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Astronomie+Physik

Galaxien am Anfang der Welt

Neue Probleme mit dem zu jungen Universum. Kaum haben sich die Wogen über einer zu großen Hubble-Konstante etwas geglättet, taucht schon ein noch gravierenderes Problem auf: In der Nähe des Weltanfangs hat das Hubble-Teleskop Galaxien entdeckt, die für diese Jugendzeit des Universums viel zu alt aussehen.

Die Probleme mit dem Anfang der Welt sind genau dort auch zu lösen: indem man bis zu den fernsten, das heißt den jüngsten Objekten im Universum vordringt. So wird immer wieder argumentiert. Doch statt gelöster Probleme sehen sich die Astronomen mit ständig neuen Schwierigkeiten konfrontiert.

Die Hubble-Konstante Ho gibt nach gängigen Theorien (über ihren Kehrwert 1/Ho) ein Maß für das Alter der Welt an. Hätte sie zum Beispiel den Wert 100, ergäbe sich daraus ein Weltalter von weniger als 10 Milliarden Jahren – die ältesten Kugelsternhaufen, 15 bis 18 Milliarden Jahre alt, hätten darin keinen Platz.
Die Forschung sorgt ständig für neue Probleme dieser Art: Fast täglich werden Objekte entdeckt, die riesige kosmische Rotverschiebungen haben, also in entfernten Grenzbereichen liegen, wo sie eigentlich – nach der allgemeinen Evolutionsgeschichte unseres Kosmos – nicht auftauchen dürften.
Zunächst ist dieses Problem bei den Quasaren erkannt worden, die – als Objekte mit extremen Rotverschiebungswerten – rasend schnell von uns wegfliegen. Der derzeitige Rekordhalter unter den „radioleisen“ Quasaren (bei denen keine Radiostrahlung nachweisbar ist) hat einen Wert von z = 4,9, bei den radiolauten Quasaren liegt der Rekord bei z = 4,46.
Der z-Wert, ein Maß für die Rotverschiebung, ist als z = Δl/l definiert. z = 5 bedeutet demnach eine Verschiebung der Linien im Spektrum um 500 Prozent in Richtung Rot (siehe „Rotverschiebung und Entfernung“ in der Titelgeschichte von bild der wissenschaft, 10/1996). So gewaltige Rotverschiebungen zeigen Objekte in einer der frühesten Phasen der kosmischen Evolution, als das Universum nur etwa ein Sechstel seiner heutigen Ausdehnung besaß. Bei dieser Größe war das Universum aber höchstens 1 bis 1,5 Milliarden Jahre alt. Objekte mit so großen Rotverschiebungen befinden sich zeitlich gesprochen also noch in unmittelbarer Urknallnähe.

Das wirft zwangsläufig die Frage auf, eine wie lange Entwicklung diese Objekte denn bereits hinter sich gebracht haben, bis sie so aussahen, wie das Hubble-Teleskop sie jetzt sieht.
Der Princeton-Astronom E. L. Turner hat berechnet, was ein Quasar alles benötigt, um seine geschätzte Energieproduktion von über 1046 erg pro Sekunde aufrechtzuerhalten: ein zentrales Schwarzes Loch mit einer Masse von wenigstens 108 Sonnenmassen, umgeben von einer Akkretionscheibe ähnlicher Gesamtmasse und einem noch hundertfach größeren Massenreservoir in Form eines weiteren Sternhalos. Selbst bei einer unglaublich rapiden Materie-Verdichtung aus dem kosmischen MaterieHintergrund und einer sehr schnellen Sternbildung – so rechnet Turner vor – braucht ein Quasar 1,5 bis 2,0 Milliarden Jahre, um ein supermassives Schwarzes Loch zu bilden.

Das würde heißen: Die Entstehung der Quasare müßte entweder mit dem Urknall zusammengefallen sein oder sogar noch davor liegen. Skeptiker werden fragen, ob man denn die Quasare überhaupt gut genug versteht, um so gravierende Schlüsse ziehen zu können. Angenommen zum Beispiel, die Strahlungsemission der Quasare sei nicht – wie bisher immer vorausgesetzt – isotrop, also in allen Richtungen gleich, sondern bevorzugt in eine Richtung, dann ließe sich aus ihrer Rotverschiebungs-Entfernung auch nicht auf ihre absolute Leuchtkraft schließen. Damit wäre allen Spekulationen über die zentrale Maschine, mit denen Quasare ihre angeblich enormen Energien erzeugen, der Boden entzogen.

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Doch mit diesem Argument läßt sich das Altersproblem im Kosmos leider nicht lösen, wie durch neue Beobachtungen in den letzten Monaten klar wurde. Sie haben gezeigt, daß sich das Problem auch bei ganz konservativen Galaxientypen einstellt: Sie stehen ebenfalls zeitlich viel zu nahe am Urknall, die verstrichene Zeit reicht für ihre Entstehung nicht aus. So haben James Dunlop und Kollegen vom Astronomischen Institut Edinburgh bei einer 3,5 Milliarden Jahre alten, ganz normal aussehenden Galaxie eine Rotverschiebung von z = 1,5 gemessen. Der erstaunlich stark ausgeprägte Rotanteil im Spektrum dieser Galaxie weist auf eine entsprechend starke Population von „alten“ Sternen mit hohem spektralen Rotanteil hin. Nach allem, was die Astronomen über den Lebensweg der Sterne bis zum Zustand eines Roten Riesen wissen, brauchte diese Galaxie für ihre Evolution 3,5 bis 4,5 Milliarden Jahre.
Damit entsteht jedoch wieder ein massives Altersproblem: Wie können diese Objekte überhaupt zu unserem Kosmos gehören, wenn sie dort, wo man sie in riesiger Entfernung von uns sieht, das heißt in der tiefsten Vergangenheit der kosmischen Evolution, schon viele Milliarden Jahre alt waren – und dabei schon so aussahen wie Galaxien in unserer Nachbarschaft? Da kann doch irgend etwas nicht stimmen. Gibt es Auswege aus dem Dilemma? Ja, verschiedene. Der ermittelte Rotüberschuß im Spektrum der Galaxie könnte durch eine entsprechende Absorber-Umgebung bedingt sein. Oder irgendwo auf dem Weg des Lichtes von diesem Objekt zu uns könnten große Staubdichten wie ein Rotfilter gewirkt haben.

Wenn sich dieser Staub in unserer eigenen Galaxis befände, so sollte er auch andere Nachbarsterne röten, und er selbst sollte im Infraroten sichtbar sein. Doch beides wurde nicht beobachtet. Säße der Staub dagegen am fernen Objekt selbst, so wäre das der erste Fall einer Staubkokon-Galaxie, den man zu sehen bekäme.
Daß es müßig ist, auf solche oder ähnliche Auswege in der Erklärung zu sinnen, zeigten die Entdeckungen der Astronomen Lanzetta, Yahil und Fernandez-Soto: Unter einer großen Zahl der von ihnen mit dem Hubble-Weltraumteleskop beobachteten Galaxien fanden sie einige mit extrem großen Rotverschiebungen, darunter sogar vier Objekte mit Rotverschiebungen von z größer als 6 – einem Rekordwert, der niemals zuvor an konkreten Objekten gesehen wurde. Daß es sich bei diesen Gebilden um Galaxien handelt, konnte aus der räumlichen Auflösung im Hubble-Bild erschlossen werden.

Wenn solche Objekte bei einer so großen Rotverschiebung zu sehen sind, dann müssen sie extrem weit zurück in der Vergangenheit liegen. Der Kosmos hatte damals nur ein Siebtel seiner heutigen Größe, und der Urknall lag erst weniger als eine Milliarde Jahre zurück. Da die gesichteten Objekte jedoch selbst nach vorsichtigen Beurteilungen ein Alter von weit über einer Milliarde Jahren haben, gehören sie entweder nicht zu unserem Kosmos, oder sie ignorieren den Urknall. Oder es gab den Urknall überhaupt nicht, zumindest nicht in der Form, wie sie die Friedmann-Lemaître-Modelle beschreiben (siehe „Streit um Einsteins Konstante“).
Da erhebt sich der Verdacht, daß das Universum eigentlich gar kein Alter hat, sondern nur auf allen Raum- und Zeitskalen sich zyklisch wiederholende Prozeßabläufe zeigt. Vielleicht gilt das kosmologische Prinzip in seiner strengsten Form: Da die Welt kein Alter hat, sieht sie in der raumzeitlichen Ferne genauso aus wie in der raumzeitlichen Nähe.

Hans-Jörg Fahr
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