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Unsichtbares Universum

Unsichtbares Universum

Etwa 380.000 Jahre nach dem Urknall erreichte unser noch verhältnismäßig junges Universum einen wichtigen Meilenstein. Es war noch sehr heiß, aber gerade kühl genug, dass sich aus den bis dahin frei herumfliegenden Elektronen, Neutronen und Protonen neutrale Atome bilden konnten. Die Lichtteilchen, Photonen, die in der Zeit davor immer wieder neu entstanden sind und absorbiert wurden, konnten sich plötzlich frei bewegen – auf einmal wurde das Universum durchsichtig. Im Umkehrschluss bedeutet das aber auch, dass vor diesem Zeitpunkt kein Licht aus dem „heißen Brei“ entkommen konnte. Teleskope bringen uns hier nichts mehr – die Wissenschaft musste andere Geräte entwickeln, um dem frühen Universum auf die Spur zu kommen: Teilchenbeschleuniger.

Die kosmische Hintergrundstrahlung

Der „Blick durchs Fenster“ zeigt die Verteilung der kosmischen Hintergrundstrahlung. Diese ist ein Überbleibsel des Urknalls – und ist damit das älteste Licht der Welt. Seine Eigenschaften lassen Rückschlüsse auf den Zustand des Universums zu, als es ca. 380.000 Jahre nach dem Urknall „plötzlich“ durchsichtig für diese Strahlung wurde. Zu dieser Zeit war das Universum fast perfekt homogen – ähnlich der Oberfläche eines Sees bei Windstille. Die hellen und dunklen Bereiche zeigen in mehr als 10.000-facher Kontrastverstärkung die winzigen Dichteschwankungen dieses frühen Universums. Aus diesen Schwankungen entstanden die heutigen Sterne und Galaxien. Die kosmische Hintergrundstrahlung ist daher der direkte Beweis dafür, dass die Urknalltheorie höchstwahrscheinlich stimmt, weil sie konsistent mit unseren Beobachtungen ist.

Aus der kosmischen Hintergrundstrahlung lassen sich alle wesentlichen Eigenschaften unseres Universums wie Alter, zeitliche Entwicklung und Dichte ableiten.

Die farbige Abbildung zeigt ein großes Oval vor schwarzem Hintergrund. Es sind viele kleine Flecken in orange, grün und dunkelblau zu sehen.
Damien P. George
Aufnahme: Planck-Weltraumteleskop

Das erste Licht des Universums

Photonen, also Lichtteilchen, konnten das junge, sehr heiße Universum nicht ungehindert durchqueren. Ständig stießen sie mit freien, elektrisch geladenen Protonen und Elektronen zusammen. Erst nachdem das Universum auf 2.700 Grad abgekühlt war, konnten sich neutrale Atome bilden. Nun konnten die Photonen ungehindert passieren und durch das Universum reisen. Diese Photonen bildeten die kosmische Hintergrundstrahlung, die noch heute beobachtet werden kann.

Funkenkammer

Die farbige Abbildung zeigt unten in braun den Erdboden und darüber von hell- bis dunkelblau die Luftschichten unserer Atmosphäre. Links sind die Schichten der Atmosphäre beschriftet sowie eine Höhenskala in Kilometern. Von rechts oben zeigt ein weißer Pfeil leicht schräg nach unten (primäre kosmische Strahlung). Auf Höhe der Mesosphäre beginnt dieser Pfeil sich ähnlich wie ein Blitz zu verzweigen. Es zeigen grüne, rote und gewellte schwarze Linien bis zum Erdboden. Jede dieser Linien ist beschriftet mit einem Buchstaben; die Legende welche Teilchen welcher Buchstabe meint steht darunter in weiß. In der Mitte des Bildes sind in weiß zum Vergleich eingetragen wie hoch der Mount Everest ist, die Flughöhe eines Flugzeugs und eines Wetterballons, aus welcher Höhe Felix Baumgartner gesprungen ist und wie hoch über der Erde Satelliten kreisen.
DESY Zeuthen
Die Blitze, die Sie hier sehen und hören, sind echte Teilchen aus dem All, von unserer Funkenkammer sichtbar gemacht. Diese Teilchen fliegen auch die ganze Zeit durch uns hindurch, wir merken nur nichts davon. Wir sind ständig dieser geringen, aber messbaren Strahlung in Teilchenform ausgesetzt. Ein Teil dieser Strahlung ist die Folge von Zusammenstößen hochenergetischer Teilchen aus dem Weltall mit Atomen unserer Atmosphäre. Aus dem Teilchenschauer können nur die Myonen die Erdoberfläche erreichen. Diese Teilchen sind elektrisch geladen und hinterlassen für kurze Zeit eine unsichtbare Spur von geladenen Gasteilchen. Die Funkenkammer macht diese Ionisationsspur sichtbar. Legen Sie die Hand in die Funkenkammer und beobachten Sie, wie die Teilchen einfach durch sie hindurch fliegen. Das geschieht die ganze Zeit!

Nebelkammer

Diese Nebelkammer macht unsichtbare geladene Teilchen sichtbar, die uns ständig umgeben. Die Kammer ist mit einem übersättigten Luft-Alkohol-Gemisch (Ethanoldampf) gefüllt. Wenn ein geladenes Teilchen das Gas durchquert, ionisiert es einzelne Atome des Gases. Wie ein Kondensstreifen eines Flugzeugs am Himmel wird so die Flugbahn des geladenen Teilchens als Kondensationsstreifen sichtbar, weil die Ionen zu Kondensationskeimen werden, an denen sich der gesättigte Alkoholdampf niederschlagen und sichtbare Spuren hinterlassen kann.

In der Ausstellung: Verschiedene Teilchen hinterlassen übrigens verschiedene Spuren: Wenn Sie länger hinsehen, können Sie sicher eine ganze Reihe von verschiedenen Spuren beobachten.

Jan Köchermann

Frasseks Raumsammler / Film, 2018
Frasseks Keller, 2018
Frassek Raumsammler / Modell, 2018

In den 1960er Jahren erfand der vergessene Teilchenphysiker Hubertus M. Frassek ein Auto mit Auffangtrichter als Messgerät, um die Existenz winziger schwarzer Löcher zu beweisen. Jan Köchermann ließ seinen Nachbau von Frasseks Raumsammler 2017 erstmals auf dem Hamburger DESY-Gelände nach schwarzen Kleinstlöchern suchen: Ausgangspunkt eines künstlerischen Forschungsprojekts, das sich in multiplen Formen manifestiert hat. In verwackelten Sepia-Tönen folgt Köchermanns Super-8-Film dem exzentrischen Wissenschaftler Frassek bei dessen spaciger Mission im Trichterfahrzeug. Eine Guckkasteninstallation wiederum gibt den Blick frei auf Frasseks Keller, in dessen Tiefen ein dunkler Strudel wie ein schwarzes Loch ins Nichts führt. Als Miniaturreplik verweist der Raumsammler auf die fantasiegesteuerten Vehikel kühner Visionen, die wissenschaftlicher Erkenntnis als entscheidender Antrieb auf die Sprünge helfen. Köchermanns räumliche Interventionen und Konstruktionen sind Modelle einer erweiterten Wahrnehmung. Sie geben dem Undenkbaren Gestalt und machen das Unsichtbare greifbar – auch über Frasseks Raumsammler hinaus.

App „Trapped in Gravity“

Warum sind schwarze Löcher schwarz? Was sind Gravitationswellen? Und was können wir durch die Beobachtung von Gravitationswellen über das Universum lernen? Die Game-App Trapped in Gravity bietet spielerische Einblicke in die Physik hinter Masse, Gravitationskräften und Schwarzen Löchern. Entwickelt wurde das Spiel von Forscher:innen des Exzellenzclusters Quantum Universe.

Hier lesen Sie mehr dazu oder können das Spiel direkt herunter laden.

Geheimnisvolle Dunkle Materie

Rund 26 Prozent des Universums werden von einer Materieform bestimmt, die wir bisher noch nie direkt gesehen haben.

Diese sogenannte Dunkle Materie kann im Gegensatz zur sichtbaren Materie weder Licht ausstrahlen noch Licht absorbieren und ist daher für uns unsichtbar. Man kann sie bisher nur durch ihre Gravitationswirkung auf die sichtbare Materie indirekt nachweisen.

Forscherinnen und Forscher vermuten, dass die Dunkle Materie nicht immer „unsichtbar“ war. Bruchteile einer Sekunde nach dem Urknall – als das Universum mit einem heißen Plasma gefüllt war – trat sie mit der uns bekannten Materie in rege Wechselwirkung. Bei Zusammenstößen von Teilchen der uns bekannten Materie entstanden neue Teilchen von Dunkler Materie. Bei der weiteren Abkühlung des Universums blieb ein Rest der Dunklen Materie bestehen.

Die farbige Abbildung zeigt drei rot gerahmte Würfel. Der Würfel ganz links ist ziemlich gleichmäßig gefüllt von einem bläulich-weißen Nebel. Kleine gelbe Punkte sind wie zufällig verstreut in dem Nebel. In dem Würfel ganz rechts bildet der bläuliche Nebel Stränge, die ein Netz formen. Gelbe Punkte sammeln sich entlang der Stränge. Der mittlere Würfel ist gefüllt mit einem Mittelding zwischen gleichverteiltem Nebel und klar erkennbaren Strängen.
mpa, Garching
Verteilung der Dunklen Materie (Simulation): Durch Dunkle Materie (blau) entsteht Struktur im Universum. Die Anordnung der Sterne und Galaxien (gelb) folgt der Verteilung der Dunklen Materie.

Dunkle Materie Simulator

Hier können Sie auf eine kleine Schnitzeljagd nach Dunkler Materie gehen. Finden Sie heraus wo sich zusätzliche Masse befinden muss, allein anhand der Bewegung von kleinen Test-Teilchen?

Dunkle-Materie-Halos

In den Außenbereichen von Spiralgalaxien rotieren Sterne so schnell um das Galaxienzentrum, dass die Galaxien eigentlich auseinanderfliegen müssten. Man schließt daraus, dass die Galaxien in eine geheimnisvolle Materieform eingebettet sind, die sie zusammenhält. Dieser Halo aus Dunkler Materie lässt sich aus den Bewegungen der Sterne berechnen.

In der Ausstellung: Verändern Sie den Prozentanteil der Dunklen Materie und beobachten Sie, wie sich die Umlaufgeschwindigkeit der Sterne ändert.

Hinein ins Unsichtbare

In der Ausstellung: Hereinspaziert, hereinspaziert – wenn Sie sich trauen! Hinter diesem Vorhang beginnt das Universum, das wir nicht mehr mit Teleskopen erforschen können. Als das Universum jünger als 380.000 Jahre alt war, war es so heiß und hat so stark gestrahlt, dass uns der Zugang dazu wie von einer Lichtwand versperrt wird. Diese Zeit kann man nur mit Hilfe von Teilchenbeschleunigern erforschen.