Unser Sonnensystem nimmt im Universum einen eher bescheidenen Platz ein. Es ist ein winziger Teil unserer Heimatgalaxie, der Milchstraße.
Neben unserer Sonne gibt es hier noch 100 bis 400 Milliarden weitere Sterne. Man kann sich die Milchstraße als flache Scheibe vorstellen, die sich dreht. Sie hat einen Durchmesser von 120.000 Lichtjahren, ist aber nur etwa 1000 Lichtjahre dick. In ihrem Zentrum liegt ein enormes Schwarzes Loch. Es ist vier Millionen Mal so schwer wie unsere Sonne.
Für uns Menschen ist schon die Größe der Milchstraße kaum vorstellbar. Sie ist aber nur ein sehr, sehr kleiner Teil des gesamten Universums, das aus mehreren Hundert Milliarden Galaxien besteht.
Wir in der Milchstraße
Unsere Sonne liegt im Orion-Arm der Milchstraße und umkreist das Zentrum der Galaxis in einem Abstand von 25.000 bis 28.000 Lichtjahren. Bis sie das zentrale Schwarze Loch Sagittarius A* einmal umrundet hat, vergehen 220 bis 240 Millionen Jahre – und das bei einer atemberaubenden Umlaufgeschwindigkeit von rund 800.000 km/h.
Unser Sonnensystem
Das Sonnensystem, in dem wir leben, bildet sich vor rund 4,5 Milliarden Jahren aus einer Scheibe aus wirbelndem Gas und Staub. Es besteht aus einer Sonne und acht Planeten. Planeten sind große, runde Himmelskörper, die um einen Stern kreisen und nicht selbst leuchten. Sie sind allein auf ihrer Umlaufbahn, weil sie durch ihre verhältnismäßig große Masse alle weiteren Himmelskörper anziehen, die auf ihrem Weg liegen. Die Römer geben den Planeten die Namen, die sie in vielen europäischen Sprachen noch heute tragen.
Sonne
Wie alle leuchtenden Sterne strahlt unsere Sonne Energie ab. Diese Energie stammt aus Reaktionen im Inneren der Sonne, bei denen Wasserstoffkerne zu Heliumkernen verschmelzen. Diese Prozesse sind die Quelle fast aller nutzbaren Energie auf der Erde.
Lange sind die Menschen davon überzeugt, dass die Erde im Mittelpunkt des Universums steht. Der Astronom und Mathematiker Nikolaus Kopernikus bezweifelt das im Jahr 1514. Er ist sich sicher, dass die Planeten und damit auch die Erde um die Sonne kreisen. Eine schockierende Vorstellung! Erst im 17. Jahrhundert setzt sich dieses Weltbild allmählich durch.
Merkur
Merkur schafft einen Umlauf um die Sonne in nur 88 Tagen. Die Römer geben ihm deshalb den Namen des schnellen Götterboten Merkur. Der kleinste Planet unseres Sonnensystems hat eine extrem dünne Atmosphäre. Die Temperaturen auf seiner Oberfläche schwanken deshalb zwischen −173 Grad Celsius in der Nacht und +427 Grad Celsius im Sonnenlicht.
Venus
Von der Erde aus gesehen funkelt kein anderer „Stern“ heller als die Venus. Am Abend ist sie der erste Himmelskörper, der sichtbar wird, und am Morgen der letzte, der verschwindet. Deshalb wird sie auch „Abendstern“ oder „Morgenstern“ genannt. Doch auch die Venus leuchtet nicht selbst. Sie reflektiert das Licht der Sonne – wie alle anderen Planeten auch.
Erde
Welches Glück, dass die Erde genau den richtigen Abstand zur Sonne hat. Nur so kann sich das Leben auf der Erde entwickeln. Näher an der Sonne wäre es zu heiß und weiter weg zu kalt. Nur in dieser bewohnbaren Zone kann Wasser dauerhaft in flüssigem Zustand bleiben. Das ist eine Grundvoraussetzung für die Entwicklung von Leben, wie wir es kennen.
Mars
Der Mars besteht aus eisenhaltigem Gestein. Seine orangerote Farbe ist nichts anderes als Rost! Der größte Marsvulkan ist über 20 Kilometer hoch. Der höchste Berg der Erde, der 8848 Meter hohe Mount Everest, sieht daneben ziemlich klein aus. Mehrere Marsroboter haben den Planeten schon geologisch untersucht.
Jupiter
Jupiter ist bei Weitem der größte Planet unseres Sonnensystems. Der riesige Gasplanet hat fast dieselbe Zusammensetzung wie die Sonne – doch er ist immer noch zu leicht, um sich zu entzünden und selbst zu einem Stern zu werden. Jupiter hat mindestens 79 Monde.
Saturn
Die berühmten Ringe des Saturn bestehen aus unterschiedlich großen Eis- und Gesteinsbrocken. Insgesamt gibt es mehr als 100.000 Ringbänder in einer flachen Scheibe. Auch andere Planeten haben Ringe, nur sind sie nicht so deutlich ausgebildet und deshalb nicht so gut zu sehen.
Uranus
Den Eisplaneten Uranus entdeckt der deutsch-britische Astronom und Musiker Wilhelm Herschel erst 1781. Uranus hat mindestens 27 Monde, viele von ihnen heißen wie Figuren in den Werken von William Shakespeare.
Neptun
Neptun ist der einzige Planet, der von der Erde aus nicht mit bloßem Auge zu erkennen ist. Er wird daher erst 1846 vom Astronomen Johann Gottfried Galle entdeckt. Zuvor hat bereits der Mathematiker Urbain Le Verrier die Existenz und die ungefähre Position dieses Planeten berechnet. Galle weiß also, wonach er suchen muss.
Die unglaublich großen Entfernungen im All werden in Lichtjahren angegeben, also in der Zeit, die das Licht benötigt, um diese Strecken zurückzulegen. Die Lichtgeschwindigkeit beträgt im Vakuum – und somit auch im Weltall – 299.792.458 Meter pro Sekunde, das sind fast 300.000 Kilometer pro Sekunde. Ein Jahr hat 31,6 Millionen Sekunden, also entspricht ein Lichtjahr 9,46 x 10¹² = 9,46 Billionen Kilometer.
mittlere Entfernung Erde – Mond
1,28 Lichtsekunden / 384.400 km
mittlere Entfernung Erde – Sonne
499 Lichtsekunden / 149.597.870 km
Das Licht der Sonne ist also etwas mehr als acht Minuten alt, wenn es uns erreicht. Diese Strecke wird auch als „Astronomische Einheit AE“ bezeichnet.
mittlere Entfernung Erde – Neptun
etwa 4 Lichtstunden / 4,5 Milliarden km
Neptun ist der äußerste Planet unseres Sonnensystems.
Erde – Proxima Centauri
4,244 Lichtjahre
Proxima Centauri ist der nächste Stern außerhalb unseres Sonnensystems.
Erde – Andromeda-Galaxie
2,5 Millionen Lichtjahre
Die Andromeda-Galaxie ist das am weitesten entfernte Objekt, das man am Nachthimmel mit bloßem Auge erkennen kann.
geschätzte Größe des sichtbaren Universums
93 Milliarden Lichtjahre
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.
Die Suche nach den Geisterteilchen
Dunkle Materie, die im Weltall fünfmal häufiger vorkommt als „normale“ Materie, können wir weder sehen noch direkt messen. Forscher*innen vermuten, dass sie aus bisher unbekannten Elementarteilchen besteht, die mit der sichtbaren, „normalen“ Materie nur sehr schwach interagieren. Mit dem CRESST-Experiment suchen sie nach diesen Teilchen: Unter dem Gran Sasso, einem Bergmassiv in Italien, befindet sich ein Untergrundlabor mit hochsensiblen Detektoren – in jeder Richtung abgeschirmt von mehr als 1400 Metern Fels. Alle „normalen“ Teilchen, die aus dem Weltall auf die Erde treffen, werden von der Materie des Bergs abgefangen. Die „dunklen“ Elementarteilchen sollten den Fels dagegen nahezu ungehindert durchdringen. Die eigentlichen Messinstrumente sind ultrareine Kalziumwolframat-Kristalle, die auf fast –273 Grad Celsius gekühlt werden. Wenn ein Dunkle-Materie-Teilchen auf einen der Kristalle stößt, steigt die Temperatur um etwa ein millionstel Grad an. Diesen minimalen Unterschied messen hochempfindliche Thermometer.
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.
Aber wie soll die enorme Menge an Materie und Energie, die das Weltall enthält, in einem so winzigen Punkt zusammengepresst sein? Damit der Urknall – so wie er heute beschrieben wird – funktionieren kann, muss es ganz am Anfang eine sehr kurze, extrem schnelle Ausdehnung geben: die überlichtschnelle Inflation. Mit Messmethoden, die auf elektromagnetischer Strahlung beruhen, kann dieser Bereich nahe am Urknall nicht untersucht werden – mithilfe von Gravitationswellen schon.
Urknall oder Urprall?
Beim Urknall entstehen aus dem Nichts Raum, Zeit und Materie – so die gängige Theorie. Mit den heutigen Kenntnissen lassen sich alle Vorgänge ab etwa einer milliardstel Sekunde nach dem Urknall berechnen. Der sehr kurze, aber für das Verständnis extrem wichtige Bereich direkt nach dem „Knall“ liegt noch im Dunkeln. Hier setzt die Forschung von Anna Ijjas an, einer jungen Wissenschaftlerin am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik. Das zyklisches Modell, an dem sie arbeitet, geht davon aus, dass ein vorheriges Universum sich langsam auf etwa 10-25 cm zusammengezogen und dann wieder ausgedehnt hat. Der Urknall wäre demnach eher ein sanfter Urprall. Ein notwendiger Teil der Urknalltheorie, den die Wissenschaft bisher nicht erklären kann, ist die Inflation – die extrem schnelle Ausdehnung ganz kurz nach dem „Knall“. Das Urprallmodell kommt ohne diese Vermutung aus.
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.
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.
Der Andromeda-Nebel ist die uns am nächsten gelegene Galaxie, die ungefähr so groß ist wie die Milchstraße. Er ist das am weitesten entfernte astronomische Objekt, das wir von der Erde aus mit bloßem Auge sehen können.
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.
Solar Orbiter
Am 10. Februar 2020 macht sich eine Sonde der europäischen Raumfahrtagentur ESA auf den Weg. Sie soll erstmals einen Blick auf die Pole der Sonne ermöglichen und ist dazu mit leistungsstarken Instrumenten ausgestattet.
Einige davon wurden am Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung in Göttingen entwickelt und gebaut. Direktor Sami Solanki und sein Team erhoffen sich Erkenntnisse zum Sonnenwind und zum Entstehungsort der Magnetfelder. Diese sind Ursache für viele noch immer ungeklärte Vorgänge. Warum zum Beispiel wechseln sich etwa alle elf Jahre Zeiten sehr starker Eruptionen mit ruhigeren Phasen ab? Warum heizt sich die Sonnenkorona auf unvorstellbare eine Million Grad Celsius auf, obwohl die Gasschichten darunter „nicht mehr“ als 10.000 Grad Celsius heiß sind?
Solar Orbiters erste Bilder von der Sonne
Im Frühsommer 2020 befindet sich die Sonde Solar Orbiter auf halber Strecke zwischen Erde und Sonne – so nah an der Sonne wie noch nie eine andere Sonde zuvor. Die Bilder zeigen Ansichten der Sonne in verschiedenen Spektralbereichen, aufgezeichnet mit zehn verschiedenen Teleskopen und Messinstrumenten an Bord von Solar Orbiter.
Das Bild, das wir hier oben sehen, wirkt auf den ersten Blick etwas unscharf. Und doch schafft es genau dieses Bild im Frühjahr 2019 auf die Titelseiten von Zeitungen in der ganzen Welt. Denn es handelt sich um das allererste Foto eines Schwarzen Lochs.
Um eine solche Aufnahme zu machen, müsste ein einzelnes Teleskop eine Größe haben, die nahezu dem Durchmesser der Erde entspricht. Da es das nicht gibt, fassen die Wissenschaftler*innen der Event Horizon-Kooperation 2017 acht Radioteleskope - mit Standorten auf der halben Erdkugel zu einem riesigen virtuellen Teleskop zusammen. Beteiligt sind unter anderem das APEX-Teleskop in Chile, das IRAM-Teleskop in Spanien und das Teleskop der Amundsen-Scott-Station am Südpol. Die Messungen werden mithilfe von Atomuhren auf die Nanosekunde genau aufeinander abgestimmt.
Die Datenmengen, die bei den Messungen anfallen, sind riesig! Sie werden auf unzählige Festplatten gespeichert und per Post transportiert. Das geht am schnellsten. So viele Daten über das Internet zu übertragen, würde viel länger dauern.
Ausgewertet werden die Daten mit den Supercomputern des MPI für Radioastronomie in Bonn und des Haystack Observatory am MIT in Boston.
Nach fast zwei Jahren Rechnen und Auswerten können die Forscher*innen im April 2019 das erste Porträtfoto eines schwarzen Lochs präsentieren.
Es zeigt das besonders massereiche Schwarze Loch im Zentrum von M87, einer elliptischen Riesengalaxie im Virgo-Galaxienhaufen. Sie ist „nur“ 55 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt und damit für astronomische Verhältnisse recht nah.
Das VLT ist das höchstentwickelte optische Instrument der Welt und der ganze Stolz der europäischen Astronomie.
Es besteht aus vier Hauptteleskopen mit je 8,2 Metern Spiegeldurchmesser und vier Hilfsteleskopen. Jedes der Teleskope kann bei einer Belichtungszeit von einer Stunde Bilder von Himmelsobjekten aufnehmen, die vier Milliarden Mal schwächer leuchten als alles, was das menschliche Auge ohne Hilfsmittel wahrnehmen kann.
Das VLT der Europäischen Südsternwarte (ESO) steht auf dem Gipfel des Cerro Paranal in der Atacama Wüste in Chile.
Da, wo es Wasser in flüssigem Zustand gibt, könnte es auch Leben geben. Deshalb ist der Saturnmond Enceladus für Forscher*innen besonders interessant.
Von 2004 bis 2017 sammelt die Raumsonde Cassini Daten über den Saturn und seine Monde. Diese Daten werden bis heute ausgewertet.
Für Frank Postberg von der Freien Universität Berlin ist dabei der
Saturnmond Enceladus besonders interessant. Die Cassini-Daten zeigen: Unter seiner 30 Kilometer dicken Eisschicht befindet sich ein 60 Kilometer tiefer Ozean. Flüssiges Wasser ist eine wesentliche Bedingung für Leben, wie wir es kennen. Deshalb stellt sich die Frage, ob es auf Enceladus extraterrestrisches Leben gibt.
Auch hier kann Cassini weiterhelfen: Am Südpol von Enceladus gibt es Eisvulkane, die einen Nebel aus Gas, Wasserdampf und Eis ausstoßen. In diesem Nebel nimmt die Sonde Proben, die den Forscher*innen Auskunft über die Eigenschaften des Ozeans geben. Und es sieht tatsächlich so aus, als wenn es hier einfaches Leben geben könnte.
