmos.

Die Astrophysik hat ihre eigene Dynamik entwickelt, und sie erweist sich immer mehr als eine Disziplin, die uns nicht nur intellektuell, sondern auch kulturell und religiös herausfordert. Gibt es einen Schöpfer? Gibt es einen Anfang der Welt? Wie wird die kosmische Entwicklung weitergehen? Wie viele Universen gibt es neben unserem denn noch, jetzt, da wir schon planstabsmäßig nach Leben auf anderen Planeten Ausschau halten? Als ob diese Fragen nicht schon dreist genug die Fundamente unseres Daseins herausforderten, behauptet die Astrophysik nun auch noch, dass alles "Materielle", also Lebewesen, natürliche Umwelt, die chemischen Elemente wie Sauerstoff, Kohlenstoff und Gold, alle nur einen verschwindend kleinen Bruchteil des Universums ausmachen und in ihrem Ursprung und ihrer Entwicklung unverstandenen Wirkungen ausgeliefert sind, die die Astrophysiker mit dem Adjektiv "dunkel" belegen: "Dunkle" Materie, "dunkle" Energie - daraus besteht das Universum im Wesentlichen! Das klingt wie eine Renaissance des Überirdischen, des Mystischen, des Religiösen als weltbestimmendes Element.

Lassen Sie uns den Versuch unternehmen, forschende und existenzielle Fragestellungen und astrophysikalische Erkenntnisse nochmals neu aktuell zu sortieren, geleitet von der Neugier an natürlichen Vorgängen und am Menschsein. Wir betrachten zunächst beispielhaft die in der Natur vorkommenden chemischen Elemente, um uns an deren Verständnis und seiner Entwicklung die Vorgehensweise der Astrophysik exemplarisch zu veranschaulichen. Dann erweitern wir den Blick zu den Beobachtungen von Supernova-Explosionen in ferneren Gegenden des Universums und zu den "heißen" Phasen des frühen Universums, Orten der Element-Entstehung, die uns überraschenderweise noch andere Geschichten erzählen wollen. Hier wird es für unser Weltbild ungleich schwieriger - viele Herausforderungen insbesondere für Fortschrittsapostel -, und deshalb werden wir in einem letzten Kapitel versuchen, die Grenzen astrophysikalischer Forschung so zu verdeutlichen, dass Sie sich und ihren Standpunkt in diesem Ihrem Universum hoffentlich wieder neu finden können.

Die natürliche Vielfalt der chemischen Elemente

Die Sonne als Energielieferant irdischen Lebens war als himmlisches Feuer "gottgegeben", bis Forscher begannen, das Puzzle der Erscheinungen von Mond- und Sonnenfinsternis über Sonnenflecken und Spektrallinien zusammenzusetzen und die Sonne als Kugel ionisierten Gases erkannt war. Newton'sche Schwerkraft-Formeln wurden mit Strahlungsgesetzen und der Atomphysik spektraler Linien kombiniert. Im Jahr 1927 spekulierte Eddington in seiner Arbeit "Sterne und Atome", dass wohl eine Form nuklearer Energieumsetzung von Wasserstoff zu Helium im Sonneninnern die Energiequelle für die Sonnenstrahlung darstellte. In den 30er Jahren wurde die Physik atomarer Kerne vor allem durch Bethe und von Weizsäcker weiter ausgearbeitet.

Ende des 19. Jahrhunderts war mit der Entdeckung der Radioaktivität (Henri Becquerel 1896) klar geworden, dass Atomkerne nicht stabile kleinste "Elemente" darstellen, sondern sich spontan in andere "Elemente" verwandelten. Die Entdeckung der kosmischen Strahlung (Victor Hess 1912) hatte Anfang des 20. Jahrhunderts deutlich gemacht, dass Atomkerne gewaltiger Partikelenergien im erdnahen Weltraum vorkommen. Das Neutrino als fast wechselwirkungsloses Elementarteilchen wurde im Rahmen der neuen theoretischen Physik vorhergesagt (Pauli 1930), um den radioaktiven Zerfall zu verstehen, und wurde 1956 erstmals nachgewiesen.

In diesen Jahrzehnten all dieser neuen, umwälzenden Erkenntnisse wurde das heutige "Standardmodell" der physikalischen Grundkräfte erstellt. Jenseits der beteiligten Physiker und Chemiker freilich war es schwer vermittelbar, unter anderem wegen der so unanschaulichen, der (unserer Alltagserfahrung entstammenden) Intuition oft zuwider scheinenden Quantenphysik. Leidenschaftliche Kontroversen prägten die philosophisch angehauchten Diskussionen der Naturwissenschaftler (vgl. etwa Einstein: "… Gott würfelt nicht. …").

Abb. 2:
Meteoriten waren entscheidende Boten der Entstehungsgeschichte des Sonnensystems. Die mineralische Zusammensetzung konnte mit ihnen dechiffriert werden und von irdischen Mischprozessen und chemischen Veränderungen getrennt erkannt werden. Zudem wurden eingeschlossene Staubkörner isoliert, deren Ursprung außerhalb des Sonnensystems liegt, also in einer Umgebung anderer chemischer Zusammensetzung.

Auch als Resultat dieser lebhaften Diskussionen wirkte eine Gruppe von Physikern in den 50er Jahren zusammen, um die visionäre Theorie kosmischer Element-Erzeugung aus dem anfänglichen Wasserstoff in einer bahnbrechenden Arbeit vorzuschlagen (das Ehepaar Burbidge, William Fowler, Fred Hoyle 1957, unter Mitwirkung von Mineralogen und Geophysikern wie Goldschmidt, Sueß und Urey): Eine Folge von kosmischen Kernreaktions-Brutstätten - Sterne mit ihren Winden sowie Sternexplosionen -, die über Milliarden von Jahren immer wieder an einzelnen Orten Kernfusionen bewirkt, sollte in verschiedenen "Prozessen" dafür gesorgt haben, dass aus dem anfänglichen Wasserstoff und Helium schließlich die ganze Vielfalt der Elemente des Periodensystems entstand, vom Kohlenstoff und Sauerstoff als Baustein organischer Materialien über Mineralien wie Aluminium, Eisen, Zink, Gold und Blei bis zu schweren und sogar instabilen Elementen wie Uran und Thorium - alles ein Produkt natürlicher physikalischer Vorgänge in ihrer ewigen Aneinanderreihung über die kosmischen Zeiten zwischen dem (damals noch umstrittenen) Urknall als Beginn und dem Heute des vor 4 1/2 Milliarden Jahren formierten Sonnensystems. Es war klar geworden, dass die chemischen Elemente nicht in einem Schöpfungsakt, nicht im Urknall oder zu frühen Zeiten des Universums gebildet werden, sondern die Nukleosynthese als stetiger, physikalisch beschreibbarer Prozess die Evolution der Objekte im Universum mitgestaltet.

Abb. 3:
Die Vielfalt der chemischen Elemente zeigt Häufigkeitsmuster, die eine gewaltige Dynamik von 12 Zehnerpotenzen umfasst. Darin spiegeln sich Eigenschaften atomarer Kerne und kosmischer Fusionsöfen.

(Abbildung vergrößern)

Diese umwälzende Theorie eines kosmisch ständig ablaufenden Gefüges von Nukleosyntheseprozessen, also der Bildung neuer Atomkerne, galt es zu beweisen. Schließlich stand zur Disposition, ein weiteres Mal "Schöpfung" durch "Evolution" zu ersetzen - hier bezüglich der natürlichen Vielfalt chemischer Elemente. Der Fusionsofen im inneren Kern der Sonne war das Ziel der Messung von Neutrinos: Wenn Wasserstoff-Fusion dort stattfand, erwartete man radioaktiven Zerfall der Reaktionsprodukte unter Aussendung dieser so durchdringenden Elementarteilchen. Sie konnten zwar im Gegensatz zu allen Arten elektromagnetischer Strahlung das Sonneninnere leicht verlassen, waren aber ebenso schwer dazu zu bringen, in den Nachweisgeräten der Physiker Spuren zu hinterlassen. Aufwendige riesige Tanks spezieller Materialien wurden tief unter der Erde (zur Abschirmung von Störsignalen kosmischer Strahlung) in Betrieb genommen und konnten in den 70er Jahren den Erfolg vermelden: Die Sonne war tatsächlich eine kosmische Quelle von Neutrinos.

Im Jahr 1987 trat dann ein astronomischer Glücksfall ein: Wir wurden Zeugen der finalen Explosion eines Sterns in einer nahen Nachbargalaxie, der Großen Magellan'schen Wolke (Abb. 4). Endlich hatten wir den Beweis in mehrfacher Hinsicht direkt in der Hand: Neutrinos in den eigentlich für Sonnenmessungen entworfenen Detektoren kündeten von der Kompression des Sterns in einen "Neutronenstern", radioaktiver Zerfall kurzlebiger Nickelatome sendete charakteristisches Gammastrahlen-Licht. Das Nachleuchten der Sternexplosion fiel genau so allmählich ab, wie man es als Folge der radioaktiven Nebenprodukte der gewaltigen Kernfusionsmaschine einer solchen Sternexplosion vorausberechnet hatte.

Abb. 4:
Im Februar 1987 konnten wir die Explosion eines Sterns in unserer Nachbargalaxie "LMC" feststellen (oberes Bildpaar: im Februar 1987 (links), vor der Supernova-Explosion (rechts). Seitdem vermessen Astronomen in verschiedenen "Farben", wie sich diese gewaltige Explosionswolke im interstellaren Medium ausbreitet (untere Bildgruppe: oben links optische Emission von der Schockwelle, oben rechts Radiostrahlung, unten Röntgenemission zu unterschiedlichen Zeiten).

Einige Jahre zuvor schon hatte ein Satellitenexperiment ausgedehnte Gammastrahlung aus der Zentralregion unserer Milchstraße nachgewiesen, die einem langlebigen Isotop von Aluminium zugeordnet wurde; dessen Zerfall erfolgt innerhalb von Millionen von Jahren, also mussten Fusionsprozesse dieses Material nachliefern. Angesichts des Alters der Milchstraße von wenigstens 12 Milliarden Jahren war klar: Diese Fusionsprozesse laufen praktisch "heute" noch ab. Im letzten Jahrzehnt wurde diese Radioaktivität sogar kartographiert, das Band der Milchstraße zeichnet sich klar ab (Abb. 5). Die Isotopen-Zusammensetzungen von Meteoriten (Abb. 2) und insbesondere die darin konservierten prä-solaren Staubkörner wurden erfolgreich mit Nukleosynthese-Modellen verglichen. Auch hier hatten die aus der Theorie abgeleiteten Erwartungen sich in den Messungen überzeugend bestätigt.

Abb. 5:
Das Band der Milchstraße erscheint deutlich im diffusen Licht von Radioaktivität: Diese Aluminium-Isotope zerfallen innerhalb einer Million Jahre, sind also aus "junger" galaktischer Vergangenheit der tausendfach älteren Galaxis.

Mit diesen eindeutigen Beweisen war auch den Zweiflern klar: Die Vielfalt der chemischen Elemente, die unabdingbare Voraussetzung für die komplexen Vorgänge biologischen Lebens sind, entstammen dem Innern der Sterne, der Supernovae, der Nova-Explosionen. Natürliche Vorgänge erzeugen im Lauf der kosmischen Entwicklung aus dem anfänglich simplen Wasserstoff-Helium-Universum ein Universum mit Kohlenstoff, Sauerstoff, Silizium, Eisen, Gold, Blei, Uran - eine Vielfalt von mittlerweile mehr als 110 verschiedenen Elementen. Die natürlichen Vorkommen überspannen eine Dynamik von mehr als 12 Zehnerpotenzen zwischen dem weit dominanten Wasserstoff und seltenen Schwermetallen (Abb. 3). Das Häufigkeitsmuster der Elemente ist das Natur-Rätsel, das Burbidge und Kollegen in den 50er Jahren in die Hände der Astro- und Kernphysiker legten, denn es war klar, dass sich darin sowohl die Bindungseigenschaften atomarer Kerne als auch die spezifischen kosmischen Kernfusionsorte widerspiegeln.

Die optimistischeren Kern- und Astrophysiker hatten derweil diese Theorien der 50er Jahre schon so weit verfeinert, dass speziell die Kernphysik der Neutronenanlagerungsprozesse in kleinsten Details mit den Spektrallinien der schweren Metalle aus Sternspektren verglichen wurde. In diesen Absorptionslinien des Sternenlichts kann man den Gehalt an Schwermetallen so genau messen, dass das Elementhäufigkeitsmuster dieser Elemente, obwohl sie nur in millionstel-kleinen Beimischungen vorhanden sind, mit Labormessungen verglichen werden konnte, die Kernphysiker an Teilchenbeschleunigern vornahmen. Die beobachtende Astronomie wirkte damit unmittelbar mit der experimentellen Kernphysik zusammen, um die Gesetzmäßigkeiten im Aufbau der Atomkerne und damit der chemischen Elemente zu untersuchen. Ein Teilgebiet der Astrophysik war neu entstanden, die "Nukleare Astrophysik".

Herausforderungen

Kosmische Element-Synthese

Das Verstehen der kosmischen Element-Synthese gestaltet sich, vor allem aufgrund immer präziserer Messungen und immer realistischer werdender Computersimulationen, seither als ein spannendes naturwissenschaftliches Abenteuer mit unerwarteten Kehrtwendungen und sich immer wieder neu öffnenden Fragestellungen.

Die astronomischen Messungen von Elementhäufigkeiten in Sternatmosphären haben eine lange Tradition und breite Basis, sie bilden immer noch das Rückgrat detailreicher Studien: In verfeinerten Modellen des Sternaufbaus ist die äußere Atmosphäre solcher Gaskugeln so gut bekannt, dass man die detaillierten Formen der Absorptionslinien vieler Elemente kennt. Damit ist ein auf den ersten Blick verwirrendes Sternenspektrum mit seiner Linienvielfalt sehr gut zerlegbar, die "Fingerabdrücke" auch kleinster Element-Beimischungen werden erkennbar.

Zudem haben moderne Großteleskope (etwa das "Very Large Teleskope" VLT der Europäischen Sternwarte ESO in Chile) eine hervorragende spektrale Messschärfe und einen weiten Nachweisbereich im elektromagnetischen Spektrum, dazu die Empfindlichkeit, auch lichtschwache Sterne in weit entfernten Bereichen unserer Galaxis zu vermessen. Gerade alte und lichtschwache Sterne in den älteren Randbereichen unserer Milchstraße sind so wichtig, weil ihre Sternatmosphären die chemische Zusammensetzung der noch jungen Milchstraße bis zu 10 Milliarden Jahre vor unserer Zeit für uns konserviert haben. In solch frühem Stadium war noch kaum Material schwerer als Helium (von den Astrophysikern insgesamt einfach "Metalle" genannt) synthetisiert worden.

Aus solchen Messreihen kann man die relativen Elementhäufigkeiten vieler Sterne zusammenstellen, und man erkennt verblüffende Muster und Trends. Sauerstoff und Eisen sind offenbar stetig mit der Zeit angereichert worden; sie werden deshalb als "Metallizitäts-" und damit kosmische Zeit-Indikatoren benutzt, zumal sie relativ leicht zu messen sind. Viel Eisen wird offenbar in Supernova-Explosionen erzeugt, die von alten, ausgebrannten Sternresten, den weißen Zwergsternen, ausgehen: Man kann erkennen, dass die Eisenhäufigkeit deutlich stärker anstieg, als erste Sterne ihre gesamte Entwicklung durchlaufen hatten bis zum weißen Zwergstern, was typisch Milliarden von Jahren dauert (bei unserer relativ kleinen Sonne etwa 10 Milliarden Jahre).

Schwermetalle werden offenbar erst erzeugt, wenn Eisen schon vorhanden ist, da man deren Häufigkeit im Gleichtakt ansteigen sieht; diese Elemente sind "sekundär". (Der Produktionsprozess besteht in der Anlagerung von Neutronen, wobei wir im Vergleich zum radioaktiven Zerfall "schnelle" (rapid) und "langsame" (slow) Anlagerung als "r-Prozess" und "s-Prozess" unterscheiden).

Spannenderweise gibt es unter diesen schweren Elementen verschiedenartige Gruppen, die r-Prozess- und die s-Prozess-Elemente, die wiederum Untergruppen haben, die sich bestimmten kosmischen Entstehungsorten zuordnen lassen: Riesensterne spielen mit Sicherheit eine Rolle, finale Supernova-Explosionen sehr massereicher Sterne eine andere. Ein r-Prozess-Muster lässt sich in praktisch unveränderter Signatur relativer Elementhäufigkeiten sogar bei vielen extrem schwach mit "Metallen" angereicherten Sternen erkennen, die wohl aus der Asche einzelner oder sehr weniger kosmischer Fusionsereignisse entstanden sind. Daraus haben wir gelernt, dass dieses r-Prozess-Muster charakteristisch für derartige Einzelereignisse sein muss und nicht aus der kosmischen Mischung über lange Zeiträume und viele Sternzyklen oder Supernovae hervorgeht.

Andererseits scheint sich dieses Muster über kosmische Zeiten kaum zu ändern; sonst würde man nicht den stetigen Häufigkeitsanstieg in diesem gleichen Muster sehen, sondern Verwischungen durch eine Vielfalt unterschiedlicher Häufigkeitsmuster in der Sternen-Asche. Nun wissen Astrophysiker aber aus den gut bestätigten Theorien des Sternaufbaus, dass auch geringe Spuren schwerer Elemente große Veränderungen bewirken, so z.B. immer stärkere Sternwinde hervorrufen, die den Stern im Laufe seiner Entwicklung deutlich masseärmer werden lassen zugunsten der farbenprächtigen Sternennebel. "Metallfreie" Sterne der ersten Generationen haben dagegen keine solchen Masseverluste, können damit viel, viel massiver sein, und sollten eine deutlich andere Entwicklung mit deutlich anderen Kernfusionsreaktionen durchlaufen. Wie sieht diese aus?

Die Modelle der Astrophysiker enthalten heute alles, was wir über Atomkern-Aufbau und Fusionsreaktionen wissen. Sie hinterlassen die Experten dennoch verwirrt angesichts immer neuer Inkonsistenzen im Vergleich der Messdaten zu den Modellrechnungen: Ist das Schalenmodell für Atomkerne wirklich so schlecht? Ist die konvektive Mischung in Riesensternen wirklich so anders? - Fragen, die erst auftauchen, nachdem wir genauer hinschauen können. Das Element-Synthese-Modell der 50er Jahre war so überschaubar.

Neutrinos

Die immer genauere Vermessung der Neutrinos aus dem Sonneninneren hinterließ nach und nach ein ungutes Gefühl der Verunsicherung. Selbst sehr unterschiedliche Messmethoden lieferten übereinstimmend einen Intensitätswert, der 30 % niedriger war als die Voraussagen der mittlerweile sehr ausgefeilten Modellbeschreibungen der Sonne als schwingende, brodelnde Gaskugel mit nuklearem Feuer bei etwa 15 Millionen Grad in ihrem Kern. Etwas stimmte nicht. Aber sowohl Kernphysiker als auch Astrophysiker waren sich ihrer Sache sehr sicher, zu groß waren die Erfolge beider Disziplinen in der Beschreibung der Kernreaktionen sogar bei viel komplexeren Atomkernen auf der einen Seite und der Beschreibung variabler und exotischer Sternphasen auf der anderen.

Die Lösung kam von einer unerwarteten Seite: Das Standard-Modell der Elementarteilchen musste ein wenig modifiziert werden, das Neutrino war nun doch kein vollständig masseloses Teilchen. Damit ist in der massebezogenen Darstellung der drei Neutrinoarten eine gravierende Änderung zu verzeichnen. Die Entsprechung von Neutrino-Art und Neutrino-Massenzustand gilt nicht mehr, es muss drei massebehaftete Neutrino-Zustände geben.

Da das Neutrino ein quantenmechanisch zu betrachtendes Teilchen ist, erscheint es immer als Überlagerungs-Resultat dieser drei Zustände mit ihren unterschiedlichen Massen. Wegen der unterschiedlichen Fortbewegungsgeschwindigkeiten je nach Masse ergeben sich damit unterschiedliche Amplituden der drei Massezustände, sodass in einem Schwerkraftfeld Neutrinos kontinuierlich zwischen ihren verschiedenen "Typen" variieren oder "oszillieren", man also ein als Elektron-Neutrino im Sonneninnern ausgesandtes Neutrino an einem Ort außerhalb der Sonne als Muon-Neutrino vorfindet. Eine solche "Metamorphose" ist aus der Welt der "Quarks", der Elementarbausteine der Atomkern-Bestandteile, bekannt.

So muss man nun die Familien-Mischung oder deren Reinheit aufgeben - ein wichtiges Unterscheidungsmerkmal zwischen Quarks und Neutrinos -, mit verwirrenden Konsequenzen. Welche Teilchenvielfalt drückt sich denn nun in der materiellen Welt aus? Was unterscheidet Quarks genau von Leptonen? Es ist wie die Jagd nach einem Phantom: "Atome", also "Unspaltbares", wurden als Aufenthaltsorte von Elektronen um Atomkerne aus kleinen Nukleonen erkannt, Nukleonen dann als Gruppierungen von Quarks ... Wenn die "unspaltbare" Vielfalt reduziert und in einer konsistenten Theorie erklärbar erschien, dann tauchten neue Unterscheidungsmerkmale auf, so wie hier die Massen-Zustände des Neutrinos. Die Auswirkung auf die Beschreibung "normaler" Atome und Kernreaktionen ist gering, gewiss; aber es sieht so aus, dass genaueres Hinsehen uns im Streben nach einer elegant-einfachen physikalischen Theorie auch hier wieder, wie bei der Beschreibung des Mikrokosmos mit der Überraschung der Quantentheorie, eine neue Tür aufzustoßen scheint.

Dunkle Materie

Haben wir denn nun bald wenigstens die Hauptbestandteile des physikalischen Universums gefunden? Nach Newtons Triumph in der Beschreibung der Planetenbewegungen im Sonnensystem mit Hilfe der Gravitation machte man sich an das Studium größerer kosmischer Systeme wie Galaxien und Galaxienhaufen und analysierte ihre Bewegungen nach gleichem Muster. Doch überraschenderweise passte hier nichts mehr zusammen: Die Sterne und Gaswolken in Galaxien schienen anders um ihren Zentralbereich zu rotieren, als dies die Schwerkraftwirkung aller Sterne und Gaswolken vorgab; speziell nahm die Umlaufgeschwindigkeit nach außen hin nur unwesentlich ab! Das konnte heißen, dass die Schwerkraftwirkung in einer Galaxie größer und ausgedehnter ist, als es uns die sichtbaren Objekte anzeigen - wir waren mit "dunkler Materie" konfrontiert. Schon Zwickys Dynamikstudien an Galaxienhaufen (~1930) fordern auch für Ansammlungen von Galaxien mehr schwere Masse, als wir sie in Form von Galaxien erkennen können. Die Suche nach "dunkler Materie" beginnt.

Modellrechnungen von Galaxiengruppen und vom Entstehungsprozess von Galaxien führen auf Widersprüche hin: Die Zeit für den Schwerkraft-Kollaps einer so riesigen Gaswolke, wie sie einer Galaxie entspricht, ist wesentlich größer als das aus Sternpopulationen gefolgerte Alter der Galaxien! Offenbar ist es eher so, dass Schwerkraft-Felder unbekannten Ursprungs (eben "dunkle Materie") viel bedeutender sind für die kosmologische Entwicklung hin zu Galaxien und dass diese Schwerkraft-Felder den Gaswolken die Orte vorgeben, an denen sich dann intergalaktisches Gas zu einer Galaxie verdichten kann. Woher kommt solche gewaltige kosmische Schwerkraft-Struktur? Aus welcher "Materie" besteht sie, da sie sich so erfolgreich anderweitiger Beobachtung - etwa licht-absorbierend oder licht-aussendend, daher "dunkel" - entzieht?

Diese Fragen sind eine gewaltige Herausforderung für die aktuelle Astrophysik, die ihre Antwort wohl im ganz frühen Universum findet, in Schwingungen einer kosmischen Ursuppe, zu einem Zeitpunkt, als die gewaltig hohe Energiedichte im Universum die Relationen zwischen den uns bekannten physikalischen Grundkräften verschoben hat in Bereiche, die uns neuere physikalische Theorien haben erahnen lassen, die auf Symmetrieeigenschaften und beschreibende Eleganz abzielen.

Dunkle Energie

Als wäre das noch nicht Herausforderung genug für die Astrophysiker, wurde seit kurzem im Universum die Wirkung einer "dunklen Energie" identifiziert: In den letzten Jahren konnte die kosmische Expansionsbewegung genauer vermessen werden über die Beobachtung heller Supernova-Explosionen im nahen Universum und in Entfernungen, von denen das Licht zu uns etwa ein halbes Universums-Alter gebraucht hat. Allem derzeitigen Anschein nach dehnt sich das Universum seit seinen Anfängen beständig in alle Richtungen gleichmäßig aus, was sich in den Fluchtbewegungen aller Galaxien relativ zu unserem kosmischen Beobachtungs-Standpunkt widerspiegelt.

Lange Zeit trieb Kosmologen die Frage um, ob die Anfangs-Wucht der Ausdehnung die Oberhand über die Schwerkraft-Anziehung ewig behalten würde oder ob die Schwerkraft dieser kosmischen Expansion in fernster Zukunft die Waage halten könnte. "Dunkle Materie" schien der Schwerkraftwirkung zu Hilfe zu kommen, aber alle Anzeichen sprachen (und sprechen immer noch) für ein erstaunlich ausbalanciertes Kräfteverhältnis.

Bei genauerem Studium hat sich nun gezeigt, dass die kosmische Expansion sich in der jüngst vergangenen Epoche beschleunigt zu haben scheint! Das Ur-Auseinanderstreben begann vor etwa 14 Milliarden Jahren, und die uns bekannten physikalischen Kräfte beschreiben die kosmische Entwicklung in grandios verblüffendem Detail.

Abb. 6:
Die Energiedichte verschiedener Komponenten des Universums: Das Universum ist als nahezu geometrisch "flach" erkannt (diagonale Linie), allerdings ist diese Eigenschaft nicht seinem materiellen Inhalt zuzuschreiben (Kreis), sondern überwiegend "dunkler Energie". Dichten werden in Einheiten der "kritischen" Dichte gemessen; der Wert 1.0 würde einem Universum flacher (nicht-gekrümmter) Geometrie entsprechen. Die Messungen aus kosmischer Hintergrundstrahlung und ferner Supernova-Helligkeiten (jeweils schraffiert: die erlaubten Dichtewerte) legen nahe, dass Materie im klassischen Sinn nur etwa 1/3 zur Energie des Universums beiträgt.

Dennoch ist die physikalische Energie-Bilanz insgesamt offenbar gewaltig anders, als diese Erfolge suggerieren (Abb. 6): Lediglich ca. 4 % der die kosmische Expansionshistorie beschreibenden Energieflüsse können mit den sichtbaren Sternen, Galaxien, Gaswolken in Verbindung gebracht werden, etwa 1/4 der Energiedichte kann "dunkler Materie" zugeschrieben werden, was immer diese ist. Aber ca. 70 % der Energiedichte ist nochmals mysteriöser in ihrer Natur, denn sie entzieht sich der Wirkung der auf kosmischen Skalen ansonsten alles dominierenden Gravitation, und sie entfaltet sogar zunehmend eine unbekannte auseinandertreibende Wirkung! Was haben wir in den von Physikern vorgestellten, so eindrucksvoll präzisen Messungen und Theorien denn übersehen können?

Vereinheitlichungen der Theorien

Für die Physiker selbst liegt die überragende Herausforderung in einem das "Ästhetische" störenden Widerspruch, einer Inkonsistenz: Die Beschreibungen des Mikrokosmos beinhalten wesentlich Quanten-Fluktuationen, die des Makrokosmos, über Relativitätstheorie, die Beschreibung glatter, jedoch gekrümmter Raum-Zeit. Somit haben wir zwei grundverschiedene Theorien für allerdings auch grundverschiedene Bereiche der Natur.

Bei genauerem Hinsehen ist nicht nur die fehlende Eleganz einer "Theorie je nach Skala" störend: Relativistische Beschreibung ist notwendig in der Nähe großer Massen, quantenmechanische in der durch Heisenbergs Unschärferelation vorgegebenen Region. Nun gibt es nicht nur in der Vorstellung, sondern auch im realen Universum offensichtlich gewaltige Massenkonzentrationen auf kleinstem Raum, die beides erfordern, relativistische und quantenmechanische Beschreibung zugleich: Neutronensterne, schwarze Löcher, den Urknall. An dieser Problematik forscht die moderne Physik und Astrophysik nun seit einigen Jahrzehnten, mit großem Fortschritt und wachsender Faszination, aber ebenso wachsender Entfremdung zwischen den diskutierenden Experten und den unterwegs zurückgelassenen Physikern und Astronomen, die doch nur die uns umgebende materielle Welt verstehen, erkennen und beschreiben wollten. Möglich wäre, dass diese neue theoretische Physik uns allerdings Wege zeigt, dunkle Materie und dunkle Energie mit neuem Verständnis zu erhellen.

Wo stehen wir?

Am Beispiel der chemischen Elemente haben wir erlebt, wie naturwissenschaftliches Studium fortschreitend eine plausible und an vielen Stellen nachweisbare Erklärung lieferte für eine Gegebenheit der Natur, die manche unserer Vorfahren als Produkt der Schöpfung angesehen haben. Ist dies ein Beispiel, das uns, je nach Standpunkt, nachdenklich oder optimistisch stimmen kann, dass wir fortschreiten auf einem Weg, an dessen Ende alles "Natürliche" (und erst recht das Künstliche) um uns beschrieben ist durch physikalische Theorien und ihre formalen Werkzeuge oder daraus hervorgegangene Naturwissenschaften?

Abb. 7:
Naturwissenschaft macht sich fest an dem Beobachtbaren, am "Sichtbaren". Allerdings erkennen wir immer wieder, dass dieser sichtbare Teil nur ein minimaler Zipfel der ganzen Wirklichkeit ist. Es ist, wie wenn man Strandgut untersucht und daraus das Geschehen in den Tiefen der Ozeane zu erfahren sucht.

Naturgegebenheiten fordern in unserer analytisch und rational geprägten Kultur unseren Ehrgeiz, eine Modellvorstellung zu entwickeln, die nach Möglichkeit in die Naturwissenschaften eingebettet ist. Zumal im vergangenen Jahrhundert hat diese Sichtweise spektakuläre Modellvorstellungen etabliert. Wir haben eine beeindruckende, zuverlässige "Landkarte" in der uns kulturell nahe liegenden Sprache vor uns, die uns unsere materielle Umwelt, aber auch der menschlichen Erfahrung fern liegende Mikro- und Makrokosmen verständlich und mehr oder weniger vertraut erscheinen lässt. Wird dieser Weg alles erfassen und abdecken? Wenn ja, ist das ein Maß für die Einzigartigkeit und Richtigkeit dieser Weltsicht?

Hier ermahnt uns die Entwicklung der Physik selbst zu Vorsicht und Bescheidenheit. Erfolge der Vergangenheit, so stimulierend sie für die Forschung sind, sichern keine zukünftigen Beschreibungserfolge über den Geltungsbereich dieser "Landkarte" hinaus. Zwei Beispiele mögen dies verdeutlichen:

Anfang des 20. Jahrhunderts machte die Notwendigkeit der quantenmechanischen Beschreibung physikalischer Prozesse im Mikrokosmos ein Ende mit der Aussicht, unser aus der alltäglichen Erfahrungswelt gewohntes Bild der Eindeutigkeit physikalischer Prozesse in beliebig kleine Dimensionen ausdehnen zu können. Uns wurde ein Bruch aufgezwungen - von deterministischer zu probabilistischer Beschreibung.

Ende des gleichen Jahrhunderts lehrte uns die genaue Vermessung des Makrokosmos, dass die spielerisch wirkenden Modelle gekrümmter Geometrien erschreckend reale Entsprechungen in unserem Universum haben. Uns wurde sogar eine Beschreibung der Dynamik des Universums aufgezwungen, die im Wesentlichen durch eine unbekannte Ursache negativen Drucks (was immer Unvorstellbares sich dahinter verbirgt) statt der uns bekannten vier elementaren Kräfte bestimmt ist.

Dabei hatte sich die Physik aus eher ästhetischen Gründen auf die Suche nach vereinheitlichenden Konzepten gemacht, um die in astronomischen Dimensionen so alles bestimmende Schwerkraft mit den drei anderen Grundkräften einheitlich zu beschreiben. Wer aber hätte erwartet, dass der Versuch der Vereinheitlichung von Gravitation und Quantentheorie uns nun eher die Tür zu neuen Dimensionen jenseits der uns bekannten Raum-Zeit-Koordinaten aufstößt? Die bisher unbekannten Dimensionen könnten gerade so in unsere Welt hineinwirken, dass die uns vertrauten Materiebausteine gerade die ihnen eigenen Massenwerte zur Erscheinung bringen. In einer solchen durch "String-Theorien" nahe gelegten höherdimensionalen "Wirklichkeit" ist es dann durchaus plausibel, dass im uns bekannten 3-dimensionalen Raum Wirkungen auftreten, denen die Physiker bisher das Etikett "dunkel" zugewiesen haben ("dunkel" für bisher nicht durch elektromagnetische Messung erhellbar).

Das Elegante an einer solchen physikalischen Weltsicht wäre, dass sie mit einer einzigen Theorie auskäme und sich die einzelnen Kräfte rein aus Symmetrieeigenschaften und den damit gekoppelten Erhaltungsgrößen ergeben. Es ist eine offene Frage, ob die elementaren "Strings" (1-dimensional, statt der punktförmig/0-dimensionalen "Elementarteilchen") andere, neuartige, bisher unverstandene Wirkungen hervorrufen oder ob diese Theorien letztlich unbeweisbar, wenn auch elegant und unwiderlegbar sind. Präzisionsmessungen auf kleinsten bzw. größten Skalen werden derzeit geplant, um hier weiter zu lernen.

Jenseits dieser physikinternen Vorsichtsbemerkungen ist aber ein anderer Gesichtspunkt entscheidend für die oben gestellte Frage, ob Physik das Universum in allen Aspekten bestimmt. Diese Frage verführt viele in ein problematisches Missverständnis mit daraus folgenden Irrtümern. Das reale Universum ist umfassender als das physikalische Modell desselben - so wie eine Landschaft für uns immer anderes und mehr bedeuten wird als eine noch so gut gemachte Landkarte. Dies kann nicht als Kritik der Landkarte bzw. der Physik verstanden werden. Die Erfolge beim Suchen gangbarer Wege in der Landschaft des Universums sind ja unzweifelhaft.

Ebenso unzweifelhaft ist allerdings die andersartige Qualität von menschlichem Bewusstsein, vom Empfinden des eigenen Seins im sinnlich wahrnehmenden und empathischen Bezug zur Umgebung. Wir Menschen erfahren das Universum in unserem Bewusstsein, und dieser Vorgang ist, notwendigerweise vom physikalischen Modell ausgeklammert, dennoch ein wesentlicher Aspekt des realen Universums. Das physikalische Modell, obwohl für uns so erfolgreich, ist letztlich in seiner Funktion für eine von Menschen als "konsistent" und "verständlich" wahrgenommene Umwelt vergleichbar mit anderen Vorstellungswelten, z.B. dem Magischen oder Mystischen, die ebenfalls von Menschen dazu geschaffen wurden, uns das Universum verständlich zu machen. Dabei ist offensichtlich, dass solche sich durchdringenden Weltbilder jenseits des menschlichen Alltags sehr unterschiedliche Welten darstellen. Das Fortschreiten astrophysikalischer Forschung wird unsere Weltsicht und Kultur weiter beeinflussen und prägen, ebenso wie das bewusste unmittelbare Erleben unserer Umwelt.

Es könnte sein, dass mystisch oder magisch (v)erklärte Phänomene des Universums vielleicht auch durch physikalische Theorien erklärt werden, zumal unser Wissen um die Natur beständig erweitert wird: Großartige Teleskope und Sensoren erweitern unsere naturwissenschaftlichen Wahrnehmungsmöglichkeiten, z.B. durch Neutrino-Teleskope oder Gravitationswellen-Detektoren, in Welten, die unserer menschlichen Alltagserfahrung unzugänglich sind. Dies wird Wirkung auf unsere Weltsicht und philosophisch-weltanschaulichen Fragen haben. Dennoch legen unsere menschliche Erfahrung und unser menschliches Bewusstsein nahe, dass unser Universum auch Qualitäten beinhaltet, die sich physikalischer Beschreibung grundsätzlich entziehen, so wie sich etwa die beobachteten Gesetzmäßigkeiten der Galaxienentwicklung im frühen Universum einem mystischen Weltbild entziehen.

Es bleibt zu hoffen, dass wir unseren Platz im Universum gründlich und vielfältig erfahren, so dass wir uns der Möglichkeiten, Grenzen, auch der Destruktionen menschlichen Tuns im erweiterten Kontext der Natur bewusst werden. Daraus kann das notwendige Handeln erwachsen, das ein Leben in Einklang mit den natürlichen Ressourcen, Lebewesen und kosmischen Vorgängen erfordert. Erfolgreiche astrophysikalische Forschung kann dazu beitragen, die großartige Vielfalt der Natur, ihre Komplexität und Schönheit in einem neuen Bewusstsein kosmischer Einbettung zu erleben.

Fußnote:

[1] Zuerst erschienen im internationalen ökumenischen Jahrbuch Informationes Theologiae Europae 13 (2004), S. 299-314.

PD Dr. Roland Diehl, Garching
E-Mail: rod@mpe.mpg.de