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Sichtbares Universum

Sichtbares Universum
Die letzten Jahrhunderte astronomischer Forschung waren geprägt durch immer leistungsfähigere optische Teleskope, die den Horizont des sichtbaren Universums mehr und mehr erweitert haben. Gleichzeitig haben neue physikalische Theorien zu einem besseren Verständnis der komplexen Abläufe im Kosmos geführt. Ausgehend von unserer kosmischen Heimat, der Erde, und unserem Sonnensystem, haben wir die Milchstraße mit ihren Hunderten Milliarden von Sternen immer besser kennengelernt und die Welt der Galaxien bis an den Rand des Universums erforscht.
Der Weg hinaus in den Kosmos ist zugleich ein Weg zurück in die Vergangenheit. Wir können mit unseren Instrumenten die 13,8 Milliarden Jahre dauernde Geschichte des Universums erforschen – mit optischen Teleskopen kommen wir bis an die Grenze des sichtbaren Universums, als das Universum erst 380.000 Jahre alt war. Dahinter verbirgt sich die Welt der Elementarteilchen und Gravitationswellen knapp nach dem Urknall.

Zeit und Raum, Raum und Zeit

Wissen Sie, dass Sie bei Verabredungen wie selbstverständlich Einsteins Relativitätstheorie anwenden? Und haben Sie sich jemals gefragt, was Zeit eigentlich ist?

Zeit gibt es erst seit dem Urknall – vorher hat sie nicht existiert. Seit Einsteins Relativitätstheorie gilt sie als einer von vier gleichberechtigten Teilen unseres physikalischen Modells zur Beschreibung des Universums: die räumlichen Dimensionen und die Zeit, die die Relativitätstheorie zur „Raumzeit“ verknüpft. Im Alltag mögen sich die beiden Größen wie zwei unterschiedliche Kategorien anfühlen, aber Einstein erklärt ihre Verbindung mit einem einfachen Beispiel: Wenn zwei Leute sich treffen wollen, hilft es wenig, nur einen Treffpunkt oder eine Zeit auszumachen. Man braucht beides, um wirklich zur selben Zeit am selben Ort zu sein.

Die Zeit ist aber auch sonst eine geistig hart zu knackende Nuss. Sie tickt kontinuierlich und unerbittlich seit dem sprichwörtlichen Beginn aller Zeiten. Allerdings läuft sie immer nur in eine Richtung, nämlich vorwärts, nie zurück. Und das tut sie dann noch nicht einmal überall gleichmäßig – je schneller sich etwas bewegt, desto langsamer läuft dort die Zeit. Der Effekt ist zwar minimal, aber messbar.

Video: Unser Universum

(Texte zum Mitlesen darunter)

Unsere aktive Sonne – nicht in der Midlife-Crisis

Die Sonne, unser eigener Stern, ist heute in ihrer ruhigsten Lebensphase, knapp in der Mitte ihres ca. 11 Milliarden Jahre dauernden Sternenlebens. Am Anfang, vor knapp 4,6 Milliarden Jahren, sandte sie bedeutend mehr lebensfeindliche Ultraviolettstrahlung aus als heute. Gegen Ende ihres Lebens, in etwa 6 Milliarden Jahren, wird sie als aufgeblähter Riesenstern die inneren Planeten verschlingen. Als kleiner, durchschnittlicher Stern hat die Sonne dem Leben auf der Erde eine gute, relativ lange Chance gegeben.

Credit: NASA/SDO

Erde über dem Mondhorizont

Erst seit wenigen Jahrzehnten können wir unsere Erde in all ihrer Schönheit, aber auch Einsamkeit aus der Ferne betrachten. 134 Kilometer über der Mondoberfläche kreisend, hält die Mondsonde Lunar Reconnaissance Orbiter einen „Erduntergang“ fest.

Bestimmt durch die Entwicklung unserer Sonne, gibt es irdisches Leben seit mindestens 3,5 Milliarden Jahren. Eine weitere Milliarde Jahre wird vergehen, bis die ansteigende Leuchtkraft der Sonne diesem ein feuriges Ende bereiten wird.

Credit: NASA / GSFC/ Arizona State University

Sternentstehung im Adlernebel

Sterne entstehen aus riesigen Gas- und Staubwolken, die sich durch ihre Schwerkraft zusammenziehen und in kleinere Fragmente aufteilen. In den dichtesten Regionen kollabieren Protosterne und erhitzen sich dabei. Schließlich wird die Kernfusion von Wasserstoff zu Helium gezündet. Diese Fusion ist die wesentliche Energiequelle der Sterne. Sternengeburten finden meist im Verborgenen innerhalb dichter Staubwolken statt, zum Beispiel in den dunklen „Säulen der Schöpfung“ im Adlernebel.

Credit: NASA, ESA

Der junge Sternhaufen NGC 3293

Sterne werden nicht einzeln, sondern zu Tausenden aus Gas- und Staubwolken geboren. Bei dem jungen, nur 10 Millionen Jahre alten Sternhaufen NGC 3293 sind sogar noch letzte Reste der ursprünglichen Gas- und Staubwolke vorhanden. Obwohl die „Sternengeschwister“ gleichzeitig geboren wurden, unterscheiden sie sich sehr stark in ihrer Masse. Schwere, kurzlebige Sterne teilen sich den Geburtsort mit kleinen, langlebigen Sternen wie unserer Sonne.

Credit: ESO

Der alte Sternhaufen M7

Sternhaufen lösen sich langsam auf, während sie um das Zentrum der Milchstraße kreisen. Der ca. 200 Millionen Jahre alte Sternhaufen M7 hat schon fast einen Milchstraßenumlauf hinter sich. Nach kosmischen Maßstäben wird er nicht mehr lang existieren, sondern die Sterne bald einzeln auf ihren Lebensweg entlassen.

Auch unsere Sonne war vor 4,6 Milliarden Jahren Teil eines Sternhaufens. Derzeit sucht die Weltraummission Gaia nach Sternen mit exakt gleichem Alter und chemischer Zusammensetzung wie unsere Sonne. Vielleicht schaffen wir eine „Familienzusammenführung“ der Sonnengeschwister?

Credit: ESO

Sternenbrutstätte Carinanebel

Ca. 7.500 Lichtjahre von der Erde entfernt liegt eines der aktivsten Sternentstehungsgebiete unserer Milchstraße. Manche Sterne sind noch tief in ihren anfänglichen Staubhüllen verborgen. Andere, besonders massereiche, haben ihre Umgebung bereits freigeblasen und leuchten aus jungen Sternhaufen hervor.

Credit: ESO

Planetarischer Nebel Messier 57

Nichts währt ewig, auch Sterne nicht. Geht der Fusionsbrennstoff Wasserstoff im Sterninneren zu Ende, kann die Bildung von schwereren Atomkernen das Sternenleben noch etwas verlängern. Letztlich wird der Stern aber instabil, bläht sich riesenhaft auf, beginnt zu pulsieren und gibt einen Großteil seiner Masse an die Umgebung ab. Aus dieser angereicherten Materie kann dann die nächste Generation von Sternensystemen entstehen. Ende und Neuanfang sind so im kosmischen Materiekreislauf eng verbunden.

Ein wunderschöner Planetarischer Nebel wie hier Messier 57 leuchtet nur für kurze Zeit auf und vergeht innerhalb weniger 10.000 Jahre. Übrig bleibt ein langsam auskühlender Weißer Zwerg.

Credit: NASA, ESA

Krebsnebel: Supernova-Explosionswolke Messier 1

Die spektakulärste Form des Sternentodes ist die Explosion als Supernova. Im Jahr 1054 leuchtete eine Supernova für mehrere Wochen so hell wie alle Sterne unserer Milchstraße zusammen. Die prächtige Explosionswolke Messier 1 zeugt noch heute von diesem gewaltigen Ereignis. Nur manche Doppelsternsysteme und Sterne, die viel schwerer sind als unsere Sonne, enden als Supernova. Von ihnen bleibt letztlich nur ein ultradichter Neutronenstern oder gar ein Schwarzes Loch übrig.

Credit: NASA, ESA


Spiralgalaxie Messier 83, ein Zwilling unserer Milchstraße

Galaxien sind die mittelgroßen Bausteine unseres Universums. Sie bestehen oft aus vielen Hundert Milliarden von Sternen und weisen eine Vielzahl an Erscheinungsformen auf. Die Milchstraße ist wie Messier 83 eine Balkenspiralgalaxie. Teleskopaufnahmen zeigen nur leuchtende Materie wie Sterne, Gas- und Staubnebel. Ein großer Teil der Galaxienmasse bleibt darauf unsichtbar – die sogenannte „Dunkle Materie“.

Credit: ESO

Wenn zwei Galaxien aufeinandertreffen

Nicht alle Galaxien existieren in Isolation – manche kommen sich recht nahe. Die beiden Galaxien NGC 4038 und 4039 durchdringen sich gerade. Die Abstände zwischen den Sternen sind so groß, dass diese nicht zusammenstoßen, doch in den verdichteten Gas- und Staubwolken wird intensive Sternentstehung ausgelöst. Langfristig werden die beiden Spiralgalaxien verschmelzen und eine riesige elliptische Galaxie bilden.

Credit: ESA, NASA

Galaxienhaufen MACSJ0717 als optische Linse

Die größten Bausteine des Universums sind Galaxienhaufen – Ansammlungen von Hunderten oder gar Tausenden von Galaxien, umgeben von riesigen Mengen Dunkler Materie.

Große Massen können Licht ablenken. Massereiche Galaxienhaufen wie MACSJ0717 können Lichtstrahlen von Objekten, die hinter ihnen liegen, bündeln und wirken für uns somit wie eine optische Linse. Diese sogenannten Gravitationslinsen lassen uns noch auf Galaxien blicken, deren Licht bereits 12 Milliarden Jahre lang zu uns unterwegs ist. Die länglichen Bögen und Striche im Teleskopbild sind die stark vergrößerten und verzerrten Bilder solcher Galaxien. Uns wird damit die einmalige Gelegenheit geboten, besonders tief ins Universum zu blicken und seine Frühzeit zu erforschen.

Credit: NASA, ESA

Tiefer Blick zurück in die Vergangenheit

Je weiter wir mit unseren Teleskopen vordringen, desto frühere Phasen des Universums können wir studieren. Einer der tiefsten Blicke hinaus ins Weltall und damit zurück in der Zeit ist das Hubble Ultra Deep Field – eine fast 12 Tage lange Belichtung einer winzigen Himmelsregion, aufgenommen vom Hubble-Weltraumteleskop. Die kleinen roten Pünktchen sind einige der am weitesten entfernten Galaxien, die je beobachtet wurden. Sie sind bereits 800 Millionen Jahre nach dem Urknall entstanden und ihr Licht ist seit etwa 13 Milliarden Jahren zu uns unterwegs. Vor ihrer Entstehung herrschte Hunderte Millionen Jahre lang Finsternis.

Credit: NASA, ESA

Gaia-Mission

Infos dazu, was der Gaia-Katalog ist, gibt es in diesem Artikel der ESA (EN).

Weitere Infos zu dem Bild und der Bewegung der sichtbaren Sterne gibt es auf der ESA-Website.

Die farbige Abbildung zeigt ein großes Oval vor einem schwarzem Hintergrund. In der Mitte ist ein Leuchten sowie dunkle Wolken zu erkennen (eine Galaxie, die Milchstraße). Das gesamt Oval ist gefüllt mit sehr sehr vielen dünnen, teils gekrümmten Linien.
ESA/Gaia/DPAC
Die hellen Linien in diesem Bild zeigen, wie sich die Sterne in unserem Himmel in den nächsten 400.000 Jahren bewegen werden.

Video-Tour des Gaia-Katalogs

Very Large Telescope

Das Hauptziel bei der Entwicklung von Teleskopen ist die Steigerung der Licht-Sammelleistung. So werden sowohl schwach leuchtende Himmelsobjekte sichtbar gemacht als auch besonders scharfe Bilder möglich. Das Very Large Telescope (VLT) der Europäischen Südsternwarte in der Atacamawüste in Chile ist mit seinen vier Spiegeln mit je 8,2 Metern Durchmesser zurzeit das beeindruckendste Beispiel dafür. Ab voraussichtlich 2027 wird das Extremely Large Telescope mit einem Spiegel von 39 Metern Durchmesser noch tiefer in den Kosmos vordringen.

Die farbige Abbildung zeigt eine astronomische Forschungsstation auf einem Berg, welcher von einer Wüstenlandschaft umgeben ist.
ESO

Weltraumteleskop Hubble

Außerhalb der störenden Erdatmosphäre umrundet in etwa 560 Kilometern Höhe das Hubble-Teleskop unseren Planeten. Sein Spiegel mit 2,5 Metern Durchmesser ermöglicht seit über drei Jahrzehnten die tiefsten und schärfsten Blicke ins Universum. Obwohl Hubble nur eines von vielen Weltraumteleskopen ist, sind viele seiner Bilder zu Ikonen der Astronomie geworden. Noch in diesem Jahr übernimmt eine neue Generation von Weltraumteleskopen: das James Webb Space Telescope.

Die farbige Abbildung zeigt in der Mitte silbrig glänzend das im Weltraum schwebende Hubble-Teleskop. Unten ist hellblau die Erde und Erdatmosphäre zu sehen.
NASA

Das Planck-Weltraumteleskop

Seit 2009 vermisst das Planck-Weltraumteleskop so genau wie kein Instrument zuvor die kosmische Hintergrundstrahlung. Um die extrem schwachen Signale aus der Frühzeit des Universums erfassbar zu machen, müssen alle anderen Strahlungsquellen im Vordergrund – wie Sterne, Gas- und Staubnebel und Galaxien, vor allem aber unsere eigene Milchstraße – von den Messungen abgezogen werden. Aus diesen bereinigten Daten lassen sich das Alter und Veränderungen in der Expansionsgeschwindigkeit des Universums sowie die Dichten der sichtbaren und Dunklen Materie und der Dunklen Energie ableiten.

Die farbige Abbildung zeigt das im Weltraum schwebende Planck-Teleskop. Das Teleskop sieht rundlich aus und glänzt teils silbern.
NASA

Das neue Super-Teleskop: James Webb

Eineinhalb Millionen Kilometer von der Erde entfernt blickt seit 2022 ein neues Super-Teleskop in die Tiefen des Universums und schickt spektakuläre Bilder von Nebeln, Galaxien, Galaxienhaufen und mehr zurück zur Erde. Das James Webb Space Telescope ist ein Gemeinschaftsprojekt der NASA, der Europäischen Weltraumorganisation ESA und der kanadischen Weltraumorganisation CSA. Es wird einen noch tieferen Einblick in unsere Ursprünge geben als sein Vorgänger Hubble: von der Entstehung der Sterne und Planeten bis hin zur Geburt der ersten Galaxien im frühen Universum.

Die farbige Abbildung zeigt das im Weltraum schwebende James-Webb-Teleskop.
NASA
Die farbige Abbildung zeigt den Spiegel des James-Webb-Teleskops in einer großen Halle. Zwei Menschen in weißen Schutzanzügen stehen davor.
NASA

James Webb vs. Hubble

Warum wurde dieses Jahr ein neues, noch größeres Teleskop in den Weltraum geschossen? Was kann das James Webb was Hubble nicht kann?

Die NASA hat einen ausführlichen Artikel geschrieben, in dem das neue James Webb Teleskop mit dem Hubble Teleskop verglichen und beschrieben werden.

Wir kennen nur fünf Prozent des Universums

Die farbige Abbildung zeigt ein zylinderförmiges Gefäß, das mit vielen schwarzen und einigen weißen Kugeln gefüllt ist. Das Gefäß steht auf einem beigen Sockel und vor einer schwarzen Wand mit blauen Kreisen.
Leihgabe / Loan from: DESY Zeuthen
Schätzen Sie mal, wie viel Prozent dieser Kugeln weiß sind... Alles, was wir im Universum sehen, besteht aus gewöhnlichen Teilchen, also Materie. Diese Materie (die weißen Kugeln) macht allerdings nur knapp fünf Prozent des Universums aus. Man nimmt an, dass der große Rest aus Dunkler Materie und Dunkler Energie besteht (die dunklen Kugeln). Bisher konnte noch niemand sie nachweisen und untersuchen.

Blicke ins Universum

Werfen Sie einen Blick zurück in der Zeit mit unserer Bildergalerie von Galaxien, Nebeln und Sternenhaufen...

Die farbige Abbildung zeigt die aktive Sonne. Sie hebt sich dunkelgelb von dem Hintergrund des schwarzen Universums ab und ist von einem goldenen Lichterkranz umgeben.
NASA / SDO
Unsere aktive Sonne
Die farbige Abbildung zeigt den blauen Planet Erde aufsteigend über dem grau-schwarzen Horizont des Mondes.
Credit: NASA / GSFC / Arizona State University
Erde über dem Mondhorizont
Die farbige Abbildung zeigt die drei grau-schwarzen Säulen der Schöpfung im Adlernebel. Im Hintergrund sieht man rote Sterne im schwarzen Universum. Die Säulen sind von blauem Nebel umgeben.
NASA, ESA
Sternentstehung im Adlernebel
Die farbige Abbildung zeigt einen weiß-blauen Sternenhaufen und roten Nebel auf der rechten Seite. Im Hintergrund ist das schwarze Universum mit weißen Sternen.
ESO
Der junge Sternhaufen NGC 3293
Die farbige Abbildung zeigt einen weiß-blauen Sternenhaufen vor dem Hintergrund des schwarzen Universums.
ESO
Der alte Sternhaufen M7
Die farbige Abbildung zeigt bunten Nebel und weiße Sterne im Universum.
ESO
Sternenbrutstätte Carinanebel
Die farbige Abbildung zeigt einen Augen-förmigen Nebel im Universum. Die Mitte ist kreisrund und blau, umgeben von einem orangenen Ring.
NASA, ESA
Planetarischer Nebel Messier 57
Die farbige Abbildung zeigt einen hellblauen Nebel mit orangenen und grünen nach außen laufenden Ausfransungen. Im Hintergrund ist das schwarze Universum.
NASA, ESA
Krebsnebel: Supernova-Explosionswolke Messier 1
Die farbige Abbildung zeigt eine spiralförmige, hellblaue und weiße Galaxie mit einem hell leuchtendem Zentrum. Im Hintergrund ist das schwarze Universum.
ESO
Spiralgalaxie Messier 83, ein Zwilling unserer Milchstraße
Die farbige Abbildung zeigt einen bunten Nebel im Universum. Er hellblau und hat weiße Flecken und lilane Linien.
ESA, NASA
Wenn zwei Galaxien aufeinandertreffen
Die farbige Abbildung zeigt die Weiten unseres Universums. Vor schwarzem Hintergrund sind viele leuchtende Flecken in gelb, blau und weiß zu sehen, die teils wie Sterne, teils wie Spiralgalaxien aussehen.
NASA, ESA
Galaxienhaufen MACSJ0717 als optische Linse
Die farbige Abbildung zeigt die Weiten unseres Universums. Es sind sehr viele kleine Punkte zu sehen. Ein paar Punkte sind größer und leuchten in orange, blau, lila, rot und gelb. Bei ein paar der größeren Punkte kann man die spiralförmige Struktur einer Galaxie erkennen.
NASA, ESA
Tiefer Blick zurück in die Vergangenheit