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Im Alltag vergessen wir bei unserem Streben, dass hinter dem Blau des Himmels, hinter den weißen oder grauen Wolken stets und immer sich Milliarden von Sternen verbergen und wir ein winziger Teil von ihnen sind. Erblickst Du den Himmel in einer "sternklaren" Nacht, empfindest Du vielleicht Glück und Dankbarkeit für die Beständigkeit der Welt. Anders als am Tag stellt sich eine andächtige Stimmung ein. Du stehst in der Kathedrale der Ewigkeit und kannst nicht fassen, wie unermesslich viele Sterne da oben als ferne Welten leuchten. Wenn die Umgebung nicht vom Licht-Smog unserer Städte erhellt ist, erkennst Du das Band der Milchstraße - als Seitenansicht des inneren Teils unserer Heimatgalaxis - und es wird klar, dass die altbekannten Sternbilder nur die hellsten und nächsten Sterne sind und dass da noch viel mehr ist. Die Verteilung der sichtbaren Sterne im Raum und damit die Gestalt unserer "eigenen" Galaxis ist aus unserer Perspektive mitten drin nicht leicht zu erschließen. Aber mit Teleskopen können wir andere Galaxien in allen möglichen Orientierungen beobachten, darunter auch scheibenförmige Spiralgalaxien, vergleichbar unserer Milchstraße.
Nach dem Standardmodell hatte sich die ursprünglich sehr gleichmäßig verteilte Materie nachdem sie mit der Ausdehnung des Raums genügend abgekühlt war unter der Wirkung gravitativer Kräfte in Regionen mit anfangs minimal höherer Dichte gesammelt. Die als Relikt des Urknalls entstandene Dunkle Materie wird als Kondensationskeim solcher Masseansammlungen angesehen. Spekuliert wird, an der Entstehung der heute im Zentrum größerer Galaxien immer vermuteten supermassiven Schwarzen Löcher könnte Dunkle Materie entscheidend mitgewirkt haben. Computersimulationen des frühen Universums - wie von Carlos Frank - erzeugen ein mit dem heutigen Universum einschließlich der Spralgalaxien gut übereinstimmende Strukturen, wenn kalte Dunkle Materie als Gravitationsursache beteiligt ist. Wie dem auch sei, nach einer dunklen Periode leuchteten etwa nach etwa 180 Millionen Jahren erste Sterne - man spricht auch vom Zeitalter der Reionisierung (wenn also aus Atomen Hüll-Elektronen entfernt sind). Nicht verstanden sind einige riesige Galaxien, die anscheinend schon 600 Mionen Jahre nach dem Urknall existiert haben könnten. Bisher ging man davon aus, dass zunächst kleinere Protogalaxien aus den ersten Sterne geformt haben. Genauere Einblicke in diese Frühphase der Entstehung von Galaxien verspricht das "James Webb Space Telescope"(JWST). Seinen Bestimmungsort L2 erreichte es am 24. Jan. 2022, man hofft dieser Hubble-Nachfolger, der Bilder im sichtbaren Bereich erzeugt, auch durch Kobination von Bildern beider Telescope neue Erkenntnisse zu gewinnen. Das JWST könnte bis 2031 arbeitsfähig bleiben und mit seiner Infrarottechnik auf früheste Galaxien zurückblicken können sowie durch Staub im Weltraum besser hindurch sehen zu können. Man hofft auch die Atmosphäre von Exoplaneten analysieren zu können. Einen ersten Exoplaneten LHS 475b entdeckte es bereits. Er umkreist einen Stern mit halber Sonnenmasse und ist offenbar einige 100°C heiß.
Bei der Entstehung komplexer Strukturen wie Balken-Spiralgalaxien entsprechend unserer Milchstraße scheinen Galaxienkollisionen eine wichtige Rolle gespielt zu haben.Heute besteht das Universum vorwiegend aus großen fast leeren blasenförmigen Räumen ("voids"), die wie bei einem Schwamm umgeben sind von dünnennetzförmigen Bereichen, die vielleicht 15% des Raums ausfüllen und in den Strängen gasförmige Materie, in den Knoten Galaxienhaufen und Superhaufen enthalten. Die intergalaktischen voids sind die Heimat der Dunklen Energie. Materie ist überwiegend Dunkle Materie und nur ein kleiner Teil (vielleicht 18%) besteht aus baryonischen Teilchen der uns vertrauten Welt. Diese Dunkle Materie ist trotz intensiver Suche bisher nicht direkt - etwa als Teilchen in Beschleunigeranlagen - nachgewiesen. Teilchen der Dunklen Materie müssten überall vorhanden sein, ihr direkter Nachweis wäre dagegen kaum möglich, wenn sie ausschließlich mit der Gravitation wechselwirken könnte, also an keiner der anderen Wechselwirkungen teilnimmt. Und danach sieht es ja derzeit aus. Im Gedankenexperiment können wir uns dennoch ein frei im Raum schwebendes Gitter aus Atomen vorstellen, das beim Vorbeiflug eines solchen Teilchens der Dunklen Materie sehr gering verformt werden sollte. Auf die Anwesenheit Dunkler Materie wird indirekt ja aus ihrer Gravitationswirkung geschlossen. Man nimmt ja an, diese Materie besteht aus schweren sich langsam bewegenden (kalten) Teilchen, die vielleicht ausschließlich über die gravitative Wechselwirkung untereinander und mit den sonstigen Teilchen interagieren. Belege für ihre Anwesenheit finden sich bisher nur wegen ihrer Schwerkraftwirkung etwa bei den beobachteten Gravitationslinsen. Schon Fritz Zwicky hatte bemerkt, dass die Bewegung von Galaxienhaufen erst durch deren Gravitationswirkung plausibel ist. Die Stabilität der Bewegung der Galaxien innerhalb von Galaxienhaufen und die Stabilität der Galaxien selbst mit den Bahnen ihrer äußeren Sterne können mit Dunkler Materie erklärt werden. All dies lässt sich mit der Gravitation der sichtbaren Materie allein nicht erklären und zwar einschließlich der Masse von Schwarzen Löchern und von Neutrinos. Im Comahaufen - einem 400 Millionen Lichtjahre entfernten Galaxienhaufen - hat man ein Verhältnis zwischen Dunkler Materie, Gaswolken und Sternmaterie mit 87:11:2 bestimmt. Heute befindet sich durchschnittlich im Universum weniger als ein Proton je m3 Raum (dagegen jedoch 370 000 000 Neutrinos je m3), es gibt also riesige leere Räume, nahezu völlig materielos. Selbst die Materiekonzentration innerhalb einer Galaxie enthält im Mittel nur 106 baryonische Teilchen in einem m3. Bei einer Galaxienkollision durchdringen sich vor allem leere Räume, Sternzusammenstöße sind Ausnahmen. Deshalb ist der Weltraum fast überall so durchsichtig und "Raumfahrten" sind ohne nennenswerte Reibungsverluste möglich. In Milliarden von Jahren bis zu unserer Zeit hat sich eine individuelle Architektur jeder Galaxie entwickelt und dieser Prozess dauert an. Dabei ist ein Reichtum an unterschiedlichen Strukturen entstanden, der uns staunen lässt. Der Kosmos ist erfüllt von zahllosen Schönheiten, "Kathedralen des Himmels". Dabei muss uns bewusst bleiben, dass unserer unmittelbaren Beobachtung nur die baryonische Materie zugänglich ist: Wir sehen das Licht von Sternen, seltener auch von gas- oder staubförmigen Wolken, die den größten Anteil an der baryonischen Materie bilden. Vielleicht war unsere Milchstraße anfangs eine elliptische Galaxie und ihre spiralförmige Struktur hat sich erst im Laufe der Zeit entwickelt. Bei der Ausbildung der Spiralarme können Magnetfelder (entstanden bei Supernova-Explosionen) eine Rolle gespielt haben, so dass ionisiertes Gas sich nur in Richtung der Feldlinien (dem Spiralarm) bewegen und nicht seitlich ausweichen konnte. Die Sterndichte nimmt in "unserer" Milchstraße vom zentralen Bereich (Bulge) nach außen hin ab. Ein kugelförmiger Bereich (Halo) schließt die Galaxis in den Raum hinausgreifend ab. In ihm befinden sich Vorräte an Wasserstoff- und Heliumgas und vergleichsweise wenig Sterne aber Kugelsternhaufen aus Sternen gleichen Ursprungs. Der Halo besteht hauptsächlich aus unsichtbarer Dunkler Materie, deren Dichte unserer Vorstellung nach erst weit entfernt vom Zentrum abnimmt. Nur so kann - wie schon gesagt - die sichtbare Struktur einer Galaxie erklärt werden, Sterne im äußeren Bereich bewegen sich im Unterschied zu einem Planetensystem viel schneller um das Zentrum. Senkrecht zur Ebene der Milchstraße wurden Blasen mit heißem Gas entdeckt (50000 Lichtjahre ausgedehnt eRosita-Blasen und 35000 Lichtjahre große Fermi-Blasen). Man kann spekulieren, es seien Relikte aus der Frühphase unserer Galaxis, als das zentrale Schwarze Loch noch sehr aktiv war und mit Gas gemästet wurde.
Alle Galaxien haben ihre eigene Historie, sie "leben" und entwickeln sich in kosmischen Zeiträumen ständig weiter. Sie erleben etwa Phasen der Entstehung vieler neuer Sterne - etwa während Galaxienkollisionen - und leuchten in dieser Zeit heller. Über ihre Geburt nach dem Urknall wissen wir noch wenig, gerade noch beobachtbare Protogalaxien und Quasare sind ja entfernteste Objekte und sie entfernen sich weiter extrem schnell von uns wie ihre Rotverschiebung im Spektrum anzeigt. Einiges deutet auf eine besondere Rolle des supermassiven Schwarzen Lochs hin, das sich in deren Zentren befindet. Und kalte Dunkle Materie - durch ihre eigene Gravitation in "Klumpen" vereinigt - war unentbehrlich für die Entstehung und Entwicklung aller Galaxien. Widersprüchlich sind Beobachtungen von einigen jungen 4 Milliarden Jahre alten Galaxien, deren Bewegungsmuster sich fast ohne Dunkle Materie erklären lässt, also abweichend von älteren Galaxien und auch schon die scheibenförmig geformte junge Galaxie SPT0418-47. Man kann ja die Dynamik von Galaxien im heutigen Entwicklungsstadium nur mit einem hohen Anteil Dunkler Materie erklären. Die - nimmt man ja an - sollte in einem sehr frühen Stadium des Urknalls entstanden sein, also bei der Bildung von Galaxien schon vorhanden und federführend gewesen sein. Die heutige Vielfalt an Galaxien lässt neben irregulären grob zwei reguläre Formen erkennen: elliptische (oder nahezu kugelförmige) fast ohne oder nur geringem resultierenden Gesamtdrehimpuls ihrer um das Zentrum kreisenden Sterne und scheibenförmige mit Gesamtdrehimpuls senkrecht zur Scheibe. Etwa jede 8. der größeren Galaxien ist nahezu kugelförmig vom elliptischen Typ manchmal mit einer bis drei unterschiedlichen Achsen als Vorzugsbewegung ihrer Sterne. Meist aber bewegen sich Ihre Sterne ungeordnet vergleichsweise schnell in allen Richtungen auf nicht geschlossenen Bahnen um ein zentrales Schwarzes Loch. Dieses kann in Galaxien von diesem Typ extrem massereich sein ("supermassiv" mit einigen Milliarden Sonnenmassen). Auf den irregulären Bahnen haben ihre Sterne Material eingesammelt, so dass interstellares Gas in elliptischen Galaxien jetzt selten ist, weshalb ihre Sterne vorwiegend der selben Generation angehören. Dennoch können sich noch neue Sterne bilden, denn Wasserstoff strömt aus dem umgebenden Raum in die Gravitationsdelle jeder Galaxie nach. Die Stabilität der elliptischen Galaxie entsteht auf diese Weise fast ohne gleichgerichtete Drehbewegung aller Bestandteile - wobei es jedoch auch Übergangsformen zu Scheiben-Galaxien gibt und besonders kleine elliptische Galaxien zusätzlich etwas rotieren können. Die Hälfte aller Galaxien ist heute immer noch vom irregulären Typ. Meist sind es kleine Zwerggalaxien, die ihres hohen Anteils an Dunkler Materie und ihrer geringen scheinbaren Helligkeit wegen nur in unserer Nachbarschaft zu beobachten sind. Deshalb muss man mit Prozentangaben zu Galaxientypen vorsichtig sein. Vielleicht gibt es sogar unsichtbare dunkle "Galaxien" aus Wasserstoffgas und Dunkler Materie. Da die Entfernungen zwischen Galaxien nicht immer groß sind verglichen mit ihrer eigenen Ausdehnung (typisch war diese Situation im jungen Universum), werden Zwerggalaxien häufig von großen Nachbarn einverleibt. Kollisionen und Kannibalismus spielten besonders im jungen Universum eine wichtige Rolle bei der Entwicklung einer elliptischen oder scheibenförmigen Gestalt. Zunächst war es von zahllosen irregulären kleinen Zwerggalaxien bevölkert, aus deren Zusammenschluss sich größere Galaxien auch durch Zustrom von interstellarem Gas gebildet haben. Der Entstehungsprozess supermassiver Schwarzer Löcher in ihrem Zentrum profitiert davon. Besonders große elliptische Galaxien beherbergen auch ein besonders massereiches Schwarzes Loch. Der Entstehungsprozess supermassiver Schwarzer Löcher (mit bis zu 40 Milliarden Sonnenmassen) in der Frühphase des Universums gibt noch Rätsel auf, denn die massive Annäherung von Materie wird durch den Strahlungsdruck der gewaltigen Leuchtkraft von Quasaren verhindert zumindest hinausgezögert. Sie können nicht aus der Vereinigungen von stellaren Schwarzen Löchern entstanden sein, wie sich im jetzigen Universum mit Gravitationswellen beobachten lässt. Ein solcher Prozess hätte viel mehr Zeit erfordert als das Universum alt ist. Es fehlen Zwischenstufen zwischen stellaren Löchern mit einigen Sonnenmassen und den supermassiven Löchern im Zentrum der Galaxien. Wie diese massiven Schwarzen Löcher sich in der Frühphase des Universums bilden konnten ist daher kaum verstanden. Astronomen interessieren sich für so genannte Saatlöcher mit einigen 100 bis zu 1000den Sonnenmassen als Ausgangsmaterial solcher supermassiver Schwarzer Löcher. Bisher sind nur wenige Hinweise auf solche bekannt. Immerhin existierte bereits 900 Millionen Jahre nach dem Urknall ein Schwarzes Loch mit 12 Milliarden Sonnenmassen (Quasar SDSS J0100+2802). Und es gibt Beispiele von Quasaren wie J1007+2115 mit 1,5 Milliarden Sonnenmassen, die früh existierten (schon 700 Millionen Jahre nach dem Urknall) oder wie J1342+0928 mit 800 Millionen Sonnenmassen nach 690 Millionen Jahre und J0313-1806 sogar mit 1,6 Milliarden Sonnenmassen schon nach 670 Millionen Jahren. Man kann davon ausgehen, dass supermassive Schwarze Löcher sich in der Jugendphase des Universums aus abgekühltem Gas hoher Dichte - Wasserstoff und Helium - unmittelbar direkt bilden konnten, dafür also nicht die länger dauernde Vereinigung vieler Saatlöcher notwendig war (direct collapse black hole). Vielleicht sind sie anfangs vorwiegend aus Dunkler Materie entstanden. Die genannten Quasare so kurz nach dem Urknall könnten darauf hindeuten. Immerhin konnten mit dem Hubble-Teleskop Doppelquasare mit einem Alter von 10 Milliarden Jahren entdeckt werden (J0749 + 2255 und J0841 + 4825), die bei der Vereinigung ihrer Galaxien einen Massensprung bewirken würden, was im frühen Universum mit seiner geringeren Ausdehnung ja wahrscheinlicher gewesen ist. Mit LBQS 1429 - 008 ist sogar ein System aus 3 einander umkreisenden Quasaren bekannt, wobei man annehmen kann, dass einer der 3 Urgalaxien in den leeren Weltraum geschleudert werden könnte. Dass auch im jetzigen Entwicklungsstadium des Universums supermassive Schwarze Löcher sich vereinigen können, zeigt sich am Beispiel Milchstraße und Andromeda, deren gemeinsamer Tanz in 3 Milliarden Jahren beginnen kann. Die Frühphase des Universums wird hoffentlich mit dem James Webb Telescope (Arbeitsfähigkeit begann 2022) im Infrarotbereich und auch mit Gammastrahlenteleskopen (Tscherenkowteleskopen) noch Geheimnisse preisgeben. Merkwürdig sind auch Ringgalaxien wie etwa R5519 10,8 Milliarden Lichtjahre entfernt und damit entsprechend alt, welche vermutlich ein supermassives Schwarzes Loch beinhaltet. Das Alter unserer Heimatgalaxis Milchstraße schätzen Astronomen widersprüchlich auf mindestens 9 Milliarden Jahre (das Alter des Universums auf 13,787 +- 0,02 Mia Jahre). Sie besteht anscheinend aus 2 Scheiben unterschiedlicher Dicke, wobei eine innere dünner und jünger sein soll, etwa 10 Milliarden Jahre alt, vermutlich im Zusammenhang mit einer Phase zahlreicher Sternentstehungen. Das könnte durch eine Galaxienkollision bewirkt worden sein. Älteste Galaxien wurden bisher mit dem Hubble-Teleskop identifiziert etwa GN-z11 mit dem Alter von 13,4 Milliarden Jahren (Rotverschiebung z=11,1). Sie existierten demnach schon 400 Millionen Jahre nach dem Urknall und waren 25-fach kleiner als die Milchstraße heute.
Der Zeitablauf der Wachstumsprozesse von Galaxien scheint vielfältig zu sein: elliptische Galaxien verschlingen benachbarte Protogalaxien dank ihrer Größe und starken Gravitation vergleichsweise schneller, während sich Scheibengalaxien in einem lang dauernden Prozess formen und am Ende ein resultierender Gesamtdrehimpuls übrig bleibt. Von diesem Typ ist heute mindestens jede dritte größere Galaxie, manche Astronomen geben einen höheren Anteil bis zu 70% an. In diesen linsen- oder scheibenförmigen Galaxien ist noch viel interstellares Gas gravitativ gebunden und führt Dichteschwingungen aus. Neue Sterne entstehen in solchen Bereichen höherer Dichte, die Scheibe erscheint deshalb oft wie eine Spirale - oder eben selten als Ring - denn Sterne hoher Leuchtkraft leuchten konzentriert in Armen inmitten der Gas- und Staubwolken. Sterne entstanden zuerst im Zentrum (Bulge) mit seiner größeren Gasdichte. Die Randbereiche der Scheibe sind mit durchschnittlich jüngeren Sternen bevölkert, wobei Sterne wegen der gravitativen Wechselwirkung im Vielkörpersystem keine festgelegte Position innerhalb des Systems behalten. Doch aus stärkeren Abweichungen ihrer Bahn und Unterschieden im Spektrum wird erkannt, dass einige Sterne unserer Milchstraße ursprünglich aus anderen Galaxien stammen. Darunter gibt es "Super-Schnellläufer" als Besucher von einer fernen Galaxie. Sie könnten ein Stern von einem ursprünglichen Doppelsternsystems sein, dessen anderer Stern von einem Schwarzen Loch eingefangen wurde. Wie Sterne können auch Kometen, Waisenplaneten oder Asteroiden als ferne Besucher aus dem interstellaren Raum auftauchen. Oder sie stammen aus benachbarten Zwerggalaxien wie Sagittarius Zwerggalaxie und der großen Magellanschen Wolke und sind während einer Durchdringung unserer Galaxis bei ihr verblieben. Bei der Durchdringung zweier Galaxien bilden sich Schockwellen im interstellaren Gas, die eine Periode intensiver Sternentstehung bewirken. Anlässlich einer Begegnung mit der Sagittarius Zwerggalaxie kann so unser Sonnensystem entstanden sein. Das Roman Space Telescope der NASA soll ab 2025 eine neue Etappe bei der Suche nach solchen Objekten einläuten.
Da im interstellaren Gas Fusionsprodukte vorangehender Sterngenerationen enthalten sind, können besonders scheibenfömige Galaxien Planeten mit fester Kruste und letztlich auch ökologische Nischen für die Entstehung von Leben beherbergen. Fast alle Bestandteile der Scheibe haben eine Vorzugsgeschwindigkeit um das Zentrum, in dem wahrscheinlich sogar immer ein massives Schwarzes Loch residiert. Dieses kann anfangs während seiner Zeit hoher Aktivität mit seiner Strahlung dazu beigetragen haben, dass im äußeren Bereich der Galaxis Gas verdünnt wurde. So konnte ein lebensfreundlicher Bereich mit weniger häufigen Supernova-Explosionen entstehen.
Man kann man vereinfacht sagen: Vom Zentrum ausgehend steigt die Umlaufgeschwindigkeit der Sterne zunächst mit wachsendem Abstand im Mittel so, dass eine konstante Winkelgeschwindigkeit (oder konstante Umlaufzeit wie bei einem festen Körper) beobachtet wird. Das ist eine Folge der gravitativen Kopplung ("dynamische Reibung") all der zahllosen Masseelemente einschließlich besonders der Dunkler Materie und von Gaswolken. Im Zeitverlauf werden Anteile des Drehimpulses nach außen transportiert, Materie im inneren Bereich rückt näher ans Zentrum, äußere Regionen werden ausgedünnt. In manchen Fällen bildet sich eine balkenförmige Gestalt. Weit außen bleibt dagegen die Geschwindigkeit über einen weiten Entfernungsbereich vom Zentrum nahezu gleich, die Umlaufzeit vergrößert sich so entsprechend mit wachsendem Radius der Umlaufbahn. Man erklärt sich dieses Verhalten mit der Anwesenheit von Dunkler Materie tendenziell mehr in äußeren Bereichen des Systems, etwa dem kugelförmigen Halo, vielleicht sogar auch zwischen benachbarten Galaxien. Die Verteilung der Dunklen Materie im Halo - auf die ja nur aus der Anwesenheit und Bewegung von leuchtender Materie geschlossen werden kann - ist noch nicht genau bekannt. Bei linsenförmigen Galaxien gibt es nicht nur eine dynamisch stabile Architektur in einer Ebene mit einer dazu senkrechten Rotationsachse. Stabil können auch einander durchdringende Formen mit bis zu drei rechtwinklig zu einander stehenden Achsen sein. Tatsächlich können so genannte Polarringgalaxien beobachtet werden mit zwei rechtwinklig zueinander stehenden Achsen. Bei unserer Milchstraße gibt es Hinweise auf einen Gasring rechtwinklig zur Scheibenebene. Vielleicht ist das ein Hinweis auf eine ringförmige Konzentration von Dunkler Materie im Halo. Man nimmt heute an, dass Dunkle Materie für die ursprüngliche Massekonzentration bei der Entstehung von Galaxien die wichtigste Rolle gespielt hat. Dichteschwankungen konnten in ihr früher entstehen als in baryonischer Materie, denn sie kennt keine Wechselwirkung mit elektromagnetischer Strahlung, die solche Unterschiede im jungen anfangs strahlungsdominierten Kosmos einige 1000 Jahre auszugleichen bemüht war. Die baryonische Materie befand sich im Spannungsfeld zwischen nach außen gerichtetem Strahlungsdruck und nach innen wirkender Gravitation, was einen Schwingungszustand bewirkt hat. In den ersten Sekunden nach dem Urknall war die Temperatur noch so hoch, dass Wasserstoff zu Helium fusionieren konnte (etwa ein viertel der ursprünglichen Masse) - mit dem Ergebnis einer gewaltigen Erwärmung nur der baryonischen Materie. Dunkle Materie konnte sich deshalb schneller mit der Expansion des Universums abkühlen und der Massenanziehung folgend zu Filamenten verklumpen. Als Folge der gravitativen Kopplung folgte baryonische Materie den Dichteschwankungen der Dunklen Materie. Letztlich schreibt man der Dunklen Materie die Führung für die Architektur aller Materie im Universum zu, denn die baryonische "normale" Materie sammelte sich in ihrem Schlepptau in dem kosmischen Netz, in dem sich heute Galaxien und Gasvorräte befinden. Da die Dunkle Materie vermutlich nur an der gravitativen Wechselwirkung teilnimmt, spürt sie vielleicht keinen Druck, wenn sie komprimiert wird, könnte auch als Keimzelle für supermassive Schwarze Löcher im Zentrum der Galaxien gesorgt haben. Mit wachsender Ausdehnung ist die Temperatur immer weiter gesunken, Elektronen blieben an Atome gebunden (Rekombination). Im nun massedominierten Kosmos bildeten sich schließlich Wasserstoffmoleküle aus den ersten Atomen. Das Baryonen-Gas wird damit zur treibenden Kraft bei der weiteren Konzentration von Materie. Bei diesem Vorgang wird Gravitationsenergie in Bewegung der Gasmoleküle - also Wärme - umgewandelt. Das würde einer weitere Materieansammlung entgegenwirken. Die Gasmoleküle können die Wärme jedoch im nun durchsichtigen Kosmos als elektromagnetische Strahlung in den sich ausdehnenden umgebenden Raum abgeben, sich abkühlen. Man spekuliert die im Zentrum fast aller Galaxien befindlichen massiven Schwarzen Löcher könnten sich aus primordialem Gas unmittelbar ohne Zwischenstufe über einen Stern gemästet haben. Und erste riesige Sterne entstanden durch die sich unter ihrer eigenen Schwerkraft verdichtenden Wasserstoffwolken. Die Kernfusion in ihrem Inneren bewirkte schließlich Energiefreisetzung. Die abgegebene Strahlung heizt das Gas in der Umgebung auf, bricht Molekülbindungen auf und der Strahlungsdruck verhindert eine weitere Vergrößerung des neuen Sterns und auch eine weitere Sternentstehungen im Umkreis. Die bislang größte ermittelte Masse eines Sterns sind 265 Sonnenmassen (R136a1). Solche erste Sterne mit vielfacher Sonnenmasse haben ein besonders kurzes Leben und hinterlassen nach einer fulminanten Supernovaexplosion (vom Typ II) ein Schwarzes Loch, das durch im jungen Kosmos noch reichlich vorhandenes Gas aus der Umgebung gefüttert werden kann und Masse gewinnt (wie beim aktiven Kern einer jungen Galaxie: Quasar). Es gibt auch Kosmologen, die einen Typ Supernova als Unnova bezeichnen, wenn ein Stern ohne Gammablitz und ohne sichbare Spuren verschwindet, also ohne weitere Spuren vielleicht zu einem Schwarzen Loch kollabiert.
Da Sterne mehr oder weniger schnell rotieren, wird der Teil des Drehimpulses vom Kernbereich des Sterns an das Schwarze Loch übertragen. Im Normalfall wird es deshalb auch rotieren und die umgebende Raumzeit in seine Rotation einbeziehen (Ergosphäre). In diesem umgebenden Bereich muss jede Materie demnach auch rotieren (mit der Ergosphäre). Die Singularität der Allgemeinen Relativitätstheorie im Zentrum des Schwarzen Lochs müsste demnach ringförmige Gestalt haben. Ein anwachsender Drehimpuls begrenzt das Wachstum eines durch zuströmende Materie gefütterten Schwarzen Lochs: Wenn die Umlaufgeschwindigkeit die Lichtgeschwindigkeit erreicht, kann sich keine Materie mehr in Umlaufrichtung annähern. An die Rotation der Raumzeit kann das rotierende Schwarze Loch Drehimpuls und Energie - also auch Masse - abgeben, seine Rotation verringern.
Bei der Entwicklung einer scheibenförmigen Galaxie um ein massives zentrales Schwarzes Loch kann sich ein "Materiebalken" ausbilden. Der hilft beim "Füttern", indem er Drehimpuls in der Galaxie nach außen transportiert. Schwarze Löcher bilden heute das Zentrum vieler - vielleicht fast aller - Galaxien. Ihre Masse ist um so größer, je größer die Galaxie ist etwa im Verhältnis 1:700. Die größten Massemonster - Ergebnis vielleicht auch der Vereinigung mehrerer supermassiver Schwarzer Löcher - residieren in elliptischen Galaxien. Die irregulären Bahnen der Sterne dieser Galaxien mischen das interstellare Gas mit ihren gravitativen Kräften ständig auf, so dass es rascher eingesammelt werden konnte. Obwohl ein solches zentrales Loch mehrere Milliarden Sonnenmassen enthalten kann, bestimmt es dennoch bei weitem nicht die Gesamtmasse "seiner" Galaxie. Immerhin kann es eine Rolle als "Geburtshelfer" der Galaxie gespielt haben. Die in Sternen oder anderen Körpern konzentrierte Materie kann Energie (und Drehimpuls) nicht so schnell verlieren, sie umkreisen das Zentrum auf unabsehbar lange Zeit im vom ursprünglichen Gas "gereinigten" Raum. Die ursprünglich vorhandene Akkretionsscheibe kann kollabieren - von außen beginnend fällt die Materie in die Rotationsebene zu Sternen zusammen. Die reinigen durch ihren Strahlungsdruck ihre Umgebung von Gas und können sich länger als das ursprüngliche Gas auf stabilen Bahnen um das schlafende Schwarze Loch bewegen, bei geringem Abstand unglaublich schnell (z.B. 10.000km/s). Das kann bei den uns nächsten Galaxienkernen (wie in der Milchstraße und Andromeda M31) beobachtet werden. Dunkle Materie schließlich kann ihre noch verbliebene Bewegungsenergie nur über gravitative Wechselwirkung an baryonische Materie sozusagen im Schlepptau übertragen und abgeben. Sie befindet sich durchschnittlich deshalb in größerem Abstand zum Zentrum einer Galaxie. Ihre Dichte ist wegen der gravitativen Bindung in Galaxien und Galaxienhaufen höher als in leeren Räumen dazwischen. Wenn zwei (Spiral-)Galaxien kollidieren, kann die Simulation in Rechnern als Ergebnis auch eine elliptische Galaxie liefern. Die während dieses Vorgangs längere Zeit einander umkreisenden Schwarzen Löcher der Galaxienkerne schleudern Sterne aus dem zentralen Bereich heraus.
Alles ist in Bewegung: Galaxien entwickeln sich in großen Zeiträumen ständig weiter, Galaxienhaufen schließlich formieren sich wegen der noch größeren Räume entsprechend langsam. In unserem im Vergleich kleinen Planetensystem liegen andere Verhältnisse vor. Seine Gesamtmasse wird von der Sonne im Zentrum völlig bestimmt, weshalb sich die inneren Planeten viel schneller bewegen als die äußeren. Es konnten sich trotz der Vielzahl beteiligter Körper zyklische Abläufe, also weitgehend "stabile" Bahnen wenigstens der Planeten einstellen, ihr jeweiliger Drehimpulsanteil bleibt nahezu konstant. Immerhin könnte vielleicht innerhalb des "unscheinbaren" Sonnensystems die Dichte Dunkler Materie geringfügig höher sein als im umgebenden Raum: Die Pionier-Sonden zeigten bei ihrem Flug durch die Randbereiche des Sonnensystems eine minimale Bahnanomalie, eine leichte nicht erwartete Abbremsung.
Unsere Milchstraße enthält 200 bis 500 Milliarden Sterne. Die exakte Zahl lässt sich schwer ermitteln, da Staub die uns abgewandten Bereiche verdeckt und braune Zwergsterne nur in unserer Nachbarschaft zu entdecken sind. Sie gehört zur Klasse der Scheibengalaxien. Im kugelförmigen zentralen Bereich (Bulge) von weniger als 10.000 Lichtjahren Durchmesser umkreisen vorwiegend alte Sterne aus der Entstehungszeit der Milchstraße auf teilweise irregulären Bahnen ein massereiches Schwarzes Loch. Seine 4 Millionen Sonnenmassen sind aus Bahnen benachbarter Sterne berechnet worden, die sich mit Infrarotdetektoren und adaptiver Optik ausgestatteten Teleskopen durch vorgelagerten Staub hindurch beobachten ließen. Ein so massereiches Schwarzes Loch kann nur in der Frühzeit des Universums aus dem Zustrom von viel Gas "gemästet" worden sein (Quasar). Einander umrundende gravitativ gekoppelte Schwarze Löcher stahlen Gravitationswellen ab und können auf diese Weise Energie abgeben (etwa das Objekt OJ 287). Energieabgabe ist Voraussetzung sich nähern zu können und sich später zu vereinigen. Heute ist das zentrale Schwarze Loch der Milchstraße wenig aktiv, seine Umgebung ist von Gas und Staub "gereinigt", es "hungert" nun. Solche Ruhephasen können durch aufflackern und Strahlungsausbrüche unterbrochen werden - ein solche Aktivierung nimmt man vor 2 Millionen Jahren an. Aus Beobachtungen im Röntgenbereich verraten sich weitere stellare Schwarze Löcher im zentralen Bereich der Milchstraße. Aus der zentralen Zone ragt ein Balken nach außen, der sich durch zwei nur 4000 Lichtjahre dicke Spiralarme bis zu einer Ausdehnung von mehr als 120.000 Lichtjahren fortsetzt. Von der Seite der Spiralebene betrachtet erscheint unsere Galaxis deshalb wie eine dünne etwas verbogene Scheibe. Die Gestalt der Arme entwickelt sich mit einer wellenförmigen Gezeitenströmung der Materie angetrieben durch Gravitationskräfte im äußeren Bereich. In seinem nur etwa 1000 Lichtjahre dicken inneren Bereich enthält jeder Arm viele helle und junge Sterne, Staub und Gas. Unsere Sonne ist 27.000 Lichtjahre vom Zentrum der Milchstraße entfernt. Sie umrundet es in 240 Millionen Jahren und tanzt mit einer Periode von 60 Millionen Jahren um die Symmetrieebene der Scheibe in einer Umgebung mit vergleichsweise wenig Gas und Staub zwischen 2 Spiralarmen. Im kugelförmigen die Scheibe der Milchstraße umschließenden Halo befindet sich noch viel Wasserstoffgas, Brennstoff für neue Sterngenerationen, ferner Sterne der ersten Generation (ohne die schwersten Atome), auch solche aus der Jugendzeit der Milchstraße und 150 Haufen aus solchen Sternen mit bis zu 400 Lichtjahren Ausdehnung sowie 90% der gesamten Dunklen Materie unserer Galaxis. Vielleicht dehnt sich diese Dunkle Materie sogar weiter bis zu einer Million Lichtjahre im Raum aus. Sterne im Bulge und im Halo bewegen sich anders als in den Spiralarmen auf unregelmäßigeren Bahnen ohne einheitliche Vorzugsrichtung - vergleichsweise wie in elliptischen Galaxien. Mit den Daten des Satelliten Gaia wird sich die Gestalt der Milchstraße genauer kartieren lassen. Und mit dem Stratosphären-Observatorium Sofia konnten Gasblasen senkrecht zur galaktischen Ebene beobachtet werden, aus denen Gammastrahlung kommt. Man nimmt an, bei diesen Fermi-Blasen könnte es sich um Relikte eine Aktivitätsausbruchs des massiven Schwarzen Lochs im Zentrum der Milchstraße vor einigen Milliarden Jahren handeln als es eine große Gaswolke verschlungen hat.
Schätzungen nach befinden sich gegenwärtig im "beobachtbaren Universum" - also jenem Teil, der uns durch Beobachtung bis zum Ereignishorizont zugänglich ist - 170 Milliarden Galaxien. Dabei kann es sich nur um eine grobe Aussage handeln, denn Beobachtungen in der Nähe des Ereignishorizonts führen in die Frühzeit des Universums zurück, in eine Zeit mit wenigstens 10-fach mehr kleinen Protogalaxien, die sich inzwischen zu größeren Galaxien vereinigt haben. Eine zahlenmäßige Aussage ist deshalb schwierig und kann durch "Zählen" nicht gewonnen werden. Unter den entfernten Galaxien im frühen Universum wurden auch exotische Objekte, Quasare, entdeckt. Das sind aktive Kerne junger Galaxien, die bis zu 10.000-fach heller strahlen als normale Galaxien und in deren Zentrum einem Schwarzen Loch noch viel Gas als Beute angeboten wird. Das sammelt sich in einer "Akkretionsscheibe" von einigen Lichtjahren Durchmesser, strudelt in das Schwarze Loch und erhitzt sich dabei durch Reibung. Ein großer Teil der dabei frei werdenden Energie wird abgestrahlt, man schätzt mehr als 40%. Bei diesem Prozess wird die Raumzeit verdrillt und sogar ein größerer Anteil der Masse in Strahlung umgesetzt als im Fusionsreaktor im Inneren jedes Sterns. In einer jungen Proto-Galaxie mit hoher Dichte an Wasserstoffgas können nicht nur viele neue massereiche Sterne entstehen, ein zentrales Schwarzes Loch kann in dieser Situation auch extrem viel Materie einsammeln. Über ein vergleichsweise kurzes Entwicklungsstadium hinweg können in jedem Jahr Gas von einigen Sonnenmassen von solch einem aktiven Kern verschlungen und damit eine auch für kosmische Maßstäbe riesige Energie freigesetzt werden. Die Leuchtkraft begrenzt sich selbst durch ihren Strahlungsdruck, der der weiteren Annäherung von Gas entgegenwirkt. Die maximal mögliche Leuchtkraft ("Eddington-Grenze") wächst mit der Masse des Quasars entsprechend seiner Gravitation. Nur wegen ihrer gewaltigen Leuchtkraft können wir diese weit entfernten und räumlich "kleinen" wenige Lichtjahre ausgedehnten Akkretionsscheiben entdecken. Zugleich bedeutet dies: Schon innerhalb der ersten Milliarde Jahre haben sich im jungen Universum massereiche Sterne gebildet, ihren Lebenszyklus mit einer Supernova und als Schwarzes Loch beendet, sehr viel Gas in einer Akkretionsscheibe gesammelt, die mit maximaler Leuchtkraft an der Eddington-Grenze geleuchtet hat. Das Licht aus dieser fernen Zeit - verstärkt durch den Gravitationslinseneffekt eines Galaxienhaufens - verrät uns heute einiges über den Zustand der damaligen Welt. Spektrallinien zeugen von hohen Ordnungszahlen der Atome als Ergebnis der Fusion im Sterninnern, von Schwarzen Löchern mit Milliarden Sonnenmassen, von kleinen voll entwickelten Galaxien. Da wir zugleich so weit in die Vergangenheit schauen muss das alles im jungen Universum vergleichsweise schnell innerhalb von wenigen 100 Millionen Jahren abgelaufen sein. Ältesten Sternen schreibt man ein Alter von 13,6 Milliarden Jahren zu, sie leuchteten schon 200 Millionen Jahre nach dem Urknall. Sterne versammelten sich zu Protogalaxien. Das Hubble-Teleskop konnte welche finden, deren Licht vor 13,3 Milliarden Jahren zu uns gesandt wurde. In späteren Entwicklungsstadien des Universums treten ereignisreiche Situationen besonders bei zunächst häufigen Kollisionen von (Proto-)Galaxien auf. In unserer Zeit begegnen sich Galaxien im aufgeblähten Weltraum dagegen nur noch seltener. Dann werden Gaswolken zur Sternbildung angeregt, die Galaxie leuchtet heller auf. Man könnte von einer Verjüngung sprechen.
Man spricht von einem aktiven Schwarzes Loch, wenn es Materie aus seiner Umgebung einsammeln kann. Dabei erhitzt sich diese Materie mit zunehmender Reibung und Komprimierung in der Akkretionsscheibe. Ein großer Teil der ursprünglichen potentiellen Energie dieser Materie wird als elektromagnetische Strahlung abgestrahlt wie wir es eindrucksvoll an Quasaren beobachten können. Ein aktives rotierendes Schwarzen Loch kann einen Teil des Energieumsatzes in der Akkretionsscheibe gerichtet als polaren Strahl ionisierter Teilchen abgeben. Man nimmt an, dass durch die Rotation ionisierter Teilchen mit der Akkretionsscheibe ein elektromagnetisches Feld entsteht und Ionen entlang der magnetischen Feldlinien in den beiden polaren Bereichen ausgestoßen werden können. Bei etwa 20 Zentren von aktiven Galaxien sind bis weit in den Raum hinaus reichende Jets beobachtet worden. Die aktive Phase im Leben eines solchen Schwarzen Lochs kann in kosmologischer Zeitskala betrachtet nur kurz andauern, man schätzt typischerweise 10 Millionen Jahre. Das ist ein Grund, weshalb sie in benachbarten Galaxien selten zu beobachten sind. Die Strahlung kann nur in den axialen Richtungen entweichen. In anderen Richtungen wird sie vom zirkulierenden Material wieder absorbiert. Durch Wechselwirkung zwischen Teilchen - Elektronen und Ionen werden im umgebenden Magnetfeld nahe an die Lichtgeschwindigkeit beschleunigt - entsteht auch elektromagnetische Strahlung. Wir empfangen diese Strahlung vorwiegend im Radiobereich, können sie aber auch im sichtbaren Spektralbereich und mit Satelliten bis in den kurzwelligen Röntgen- und Gammabereich beobachten. Merkwürdig ist eine Beobachtung der Radiogalaxie pbc j2333.9.-2343, bei der anscheinend die Rotationsachse des Quasars sich um 90° verändert hat und nun in Richtung Erde zeigt. Was wir beobachten hängt von den Prozessen am Entstehungsort ab und eben von unserem Beobachtungswinkel zur Rotation des Schwarzen Lochs, also ob wir etwa gerade in Richtung eines Materiejets in der Rotationsachse schauen. Wenn der in unsere Beobachtungsrichtung zeigt, bezeichnet man das als Blazar. Die Intensität schwankt im Bereich von Stunden und Tagen offenbar abhängig vom Materialangebot in der Akkretionsscheibe und der Größe des Schwarzen Lochs. Im Röntgenbereich sind regelmäßige Strahlungsausbrüche mit Abständen von wenigen Sekunden beobachtet worden, welche wegen der endlichen Lichtgeschwindigkeit von einer kleinen Akkretionsscheibe respektive einem Schwarzen Loch geringer Masse ausgehen sollten. Die kurze Dauer von Intensitätsschwankungen beweist ja, dass es sich um kleine Objekte handeln muss. Man erwartet sie im aktiven Kern von jungen blau strahlenden Galaxien.
Kurzzeitig werden sehr energiereiche Ausbrüche von Röntgen- bis zu kurzwelliger Gamma-Strahlung (Extremwerte bis 22TeV) registriert. Da energiereiche Gamma-Quanten mit Gasatomen der Erdatmosphäre reagieren, können sie in unveränderter Form nur im Weltraum detektiert werden. Mit Satelliten registrierte "Gamma-Strahlenblitze" dauern oft nur Bruchteile einer Sekunde bis zu zwei Sekunden oder häufiger 10 bis 100 Sekunden. Fast jeden Tag kann ein solches Ereignis registriert werden und zwar gleichmäßig über alle Himmelsrichtungen verteilt (also nicht vorzugsweise aus der Milchstraße oder benachbarten Galaxien). Die Quelle liegt somit fast immer in den Tiefen des Universums und damit entsprechend auch in einer vergangenen Zeit. Das hat damit zu tun, dass solche Ereignisse (in einem Blasar oder einer "Hypernova") mit einem so gewaltigen Energieausbruch in kurzer Zeit sehr viel seltener auftreten als eine "normale" Supernova (vgl. Lebensläufe der Sterne). Die Explosionswelle reagiert mit im umgebenden Raum vorhandener Materie und erzeugt bis zu einigen Tagen ein "Nachglühen" in einem breiten Frequenzbereich von Röntgenstrahlung bis in den Radiobereich (etwa bei dem Gamma-Ausbruch vom 29.März2003, GRB 030329). Die Polarisation der Strahlung lässt vermuten, dass ein großer Anteil als Synchrotronstrahlung durch Beschleunigung geladener Teilchen erzeugt wurde. Den bislang spektakulärsten Gamma-Strahlenausbruch (Gamma-Burst) entdeckte der Satellit Swift am 19.März 2008 30s lang und auch das beobachtete Nachflühen im sichtbaren Bereich war extrem hell (GBR080319B trotz der großen Entfernung von 7,5 Milliarden Lichtjahren). Die Lichtemission zeigt oft eine starke Rotverschiebung und verrät damit die große Entfernung solcher Ereignisse, etwa die gewaltige Entfernung von bis zu 13 Milliarden Lichtjahren (bei den Objekten GRB 050904 oder GRB 090423). Solche erfassten Ereignisse markieren größte Entfernungen und damit zugleich ihren geringen Abstand - bis zu einigen 100 Millionen Jahre - zum Urknall. Infrarotkameras an den stärksten Teleskopen sind auf der Jagd nach Signalen, sobald der NASA-Satellit Swift einen Gamma-Ausbruch geortet hat. So weit gereiste Gamma-Strahlung kann von uns nur registriert werden, wenn sie gut gebündelt ist. Wegen der kurzen Dauer der Gamma-Blitze müssen sie von sehr kompakten kleinen Objekten herrühren, die dennoch Ereignisse mit gewaltigem Energieumsatz (in Sekunden wie unsere Sonne während ihrer ganzen Lebenszeit) und eben gerichtete Strahlung bewirken. Als Quelle der Gamma-Ausbrüche im Minutenbereich wird eine besonders radikal ablaufende Supernova oder der Kollaps eines Wolf-Rayet-Sterns angenommen. Wenn der sterbende Stern noch mehr als 30 Sonnenmassen aufzuweisen hatte ist das Ereignis spektakulär und man bezeichnet es als Hypernova beim Zusammenbruch eines Sterns ab 100 Sonnenmassen. Im Ergebnis entstünde ohne Zwischenstufen im Innern des Sterns ein Schwarzes Loch mit mehr als 3 Sonnenmassen. Der Zusammensturz der weiter vom Zentrum entfernten Sternmaterie in einer Akkretionsscheibe komprimiert auch das Magnetfeld des Sterns und verstärkt es mit der sich beschleunigenden Rotation derart, dass geladene Teilchen die Feldenergie übernehmen und teilweise mit fast Lichtgeschwindigkeit in Richtung der Rotationsachse entlang der Feldlinien als Jet ausbrechen (etwa ionisiertes 60Fe). Der Energieausbruch ist insofern gebündelt und kann deshalb zum Beobachter gerichtet über so gewaltige Entfernungen (von mehreren Milliarden Lichtjahren) im Universum sichtbar sein. Falls der Jet später die Materiewolke erreicht, aus der ursprünglich der kurzlebige massereiche Stern entstanden war, kann ein Reburst - ein erneutes Aufflammen des Strahlungsausbruchs beobachtet werden. Im jungen Universum ist galaktischen Kernen (in Quasaren) viel Gas angeboten worden, so dass energiereiche Jets entstehen konnten. Als weitere Ursachen besonders der kurzen Gamma-Bursts im Zeitbereich bis 2s werden die Vereinigung von zwei zuvor einander umkreisenden Neutronensternen innerhalb ihres Doppelsternsystems, eines Neutronensterns mit einem Schwarzen Loch (wie GW200105 und GW200115), die Vereinigung von zwei Schwarzen Löchern (vgl. PG 1302-102) oder der Zusammenbruch des Magnetfeldes bei einem Magnetar (einem Neutronenstern mit hohem Magnetfeld) diskutiert. Bei dem Ereignis GRB 1708A dauerte der Gamma-Blitz 2s lang und wurde vom Fermi-Satelliten 2s nach dem Eintreffen der Gravitationswellen GW170817 in den Anlagen LIGO und Virgo gemessen. Die empfangenen Gravitationswellen zeigten in ihrem 100ms langen Verlauf eine ansteigende Frequenz bis auf einige 100Hz. Damit gelang es, die Vereinigung von 2 Neutronensternen - eine Kilonova - mit etwa 1,3 und 1,5 Sonnenmassen zu registrieren, die in der Galaxie NGC 4993 vor 130 Millionen Jahren stattfand. Von diesem Ereignis wurden keine Neutrinos gefunden doch konnte zum ersten Mal mit Teleskopen im gesamten elektromagnetischen Spektrum ein Nachglühen 2 Wochen lang beobachtet werden. Das wird künftig häufiger möglich sein. Inzwischen gibt es mehrere weit von einander entfernte Detektoren (LIGO in Hanford und Livington USA mit Messarmen von 4km Länge und VIRGO in der Toskana IT mit jeweils 3km Länge), bei denen die Gravitationswellen mit etwas voneinander abweichenden Zeitpunkten eintreffen. Damit gelingt sozusagen eine "Triangulation" aus der zeitlichen Folge der empfangenen Signale und die Positionsbestimmung am Himmel. Die mit Teleskopen zu durchsuchende Himmelsregion ist damit weit genug eingeschränkt und man hat eine Chance das meist weit entfernte Ereignis mit elektromagnetischer Strahlung zu finden. Deren Spektrum kann dann weitere Details verraten. Etwa dass bei der Vereinigung zweier rotierender Neutronensterne Materie in den Raum geschleudert wurde und Elemente mit höherer Ordnungszahl als Eisen wie etwa Silber, Platin, Gold entstehen. Solche Atomkerne entstehen nicht bei der Kernfusion im Innern von Sternen. Hierfür wäre die Energiebilanz negativ, Energie müsste zugeführt werden, wie es mit dem Einfang von zusätzlichen Neutronen im Atomkern möglich ist. Gravitationswellen gemeinsam mit elektromagnetischer Strahlung beobachtet kann einiges über bisher nicht verstandene Prozesse im Universum verraten und öffnet ein Fenster exotische Materieformen zu beobachten. Neben der Vereinigung stellarer Schwarzer Löcher können auch Modellvorstellungen der Mechanismen bei Supernovaexplosionen geprüft werden. Ereignisse wie GW190521 zeigen wie unsicher unsere Kenntnisse darüber noch sind. Vielleicht kann das Projekt LISA auch Hinweise finden wie supermassive Schwarze Löcher sich kurz nach dem Urknall aus primordialem Gas direkt bilden konnten. Sie werden ja im Zentrum aller Galaxien vermutet und sind an ihrer Entstehung beteiligt.
Wenn wir als tief liegendes Erhaltungsgesetz eine konstante Differenz aus Baryonen- und Leptonenzahl annehmen, sind Vorgänge in der Akkretionsscheibe und im Schwarzen Loch rätselhaft, genau wie bei der Entstehung der Welt nach dem Standardmodell: Das Verhältnis von Ladung zu Masse ist bei Elektronen viel höher als bei Protonen. Deshalb und wegen ihrer unterschiedlichen Ladung werden sie im umgebenden Magnetfeld in verschiedene Richtungen "sortiert". Protonen könnten in das Loch fallen, während Elektronen außerhalb beschleunigt werden. Als Zwischenstufe der Materieverdichtung würde inverser Betazerfall innerhalb des Lochs - wie wir es bei Neutronensternen annehmen - erschwert und Ladungsüberschüsse würden entstehen. Großräumig werden Ladungsunterschiede im Universum jedoch nicht beobachtet.
Die Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher erzeugt durch
ihren Rückstoß sozusagen einen indirekten Nachweis von Gravitationswellen. Ein solches Ereignis im
Zentrum einer Galaxie bewirkt gewaltige Turbulenzen in den beiden zunächst
aufeinander treffenden Akkretionsscheiben. Letztlich ändert sich der Drehimpuls
der beteiligten Löcher. Damit verbunden muss sich auch ihre innere Struktur
ändern und die rotierende Materie oder Energie innerhalb des
Lochs muss sich sehr schnell neu ordnen. Auch eine Präzessionsbewegung der Rotationsachse des resultierenden Lochs könnte folgen.
Mögliche Ursachen für beobachtete Unterschiede von Gamma-Blitzen finden sich genug,
besonders ob die resultierende Gesamtmasse einen Neutronenstern oder ein
Schwarzes Loch bildet. Im jungen Universum scheinen
hochenergetische Strahlenquellen häufig gewesen zu sein, viele massereiche
Sterne starben rasch. Gut, dass wir erst jetzt leben.
Auch der gewaltige und plötzliche Energieumsatz bei der seltenen Verschmelzung von zwei Neutronensternen ermöglicht, schwere Atomkerne mit hoher Ordnungszahl zu bilden und im Raum zu verstreuen. Während der Entstehung des Sonnensystems ist im Raum verstreutes Material eingesammelt worden. Auf der kleinen Erde leben nun Nutznießer solch begehrter aber eben seltenen Metalle wie Gold, Platin oder Uran...
Galaxien sind zwar über das gesamte Universum verteilt. Wegen der Gravitationswirkung haben sich jedoch großräumig Strukturen gebildet, innerhalb derer eine lokale Bindung besteht. So hat sich am Nordhimmel eine Kette von Galaxien, die "Große Mauer" gebildet. Am Südhimmel wirkt die Gravitation des "Großen Attraktors" auf den Virgo-Haufen mit einigen hundert Galaxien, dem auch unsere lokale Gruppe mit Milchstraße, Andromedanebel M31, dem Triangel-Nebel M33 und weiteren 20 Zwerggalaxien angehört. Die folgenden Bilder zeigen typische Beispiele für Spiralgalaxien.
Schon Vesto Slipher hatte 1912 beobachtet, dass der Andromedanebel M31 eine Blauverschiebung zeigt (wie auch bei der Galaxie M90). Tatsächlich hat unsere große Nachbargalaxie eine Geschwindigkeitskomponente von 80 km/s in unserer Richtung, berührt oder kollidiert deshalb vielleicht mit der Milchstraße beginnend in 4 bis 5 Milliarden Jahren. Vorstellen kann man sich das als wenn die beiden Galaxien sich wegen der fast leeren Räume zwischen ihren Sternen durchdringen. Durch die Gravitationskräfte wird sich ihre Gestalt dabei sehr ändern und es wird zu zahlreichen Sterngeburten in den "umgerührten" Gas- und Staubmassen kommen. Anscheinend ist unsere Milchstraße dabei, sich die Zwerggalaxien Sagittarius und Canis Major einzuverleiben. Wie die folgenden Bilder beweisen, sind Begegnungen von Galaxien keine Ausnahme, denn die Ausdehnung einer Galaxie ist - wie schon gesagt - nicht immer zu vernachlässigen im Vergleich zu Abständen von benachbarten Galaxien im Galaxienhaufen. Das war im jungen Universum mit seiner kleineren Ausdehnung häufig der Fall.
Schockwellen einer Galaxienkollision können Materie weit im Raum zerstreuen und vorhandenes Gas verdichten. Das Wagenrad in Hoag`s Objekt leuchtet mit dem blauen Licht nach einer Galaxien-Kollision neu entstandener Sterne.
Wie wir diskutiert haben führen verschiedene Beobachtungen zu der Annahme, dass neben der uns geläufigen (baryonischen) Materie zusätzliche unsichtbare "Dunkle Materie" existieren muss, die sich nur durch ihre Massenanziehung verrät: aus der Gravitationslinsenwirkung ferner Galaxien, der Gestalt der Galaxien und dem Geschwindigkeitsprofil der Sterne und Gaswolken darin und aus der Bewegung der Galaxien innerhalb ihres lokalen Haufens, auch wegen der Bindung heißer Gase im Halo der Galaxien. Fritz Zwicky fand bei seiner Beobachtung des Comahaufens bereits 1933 erste Hinweise darauf. An der Existenz Dunkler Materie zweifeln Kosmologen deshalb nicht. Sie könnte aus schweren Teilchen bestehen, die in einer Frühphase des Urknalls gebildet wurden und jetzt nur noch wenig Bewegungsenergie aufweisen (kalte Dunkle Materie). Bisher konnten sie nicht direkt etwa in Stoßereignissen mit baryonischer Materie nachgewiesen werden, da sie anscheinend als einzige Wechselwirkung nur die Gravitation kennen und durch unseren Körper einfach hindurchgehen. Bewegungsmuster und Helligkeit in einander durchdringenden Galaxienhaufen (Bullet-Cluster und Abell 520) können mit einer als Alternative diskutierten Modifikation der allgemeinen Relativitätstheorie bzw. des Gravitationsgesetzes nicht erklärt werden. Bei einer Galaxienkollision eilt die Dunkle Materie voraus, da sie keine Reibung während der Durchdringung der Materie wie etwa Gaswolken spürt. Der Schwerpunkt der Gravitation eilt dem Schwerpunkt der Lichtemission der baryonischen Materie entsprechend voraus. Oder gibt es vielleicht doch eine Wechselwirkung zwischen Dunkler Materie untereinander zusätzlich zur Gravitation? Mit dem Röntgenteleskop Chandra glaubt man Anzeichen gefunden zu haben, dass bei der Durchdringung zweier Galaxienhaufen Dunkle Materie teilweise im Zentrum der Kollision zurückblieb. Unbekannt ist - wie schon gesagt, woraus die unsichtbare Dunkle Materie besteht, die in Galaxien und Galaxienhaufen offenbar den dominierenden Anteil aller Materie bildet. Leuchtende Sterne (einschließlich der sie begleitenden Himmelskörper) - so schätzt man - beteiligen sich nur mit dem kleinen Bruchteil von 0,5 % an der gesamten Energie im Universum. Einen größeren Beitrag - aber dennoch nur 4% - traut man im Raum verteilten Gasen wie Wasserstoff und Helium zu. Man rechnet mit einen Anteil aller Materieformen von 32% an der Gesamtenergie im Universum, wovon weniger als ein fünftel auf "unsere" baryonische Materie entfällt. Kosmologen bestimmten aus Messungen des Satelliten Planck ein Verhältnis von Dunkler Energie zu Dunkler Materie zu baryonischer Materie von 68% (vielleicht sogar 72%): 23 bis 27%:5%. Manchmal will es die Perspektive, dass Staub von dahinter gelegenen Sternen der Galaxie beleuchtet und als Schatten für uns sichtbar wird. Zu wenig nicht leuchtendes Gas und Staub, Neutronensterne und Schwarze Löcher sind nachgewiesen um sie auf die Wagschale für Dunkle Materie zu bringen. Neutrinos könnten 2% zur Dunklen Materie beitragen. Als Hauptbestandteil werden nichtbaryonische, also von den uns vertrauten Protonen und Neutronen abweichende, schwere Teilchen gesucht. Man erkennt sie - wie schon gesagt - an ihren Gravitationswirkungen, also an Gravitationslinsen, der Gestalt von Galaxien und der Geschwindigkeit von Sternen in Galaxien und von Galaxien in Galaxienhaufen. Und wie gewaltig Dunkle Materie an einigen Galaxien innerhalb eines Haufens ziehen kann, verrät uns ihre manchmal hohe Geschwindigkeit bis 1000km/s. Die unbekannten Elementarteilchen der Dunklen Materie können keine Ladung tragen und müssen extrem wenig mit unserer Materie und auch nicht mit Licht wechselwirken. Oder anders formuliert müssen sie einen verschwindend kleinen Wirkungsquerschnitt beim Zusammentreffen mit baryonischer Materie haben. Der verschwindende Wirkungsquerschnitt bewirkt auch verschwindende Reibung. Reibung ist ein Faktor, weshalb sich Gas und Staub schneller in einem Zentrum konzentrieren. Falls Teilchen der Dunklen Materie im Unterschied zu Neutrinos (die wenigstens mittels der schwacher Kernkraft wechselwirken) als einziger Kraft nur mittels Gravitation wechselwirken könnten, wäre es kaum möglich sie mit Stoßereignissen nachzuweisen - wie es etwa in unterirdischen Tanks versucht wird. Immerhin gibt es (schwache) Hinweise darauf, Dunkle Materie könnte doch mit sich selbst außer durch Gravitation vielleicht doch mit der schwachen Kernkraft wechselwirken. Dann wäre die Chance etwas größer, sie in Messeinrichtungen doch noch nachweisen zu können. Denn bei der Kollision von Galaxienhaufen blieb ein Teil der Dunklen Materie am Kolisionsort, während Sterne sich wieder weiter entfernt haben. Dunkle Materie ist nicht wie baryonische Materie innerhalb von Sternen konzentriert, unterliegt aber der gravitativen Bindung zu ihr und kann auf diesem Weg Bewegungsenergie an sie abgeben. Dunkle Materie wird deshalb in Galaxien aber im Vergleich zur bekannten baryonischen Materie weiter entfernt vom Zentrum anzutreffen sein. Sie dehnt sich weiter als der sichtbare Anteil einer Galaxie im Raum aus. Eine weitere Schlussfolgerung ergibt sich: da sie ihre kinetische Energie nicht durch Reibung mit Partikeln abbauen oder elektromagnetisch abstrahlen kann, wird sie nicht so leicht in ein Schwarzes Loch strudeln. Besteht das alternde Universum später vor allem aus dunkler Materie, während sich "unsere" baryonische Materie längst in Schwarzen Löchern, Neutronensternen und vergleichsweise kalten Zwergsternen versammelt hat?
Eine bekannte Teilchengruppe mit kleinem Wirkungsquerschnitt sind Neutrinos - die eine sehr geringe Ruhemasse haben und weder die elektromagnetische noch die starke Kernkraft - also nur die schwache Kraft und die Gravitation spüren. Andere hypothetische Teilchen - Axione - könnten ebenfalls eine so geringe Masse besitzen, dass sie schon deshalb mit bekannten Elementarteilchen und damit auf "unsere" Stoffe nicht einwirken könnten. Sie müssten in und um Galaxien allerdings extrem zahlreich vorhanden sein, um die beobachtete Gravitationswirkungen verursachen zu können. Einen um fast eine Dezimale größeren Masseanteil an der Dunklen Materie vermutet man deshalb in Form von postulierten aber noch nirgends gesichteten supersymmetrischen Teilchen (SUSY) mit einer Masse vom 50- bis 500-fachen des Protons (weakly interacting massive partices WIMPs). Sie nachzuweisen wird mit Detektoren versucht, die im Bergwerk oder tief im Wasser bzw. Eis vor allen anderen Strahlungsquellen geschützt und bei einer Temperatur nahe am absoluten Nullpunkt arbeiten müssen. Ferner sind Kollisionsexperimente im Teilchenbeschleuniger (Large Hadron Collider LHC des CERN) geplant mit der Hoffnung, als Reaktionsprodukt ein Teilchen der Dunklen Materie - etwa ein "Photino" oder ein "Neutralino" - künstlich erzeugen und nachweisen zu können. Der Nachweis könnte etwa so erfolgen, dass nach einer Kollision ein Teilchen verschwindet oder eines zusätzlich auftaucht, also die Energiebilanz eine für ein solches Teilchen passende Lücke offenbart. Wie schon festgestellt haben bisherige Stoßexperimente noch keinen Hinweis darauf gebracht, vielleicht wären dafür zu hohe nicht erreichbare Energien notwendig. Mit etwas weniger aufwendigen Messanordnungen wird mit ähnlichen Zielstellungen nach hypothetischen Axionen gesucht.
Der hohe Anteil Dunkler Materie an der Gesamtmasse hat auch Bedeutung für die Zukunft des Universums insgesamt. Falls entgegen der jetzigen Erwartung noch viel Dunkle Materie nachgewiesen wird und damit die Dichte des Universums den kritischen Wert übersteigt, könnte die Expansion - in vielleicht einigen 100 Milliarden Jahren - zum Stillstand kommen und in eine Kontraktion übergehen. Wir würden in einem geschlossenen Universum mit endlicher Raumzeit leben. In der Kontraktionsphase würde die Temperatur der Hintergrundstrahlung wieder ansteigen, der Nachthimmel schließlich hell wie die Sonne werden bis in einem Endkollaps alles in sich zusammenstürzt. Spekulationen basierend auf der Schleifenquantengravitations-Theorie lassen ein ewiges zyklisches Universum zu mit einer Wiedergeburt nach jedem "big crunch" durch den nachfolgenden "big bang". Dieses Szenario ("big bounce") des "großen Abprallens" ist nach dem gegenwärtigen Beobachtungsstand nicht bewiesen. Immerhin glauben Kosmologen, dass die Kontraktion eines Vorläuferuniversums sanfter erfolgt sein sollte und kaum Gravitationswellen erzeugt haben könnte. Solche Gravitationswellen müssten zur Zeit der Entstehung der Hintergrundstahlung winzige Unterschiede in der Polarisation dieser Strahlung verursacht haben. Da anscheinend Unterschiede in der Polarisation der Hintergrundstrahlung nachzuweisen sind, bewerten das Kosmologen als Beweis für die gewaltige Expansion des Universums unmittelbar nach dem Urknall, die als Inflation bezeichnet wird. Deshalb wird noch genauer nach Polarisationseffekten in der Hintergrundstrahlung gesucht, wobei durch kosmischen Staub oder die Erdatmosphäre verursachte Messfehler vermieden werden müssen. Ein direkter Nachweis von Gravitationswellen als Folge der Inflation ist vermutlich schwierig weil ihre Wellenlänge zu unserer Zeit groß wäre - bzw. die Frequenz entsprechend klein.
Ausdehnung und Größe der winzigen Schwankungen in der Hintergrundstrahlung können so interpretiert werden, dass die Energie- und Materiedichte genau der kritischen Dichte entsprechen - also jener Dichte, die gerade nicht ausreicht, die Raumzeit zu einem geschlossenen Universum zu krümmen. Das entspricht dem so genannten flachen Universum, in dem wir nach dem gegenwärtigen Stand der Beobachtung leben. Warten wir ab, ob sich das bei weiteren Messungen bestätigt. Immerhin regt sich der Verdacht, dass dieser Grenzfall kein Zufall ist, sondern dass sich dahinter ein tieferes Prinzip verbergen könnte. Es zu ergründen kann zu einem weiter reichenden Verständnis für die Entstehung der Welt und der Rolle der Dunklen Energie führen. In diesem Grenzfall eines offenen Universums wird es endlos expandieren und sich immer weiter abkühlen, es wäre schließlich finster und kalt, der Raum fast leer. Die meist farbig dargestellten geringen Unterschiede in der Hintergrundstrahlung weisen nicht nur auf Temperaturunterschiede hin: Sie markieren auch spätere Materieansammlungen in kälteren Bereichen und weniger Dichte in wärmeren meist rot dargestellten Bereichen.Die Hintergrundstrahlung füllt gegenwärtig jeden Kubikzentimeter des intergalaktischen Raums mit 400 Photonen. Stellen wir uns ein Photon als elektromagnetisches Wellenpaket vor, so entsprächen die derzeitigen 2,7 °K einer vorherrschenden Wellenlänge von 2mm. Die Photonen "überlappen" sich also. Der interstellare Raum ist deshalb nicht völlig leer. Das bleibt auch so, denn mit der Ausdehnung des Universums vergrößert sich auch diese Wellenlänge. Unabhängig davon enthält der Raum Teilchen wie die kosmische Strahlung einschließlich Neutrinos sowie Nachschub an Strahlung solange Galaxien noch leuchtende Sterne enthalten und vor allem Dunkle Materie. Vielleicht wird die baryonische Materie in einem offenen kalten Universum schließlich in einer fernen Zeit überwiegend in dunklen Zwergsternen, Neutronensternen und Schwarzen Löchern gebunden sein. Ein Schwarzes Loch ist offenbar ein besonders stabiler Zustand. Es könnte abhängig von seiner Masse noch extrem lange - Billionen von Jahren - überleben, ehe es sich durch seine geringe Hawking-Strahlung in einem extrem erkalteten Universum zerstrahlt hat und auflöst. Diese von Steven Hawking vorhergesagte Strahlung entspricht der eines Schwarzen Körpers - das Schwarze Loch hätte demnach von außen betrachtet eine Temperatur ungleich Null, proportional zur Gravitation am Ereignishorizont und umgekehrt proportional zu seiner Masse.
Neue Beobachtungen besonders an Supernova vom Typ SN Ia (1997ff) werden so gedeutet, dass die Expansion des Universums sich gegenwärtig nicht verlangsamt - wie man durch die Wirkung der Gravitation erwarten müsste - sondern beschleunigt. Wenn wir voraussetzen, die Gravitationstheorie auf Basis der Allgemeinen Relativitätstheorie gelte auch für kosmische Maßstäbe, dann müsste eine zusätzliche abstoßende Kraft wirken (oder die Theorie ist eben im Bereich kosmischer Maßstäbe falsch). Sie müsste großräumig in den Weiten des Universums zwischen den Galaxien als kleine der Gravitation entgegen gerichtete Kraft existieren. Dieser Druck oder diese Antigravitation wird auch "Dunkle Energie", freie Energie oder Quintessenz genannt. Als mögliche Ursache der abstoßenden Kraft wird eine "Vakuumenergie" - als Folge von Quantenfluktuationen mit der Bildung und Vernichtung von (virtuellen) Teilchenpaaren - diskutiert. Wenn wir annehmen, die Welt habe einen (sich ausdehnenden) Rand hinter dem keine Vakuumenergie mehr existiert, illustriert der Casimir-Effekt die antigravitative Expansionskraft. Abschätzungen ergeben jedoch eine zu hohe Vakuumenergiedichte, wollte man damit die Expansion erklären. Die Natur der Dunklen Energie ist deshalb weiter rätselhaft. Im Unterschied zur weiträumig netzförmigen Struktur der Dunklen Materie ist die Dunkle Energie anscheinend homogen im Raum verteilt, eine Eigenschaft des Raums. Sie scheint eine merkwürdige Eigenschaft zu haben: Sie ist "unverdünnbar", was schwer mit der Erhaltung der Energiebilanz innerhalb des Universums vereinbart werden kann. In kleinen Maßstäben bedeutungslos schwach kann sie in großen Maßstäben zwischen den Galaxienhaufen eine dominierende antigravitative Kraft entwickeln, Galaxien voneinander wegtreiben. Falls weitere Messungen (ab 2023, siehe etwa ESA: Weltraumteleskop "Euclid") die Beschleunigung der Expansion des Raums bestätigen, kann man für die unmittelbar folgenden Milliarden Jahre eine Zukunft der Welt vorhersagen. Die bisherigen Beobachtungen deuten auf eine Beschleunigung der Expansion von fernen Galaxien seit 7, mindestens seit 5 Milliarden Jahren hin. Das zu beobachten und zu "messen" stellt hohe Anforderungen an die Empfindlichkeit und Messgenauigkeit. Die Häufigkeitsverteilung und Bewegung weit entfernter Objekte (Galaxien und Galaxienhaufen) ist mit der noch weiter entfernter zu vergleichen, wobei in unterschiedlich zurückliegende Zeiträume geschaut wird und relative Bewegungen innerhalb der Galaxienhaufen zu berücksichtigen sind. Mit einer winzigen Verkürzung der Wellenlänge von Licht, während es einen weiträumigen Galaxienhaufen durchläuft, glaubt man die Potentialanhebung durch die Dunkle Energie direkt messen zu können (entsprechend dem Sachs-Wolfe-Effekt). Die bisherigen Messungen deuten auf ein Szenario hin bei dem nach der anfänglichen inflationären Expansion über 7 Milliarden Jahre die Gravitation dominierte und die Expansionsgeschwindigkeit sich verringert hat (siehe DES, Dark Energy Survey). Danach dominierte die Dunkle Energie und beschleunigte die Expansion. Gegenwärtig verringert sich möglicherweise ihr Einfluss wieder. Die bisher vorliegenden Messergebnisse bieten noch keine sichere Basis für eine Vorhersage der fernen Zukunft des Universums. Wir wissen noch zu wenig über Dunkle Masse und vor allem über Dunkle Energie.
Kehren wir noch einmal zum Modell eines Universums mit einem konstanten Anteil Dunkler Energie zurück. Bei ihm erzeugt bereits eine sehr geringe Abweichung von der kritischen Energiedichte - die bei einem "flachen" Universum vorausgesetzt wird - eine unterschiedliche Zukunftsaussicht: Eine etwas größere Dichte mündet im "Big Crunch" (nach jetzigem Erkenntnisstand unwahrscheinlich), bei genau der kritischen Dichte zu einem "Big Whimper" (oder "Big Freeze", der endlosen Abkühlung und Ausdehnung auch bei mit dem Volumen wachsender Dunklen Energie) oder bei zu geringer Dichte in eine noch schnellere Ausdehnung. Mit Berücksichtigung eines stark anwachsenden (etwa exponentiell) Einflusses Dunkler Energie würde die Welt in einem "Big Rip" enden (dem großen Zerreißen aller Bestandteile). Nach dem gegenwärtigen Forschungsstand ist das Szenario Big Freeze am wahrscheinlichsten. Unter den spekulativen Prognosen wie sich das Universum in sehr ferner Zukunft entwickeln wird, gibt es noch keine wirklich gut begründete. In allen Fällen handelt es sich um eine Extrapolation über in unserer Zeit verfügbarer Daten hinaus und vor allem einen so riesigen Zeitraum, für die Spezies Mensch völlig bedeutungslos. Die ist dann längst ausgestorben und vergessen.
Wie dem auch sei - einig sind sich fast alle Kosmologen heute, dass das Universum in sehr ferner Zukunft nach derzeitigem Kenntnisstand kalt und leer erscheinen wird, mit riesigen Abständen zwischen den Galaxien, die dann vor allem aus Dunkler Materie, ausgebrannten kalten Sternen mit ihren Begleitern wie Meteoriten, Planeten... und Schwarzen Löchern bestehen werden. Wegen der wachsenden Entfernungen werden anfangs noch Galaxien der lokalen Gruppe im roten Licht ihrer letzten kleinen Sterne sichtbar sein. In einer Billion Jahren wird die Welt schließlich ganz kalt und finster sein, völlig anders als in der jetzigen Ära mit leuchtenden Sternen. Alle Galaxien sind mit dem sich ausdehnenden Raum weit außerhalb der gegenseitigen Sichtbarkeit, sie entfernen sich mit Über-Lichtgeschwindigkeit. Ein hypothetischer dann beobachtender Kosmologe hätte gar keine Chance, die Expansion des Universums zu bemerken. Einige Forscher nehmen sogar an, alle Objekte werden sich auflösen, da Protonen eine endliche Lebensdauer haben könnten und schließlich zerfallen, die Entropie des Universums strebt unerbittlich ihrem Maximum zu. Selbst Photonen werden wegen der Raumdehnung extrem langwellig, besitzen fast keine Energie mehr. Der 2. Hauptsatz der Thermodynamik sei das letzte Wort: alle Unterschiede gleichen sich aus, maximale Unordnung (Auflösung aller Strukturen) wird eintreten. Doch ein letztes Wort ist hierüber wegen der Ungenauigkeiten der bisherigen Messungen nicht gesprochen. Einsteins "kosmologische Konstante" ist vielleicht keine Konstante sondern verändert sich mit dem Alter des Universums. Dunkle Energie ist mit dem Raum verknüpft und ihre Wirkung auf ihn ist komplex. Jedenfalls gab es eine extreme Expansion des Universums in der Inflationsphase und seit 6 Milliarden Jahren scheint es sich nun wieder beschleunigt auszudehnen, vielleicht jedoch nur die "voids" oder Leerräume zwischen den Galaxien und Galaxienhaufen.
Unabhängig von Beobachtungen der großräumigen Distanzen deuten Messungen auf eine Vergrößerung der Abstände der Planeten zur Sonne hin (bei der Erde 7cm pro Jahr). Das kann viele Ursachen haben und reizt auch zu Spekulationen, etwa die Gravitationskonstante sei nicht so konstant wie angenommen. Gravitonen könnten aus unserem 3-dimensionalen Raum in eine höhere Dimension abwandern. Mit der Expansion des Universums erhöht sich relativ der Einfluss einer Vakuumenergie bei der fortscheitenden Abnahme der Gravitation. Somit ist das so einfach anmutende Hubblesche Gesetz der kosmischen Expansion noch lange nicht exakt formuliert, weder für die inflationäre Geburt des Universums noch für seine Zukunft. Und die Situation ist schlimmer: die mysteriöse Dunkle Energie verstehen wir noch nicht, obgleich sie anscheinend 68% der Gesamtenergie des Universums ausmacht. Das ist peinlich, oder? Die nächsten Jahrzehnte versprechen spannende Entdeckungen, was die Welt in großen Maßstäben (ab einem Galaxienhaufen) "zusammenhält" und vielleicht wird eine neue Theorie gefunden, eine Verfeinerung der Allgemeinen Relativitätstheorie bzw. der Gravitationstheorie, die erklären kann ob ein Zusammenhang zwischen einer frühen Inflationsphase und der aktuellen Expansion besteht. Es scheint so, als wenn das Universum aus einem - vielleicht mikroskopischen - See von Dunkler Energie hervorgegangen ist, von dem sich ein Drittel als Materie abgekoppelt hat, von der wiederum die baryonische Materie - unsere Lebensbasis - nur einen kleinen Bruchteil ausmacht.
Entscheidend für uns ist unser Ereignishorizont, also der Teil des Universums, den wir in jedem Zeitpunkt theoretisch maximal überblicken könnten. Er markiert gewissermaßen das aktuelle "Ende" unserer Welt. Gehen wir davon aus, dass wir eine Information mittels einer elektromagnetischen Strahlung mit Lichtgeschwindigkeit erhalten könnten, stünden für den Weg zu uns maximal 13,75 Milliarden Jahre zur Verfügung. Dabei ist zu bedenken, dass das Universum anfangs erst durchsichtig werden musste und dass zunächst noch (störender) Wasserstoff im Weltraum anwesend war. Die Information wäre dann genau so alt, der Raum allerdings hat sich seitdem ausgedehnt und unsere Information stammt von einem Ort, der nun viel weiter entfernt ist. Entfernteste Protogalaxien - wie etwa bei UDFy-38135539 beobachtet - zeigen eine Rotverschiebung (z=8,55 entsprechend dem Verhältnis aus Vergrößerung der Wellenlänge seit der Abstrahlung bis zum Empfang zur Wellenlänge bei der Abstrahlung, also delta Lambda/Lambda), was in diesem Fall einer Expansion des Raums zwischen der Emission (dem Absenden) des Lichts bis zum jetzigen Empfang um dem Faktor 9,55 entspricht. Bei dem Objekt UDFj-39546284 wurde das Licht sogar vor 13,4 Milliarden Jahren emittiert, 400 Millionen Jahre nach dem Urknall (entsprechend einer Rotverschiebung von z=11,9).
Hinter unserem Ereignishorizont könnte außerdem - falls die Inflationstheorie zutrifft - ein großer Teil des Universums existieren, den wir nicht überblicken können (vgl. auch Dunkle Strömung). Welchen Anteil am gesamten Universum wir überblicken können, hängt von seiner Form oder anders gesprochen von seinen Bestandteilen ab. Von einem geschlossenen Universum könnten wir jetzt vielleicht 1/3 überblicken, in der Zukunft immer mehr und in der Phase der Kontraktion am Ende alles. Ein offenes Universum hat dagegen einen endlosen Vorrat an zukünftigem Raum. In ihn haben wir - abhängig von seiner Expansionsgeschwindigkeit - auch in der Zukunft nur einen teilweisen Einblick. Die aktuellen Vorstellungen der Kosmologen deuten in diese Richtung, denn die Fluchtgeschwindigkeit entferntester Galaxien ist nahe an der Lichtgeschwindigkeit. Da Kosmologen annehmen, der Raum könnte prinzipiell schneller als mit Lichtgeschwindigkeit expandieren, könnte in diesem Szenario von unserem Standpunkt aus in Zukunft nur ein immer kleinerer Teil des Universums überblickt werden.
Unser Ereignishorizont umgibt uns in allen Richtungen gleichförmig. Wenn wir uns keinen exklusiven Standort anmaßen wollen gilt das genau so für jeden anderen Ort im Universum. Das Universum hätte demnach keinen Rand und kein Zentrum, obwohl jeder Beobachter an irgendeinem beliebigen Ort überzeugt sein könnte, er sei genau im Mittelpunkt, denn stets wird er beobachten: Alle entfernten Galaxien bewegen sich von ihm fort. Man kann davon ausgehen, dass nur der Teil des Universums bis zu unserem Ereignishorizont irgend eine Bedeutung für uns hat und auch irgendeine Wirkung auf uns ausüben kann. Für uns existiert kein Raum mit physikalischer Bedeutung "dahinter". Falls wir uns in Gedanken erlauben, einen mathematischen Raum dahinter zu konstruieren, würde der nach dem Inflationsmodell noch teilweise Materie enthalten. In dem für uns nicht sichtbaren Bereich könnte - jedenfalls prinzipiell - Unerwartetes etwa eine Unregelmäßigkeit der Dichteverteilung der Materie existieren, die sich durch Strahlung in der vormateriellen Frühphase des Universums nicht ausgleichen konnte und es ist möglich, dass sich auch ein "Rand" dort verbergen kann.
Für den Formenreichtum im Universum und die Entstehung des Lebens in ihm sind die Lebensläufe der Sterne wichtig. Bei der Sternentstehung mit Verdichtung von Materie aus einer kalten Gas- und Staubwolke zu einem kugelförmigen "Körper" erzeugt die Gravitationsenergie im Zentrum einen hohen Druck und eine wachsende Temperatur. Die verhindert zunächst durch die heftige Bewegung der Teilchen eine weitere Verdichtung. Bis zu einer Masse von 1/12 der Sonnenmasse oder 75 Jupitermassen entsteht so ein wenig strahlender Himmelskörper (Brauner Zwerg), der mit seinem geringen Vorrat an Deuterium Helium-3 fusionieren kann aber bei weniger als 13 Jupitermassen als planetenähnlicher Himmelskörper keine Möglichkeit einer Fusionsreaktion zur Energiegewinnung hat. Zwergsterne oder planetenähnliche Himmelskörper sind vermutlich zahlreich in jeder Galaxie auch als "Einzelobjekt" vertreten. In unserer Umgebung innerhalb von 60 Lichtjahren befinden sich etwa 500 Braune Zwerge. Sie sind schwer zu finden, weil sie von "echten" massereicheren Sternen überstrahlt werden, in deren Zentrum die Fusion von Wasserstoff zu Helium-4 gezündet hat. In ihrem Zentrum sind Temperatur und Druck stark genug, dass es Wasserstoffkernen (positiv geladenen Protonen) gelingt - der quantenmechanische Tunneleffekt hilft ihnen dabei - die gegenseitige elektrostatische Abstoßung der Protonen zu überwinden und sich zu schwereren stabilen Kernen, zunächst Helium, zusammenzulagern. Die starke Kernkraft setzt bei dieser Verdichtung der Atomkerne so viel Energie frei, dass der Energiegewinn dieser Kernfusion den Stern stärker bis zu einem quasistationären Gleichgewicht aufheizen und wegen des hohen Vorrats von Wasserstoff als "Brennmaterial" lange zum Leuchten bringen kann. Wie lange das andauert, hängt vor allem von seiner Masse und dem Anteil an Wasserstoff ab. In einem sehr massereichen Stern laufen die Fusionsprozesse sehr heftig ab - etwa entsprechend seiner Masse hoch 3,5 (~m3,5) - und er verbraucht seinen Wasserstoff in wenigen Millionen Jahren. Sterne mit geringer Masse leuchten dagegen viele Milliarden Jahre, ihr Geburtsdatum kann schon vergleichbar mit dem des Universums zurückliegen und Sterne mit nur 100 Jupitermassen können eine Billion Jahre leuchten. Der Wasserstoff wird aber schließlich im Innern jedes Sterns rar. In massereichen Sternen reichen Dichte und Temperatur im Zentrum zum Zünden weiterer Brennzyklen aus, in denen schwerere Atomkerne z.B. Kohlenstoff aus Helium, Natrium, Neon und Magnesium aus Kohlenstoff, Sauerstoff aus Neon, Schwefel und Silizium aus Sauerstoff und aus diesen schließlich Eisen gebildet wird. Solche Brennzyklen laufen schneller ab und können gleichzeitig mit schalenförmig weiter außen noch ablaufenden bereits vorher "gezündeten" Kernfusionen existieren. Beim Endprodukt Eisen liegt schließlich der schwerste Atomkern vor, der noch mit Energiegewinn gebildet werden kann. Alle massereichen Sterne mit mehr als 8 Sonnenmassen bilden am Ende einen Eisenkern aus umgeben von Schalen mit leichteren Fusionsprodukten. Durch Neutroneneinfang an vorhandene Kerne bilden sich in einem langsamen Prozess auch schwerere Kerne als Eisen. Weil die Brennzyklen immer rascher ablaufen und jeweils mit einem wachsenden Energieumsatz verbunden sind, bläht sich der Stern zum "Roten Riesen" auf, der Stern wird instabil. Der Strahlungsdruck übersteigt im Außenbereich die Gravitation, er dehnt sich aus, erhöht seine Leuchtkraft und seine äußeren Schichten können abgestoßen werden (Nova). Ein solcher veränderlicher Stern verkleinert damit seine Masse, seine Leuchtkraft nimmt ab. Er kann jedoch erneut zu einer Nova aufleuchten, wenn in ihm neue Brennzyklen zünden können oder wenn er Material aus seiner Umgebung - etwa von einem Begleitstern - einsammeln kann. Letztlich erlischt die Fusion aus Mangel an Fusionsmaterial und der Kern mit den Fusionsprodukten - Helium, Kohlenstoff, Sauerstoff oder Eisen - bildet einen "Weißen Zwerg". Der enthält am Ende der Fusionsreaktion kein Lithium mehr. Mit zunehmender Abkühlung schrumpft der Stern unter dem Gravitationsdruck seiner äußeren Schichten. Bei massereichen Sternen wächst der Druck im Innern dann so an, dass der Kern immer kleiner wird. Dem Einsturz wirkt zunächst der Entartungsdruck der Elektronen entgegen, die sich nach dem Pauliprinzip einer weiteren gegenseitigen Annäherung so lange widersetzen bis sie schließlich Lichtgeschwindigkeit erreichen und nun einer weiter wachsenden Gravitationskraft nichts mehr entgegensetzen können. Der Kern des Sterns bricht zu einem kompakten Neutronenstern zusammen. Die bei der Kontraktion freigesetzte Energie wird vermittelt durch die freigesetzten Neutrinos teilweise an äußere Sternschichten übertragen, die als "planetarischer" Nebel meist mit einem hohen Anteil an Stickstoff und Kohlenstoff explosiv in den umgebenden Raum verstreut werden (Supernova vom Typ 1b oder c, in deren Spektren keine Siliziumlinien beobachtet werden). Ein für die Kosmologie besonders interessanter Fall liegt vor, wenn der ausgebrannte Zwergstern in einem engen Doppelsternsystem aus seiner Umgebung sozusagen langsam Material einsammeln kann und schließlich die 1,4-fache Sonnenmasse überschreitet. Dann ereignet sich eine Supernovaexplosion vom Typ 1a (mit Siliziumlinien im Spektrum) mit stets weitgehend konstanten Eigenschaften.
Die untere Grenzmasse - bei der der Entartungsdruck der Elektronen nicht mehr ausreicht den Kollaps zum Neutronenstern zu verhindern - ist vom Sternmodell abhängig und insofern auch von der chemischen Zusammensetzung: Wenn die Fusion im ursprünglichen Stern bis zu einem großen Eisenkern fortschreiten konnte, genügen 0,9 Sonnenmassen, den Kollaps zum Neutronenstern auszulösen. Ab der 1,4-fachen bis zu einer oberen Grenze von der 3,2-fachen Masse unserer Sonne (Chadrasekhar-Grenzmassen) entsteht immer ein Neutronenstern. Dieser Kollaps läuft schockartig mit hoher Geschwindigkeit ab, bis sich Neutronen gegeneinander nicht weiter komprimieren lassen (Pauli-Prinzip für Neutronen). Ein kleiner Teil der gewaltigen freigesetzten Gravitationsenergie erzeugt eine nach außen gerichtete Druckwelle. Sie breitet sich mit Schallgeschwindigkeit aus, die bei der extrem hohen Dichte und Temperatur im Zentrum nahe an der Lichtgeschwindigkeit liegen kann. Mit abnehmender Dichte der Materie nach außen nimmt die Schallgeschwindigkeit immer mehr ab mit der Folge, dass sich eine gigantischen Schockwelle aufbaut (besonders bei Supernova vom Typ 2, deren Spektrum Linien von Wasserstoff und Helium enthält). In dieser Schockfront werden durch Einlagerung von schnellen Neutronen (r-Prozess), vielleicht auch von Protonen und Heliumkernen in vorhandene Atomkerne etwa von Eisen andere schwere Kerne wie Kupfer, Silber, Gold, Kobalt, Titan gebildet - darunter auch radioaktive Isotope. Wenn der Neutronenstern Bestandteil eines Doppelsternsystems ist, kann er vom Begleiter Wasserstoffgas abziehen, das mit hoher Geschwindigkeit auf die Oberfläche des Neutronensterns trifft. Dort könnte das Proton in vorhandene Kerne eingelagert, fusioniert werden und gemeinsam mit Neutronen des Sterns schwerere Kerne bilden. Das scheint ein weiterer Weg zu sein, weshalb im Universum Elemente mit höherer Ordnungszahl als Eisen auftreten können. Besonders massereiche Kerne wie Thorium, Uran und Plutonium entstehen nach Meinung einiger Forscher vielleicht eher bei der Vereinigung von Neutronensternen. Die in einer Supernova gebildeten Atomkerne werden mit den in den in äußeren Schichten schon enthaltenen Elementen wie Magnesium, Silizium und Sauerstoff in den Raum geschleudert. Die innerhalb weniger Tage freigesetzte Energie entspricht der Strahlung unserer Sonne während ihres gesamten Lebens - diese Supernova strahlt wie einige Milliarden Sonnen. Während der Supernova werden Neutrinos erzeugt, die den größten Teil der freigesetzten Gravitationsenergie in den Weltraum tragen. Gemessen wurden Neutrinos von der Supernova 1987A in der 160.000 Lichtjahre entfernten Großen Magellanschen Wolke. Die Oberfläche eines "jungen" Neutronensterns hat verglichen mit der Sonnenoberfläche eine viel höhere Temperatur, so dass thermische Strahlung im Röntgenbereich emittiert wird. Die Oberflächentemperatur bleibt dauerhaft hoch und die Röntgenstrahlung ist besonders intensiv, wenn Materie etwa von einem benachbarten Begleitstern auf den Neutronenstern stürzt.
Der zurückbleibende "Neutronenstern" von etwa 12km Durchmesser ist um so kleiner je mehr Masse er enthält. Als maximale Massengrenze für einen nicht rotierenden Neutronenstern nimmt man 2,16 Sonnenmassen an. Darüber würde er zu einem Schwarzen Loch kollabieren, bei rotierendem Stern bei vielleicht 2,6-facher Sonnenmasse. Kleinste Schwarze Löcher sind bei etwa 3 Sonnenmassen nachgewiesen - beispielsweise mit der 2,9-fachen Masse ein solches nahe seinem Begleitstern V723 Mon. Über den inneren Aufbau von Neutronensternen wird spekuliert: Unter einer heißen wenige Zentimeter dicken festen Oberfläche aus Eisen könnten sich anderen Isotope mit vielen Neutronen befinden, die unter irdischen Bedingungen nicht stabil und radioaktiv wären. Tiefer mit steigendem Druck werden Elektronen in Atomkerne gedrückt, wobei Protonen mit Elektronen in Neutronen verwandelt werden (inverser Betazerfall), noch vorhandene Protonen und Elektronen erzeugen trotz der hohen Temperatur Supraleitung und freie Neutronen bewegen sich wie in einer Supraflüssigkeit, Atomkerne werden verformt, sozusagen platt gedrückt. Weiter im Inneren rücken die Kernteilchen mit wachsendem Druck immer mehr zusammen und bilden dicht gepackte Paare aus Neutronen mit antiparallelen Spins. Ganz im Zentrum könnte bei einer Milliarde Grad vielleicht sogar ein Plasma aus Quarks und Gluonen entstehen. Beobachtbare Botschaften von Neutronensternen und Magnetaren können uns über extreme Zustände von Materie noch viel verraten, in irdischen Experimenten können wir solche extremen Bedingungen nicht nachbilden.
Bei dem Kollaps zum Neutronenstern bleiben ein ursprünglicher Drehimpuls und ihr magnetisches Moment erhalten. Weil ihr Drehimpuls auf die im kleinen Volumen verdichtete Materie übertragen wird, rotieren Neutronensterne schnell (man beobachtet 0,1 bis 640 Umdrehungen pro Sekunde). In allen Sternen entstehen im Inneren Magnetfelder durch die turbulente Bewegung der ionisierten Gase. Deren Orientierung gleicht sich in der Summe meist aus. Wenn der ursprüngliche Kern des Sterns im Moment der Supernova zufällig ein resultierendes Magnetfeld aufwies, wird auch dieses Magnetfeld komprimiert und erreicht dadurch einen gewaltigen Wert ("Magnetar"). Bei vielleicht 10% der Neutronensterne ergeben sich an der Oberfläche hohe Feldstärken bis zu 108Tesla . So gewaltige Magnetfelder weisen auch darauf hin, dass im Inneren des Sterns vermutlich Ströme verlustlos transportiert werden vergleichbar einer Supraleitung und dies trotz der dort wahrscheinlich hohen Temperatur im von einigen 100.000° K. Das starke mit dem Stern schnell rotierende Magnetfeld reicht einige 1000 km in den Raum hinaus und baut dort elektrische Felder auf. Das starke mit dem Stern schnell rotierende Magnetfeld reicht einige 1000 km in den Raum hinaus und baut dort elektrische Felder auf. Auf geladene Teilchen nahe der Oberfläche des Sterns wirken deshalb Kräfte, die die dort herrschende gewaltige Schwerkraft noch bei weitem übertreffen. Solche Teilchen bewegen sich entlang der magnetischen Feldlinien und erzeugen elektromagnetische Strahlung, die bevorzugt in Richtung der Magnetachse abgestrahlt wird. Die Prozesse am Entstehungsort sind vielfältig - hängen von lokalen Bedingungen ab. Das Spektrum der beobachteten Strahlung reicht vom Radiobereich bis zu Gamma-Strahlung. Die bei uns beobachtete Strahlung pulsiert mit der Rotationsfrequenz ("Pulsar"), wenn Rotationsachse und Magnetpole (wie bei der Erde) voneinander abweichen. Umlauffrequenzen zwischen 0,12Hz und 700Hz wurden beobachtet. Das Bild links veranschaulicht die Summe der verschiedenen Strahlungsanteile des Krebsnebelpulsars, dem Rest der Supernova im Sternbild Taurus (Entfernung 5.500 Lichtjahre). Im Jahr 1054 war sie für einige Wochen sogar am Taghimmel zu sehen und noch heute sendet uns dieser Pulsar 30 mal pro Sekunde Photonen bis zur heftigen Energie von 400 GeV. Ein 0,2s andauernder Blitz oder Burst von Gammastrahlung (am 27. Dez. 2004) wird einem Magnetar in 50.000 Lichtjahren Entfernung (SGR 1806-20) - also noch innerhalb unserer Galaxis - zugeschrieben. Vielleicht ist sein Magnetfeld oder ein Teil davon plötzlich zusammengebrochen und hat die in ihm gespeicherte Energie abgegeben. Ein solches Verhalten erinnert an den bekannten Zusammenbruch der Supraleitung beim Überschreiten der kritischen Magnetfeldstärke.
Wenn ein massereicher Stern (Wolf-Rayet-Stern, Typ O oder B) mit anfangs mehr als 30 Sonnenmassen nach der Supernova einen Kern mit mehr als 3,2 Sonnenmassen zurücklässt, hilft der Fermi-Druck (nach dem Pauli-Prinzip) auch den Neutronen im Zentrum nicht mehr dem Druck der Gravitationskräfte der äußeren Schicht zu widerstehen. Diese Obergrenze für die Masse eines Neutronensterns (Tolman-Oppenheimer-Volkoff-Grenze) von 3,2 Sonnenmassen ergibt sich, wenn im Zentrum die Schallgeschwindigkeit der Neutronen den Wert der Lichtgeschwindigkeit erreicht. Die genaue Grenzmasse lässt sich theoretisch nicht genau beziffern, denn noch ist zu wenig über die extrem dichten Materieformen bekannt. Aus Beobachtungen wird eine Untergrenze von 3 Sonnenmassen für ein Schwarzes Loch geschätzt (etwa bei IGR J17091-3624). Die in Neutronensternen extrem dicht gepackte Materie aus Paaren von Neutronen wird weiter zusammengedrückt - vielleicht zunächst um den Faktor 3. Bei weiter wachsendem Druck könnten die Neutronen in ihre Bestandteile - in ein Quark-Gluonen-Plasma - zerlegt werden, einer Flüssigkeit vergleichbar, noch zehntausendfach dichter gepackt. Ob es mehrere solcher Stufen weitergehender Materieverdichtung gibt, ist ungewiss. Die uns bekannte baryonische Materie besteht aus Fermionen, Teilchen also, die ein Volumen beanspruchen, sich wegen ihres Fermi-Drucks nicht beliebig komprimieren lassen. Das gilt nicht für Bosonen - wie etwa Mesonen, Photonen oder Gluonen - welche beliebig komprimiert auftreten könnten, also kein Volumen beanspruchen - abgesehen von durch Heisenbergs Unschärferelation bedingten Raumansprüchen mit der Konsequenz, dass auch Bosonen nicht beliebig komprimiert werden können. Bosonen böten sich immerhin als Kandidaten für einen schalenförmigen Bereich innerhalb des inneren Horizonts eines Schwarzen Lochs an, in dem Materieteilchen - vielleicht Quarks und möglicherweise vor allem Gluonen und Mesonen - gefangen gehalten werden. Dort könnte eine Temperatur von mehreren Billionen Kelvin herrschen, eine so gewaltige Energiedichte, dass das Confinement - die sehr feste "farbneutrale" Bindung zwischen Quarks und zwischen Gluonen - aufgebrochen ist. Treffen Elementarteilchen von außerhalb des Schwarzen Lochs auf diesen inneren Horizont, ist spätestens hier ihre Reise im glühenden Inferno beendet.
Da das benötigte Volumen immer noch zu groß wäre wird sogar spekuliert, Strings könnten nicht nur das Basiselement der Elementarteilchen darstellen sondern dies auch im inneren Horizont eines Schwarzen Lochs. Erkenntnisse zur inneren Natur Schwarzer Löcher erwarte ich von der Quantentheorie und Hochenergie-Teilchenphysik, eher nicht von der Allgemeinen Relativitätstheorie, deren Problem der Singularität mit dem Volumen NULL nicht zu beheben ist. Der Zustand extremer Energiedichte könnte letztlich eine vereinheitlichte Energieform sein, wie wir sie bei der Entstehung der Welt in der Planck-Zeit annehmen. In dem Fall könnte sich die Gravitation als "Gleichmacher" herausstellen, der bei der Geburt eines Schwarzen Lochs die bei der Entstehung der Welt abgelaufene Symmetriebrüche rückgängig machen kann. Da der äußere Ereignishorizont Einblicke nicht erlaubt, befinden wir uns mitten im Bereich der Spekulation: Ich nehme an, dass der (äußere) Ereignishorizont eine reine Rechengröße ohne tiefere Bedeutung ist und innerhalb eines Schwarzen Lochs - so wie wir es bei Neutronensternen auch annehmen - der innere Horizont eine schalenförmige Struktur enthält mit verschiedenen Zuständen unterschiedlicher Energiedichte. Es wird nicht "das" Schwarze Loch geben sondern eine Vielfalt mit unterschiedlichen schalenförmigen Energie- und Materiezuständen jedenfalls gebunden in dem extrem heißen Gefängnis. Das heiße Gefängnis ist sehr stabil - Energie kann in ihm nicht verloren gehen und aus ihm fast nicht entweichen (vgl. Hawking-Stahlung). Die innere schalenförmige Struktur könnte aus Gleichgewichtszuständen bestehen mit jeweils noch stabilen Fermionen und zugehörigen Bosonen (ein Beispiel ist das Plasma aus Quarks und Gluonen). Die Gravitation wirkt wie ein "Gleichmacher", der beim Urknall abgelaufene Symmetriebrüche rückgängig machen möchte. Es ist ja nicht völlig auszuschließen, dass Quarks aus noch kleineren Teilchen aufgebaut sein könnten, die erst bei höheren Energiedichten ungebunden sichtbar werden als wir mit Stoßexperimenten in unseren Teilchenbeschleunigern erreichen können. Es trennen uns noch viele - zu viele - Dezimalen bis zum Erreichen der Planck-Werte. Insofern werden manche Geheimnisse verborgen bleiben und können sich auch im innersten Kern Schwarzer Löcher verstecken. Spekulationen machen Sinn, solange quantenmechanische und andere Regeln unserer bekannten Physik gültig bleiben und jeweils ein teilchenspezifischer mit dem Fermidruck vergleichbarer Druck letztlich die Singularität verhindern kann. In einem solchen Modell liegt die Energie tief in der Potentialmulde, die gravitative Bindung hat ihr potentielle Energie entzogen. Zur eingeschlossenen Energie - die in ihrer Summe letztlich die Stärke der Gravitation bestimmt - trägt die Wechselwirkung zwischen vielleicht noch existierenden Teilchen entscheidend (bei "extrem hoher Temperatur") bei.
Ein solches spekulatives Modell aus Elementen der Teilchenphysik passt nicht zu dem Bild, das der Allgemeinen Relativitätstheorie angemessen wäre. Dort hat der Ereignishorizont reale Wirkung, Raum- und Zeit tauschen ihre Bedeutung. Die Zeitkoordinate würde im Inneren dem Wert NULL zustreben, die Zeit stünde still, der Raum dagegen - wenigstens in einer Dimension - würde beliebig groß. Es wäre Platz in einem Schwarzen Loch. Manche Theoretiker deuten deshalb die Eigenschaft, dass dem Ereignishorizont nichts mehr entkommen kann so, dass der Raum - auch in einem hungernden Schwarzen Loch ohne Materiezufluss - ständig mit Überlichtgeschwindigkeit zum Zentrum strömt, Teilchen, die relativ zum Raum höchstens Lichtgeschwindigkeit aufweisen können, also keine Chance zum Entkommen bleibt. Hier finden wir wieder eine Analogie zur Hypothese der Ausdehnung des Raums im Universum schneller als mit Lichtgeschwindigkeit. Vielleicht kann irgendwann eine übergeordnete Theorie der Quantengravitation gefunden werden, die bisher nicht zu beantwortende Fragen erklären kann.
Von außen bleiben bei einem Schwarzen Loch vor allem Masse und Drehimpuls erkennbar. Das ist wenig, alles andere verbirgt sich hinter dem Ereignishorizont: sozusagen im Jenseits, unterliegt es der kosmischen Zensur. Forscher können immerhin nach beobachtbaren Indizien suchen: Da die Gravitation über diesen Ereignishorizont hinaus wirkt - bietet sie uns mit Gravitationswellen ein Schlüsselloch zum "Hineinschauen" an. Gravitationswellen konnten ja mit Messeinrichtungen auf der Erde mehrfach bei der Vereinigung jeweils zweier stellarer Schwarzer Löcher nachgewiesen werden. Vielleicht gelingt das noch genauer mit Laserinterferometer-Messungen im Weltraum (Projekt LISA). Die abgestrahlten Frequenzen im Moment der Vereinigung der beiden Löcher könnten vielleicht Informationen über den inneren Aufbau der Schwarzen Löcher nach außen tragen. Damit könnte sich ein Schlüsselloch auftun hineinzuschauen und vielleicht auch an Informationen näher am Urknall zu gelangen. Na ja, leider oder besser zum Glück sind solche gewalttätige Objekte sehr weit entfernt... und sich bietende Chancen sind nicht einfach zu ergreifen. Ein anderer Ansatzpunkt ist die genaue Untersuchung des Schattens, den der Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs wirft. Mit verbesserter Auflösung von miteinander verbundenen Infrarotteleskopen etwa wird das Zentrum der Milchstraße untersucht. Auch mit mehreren weit voneinander entfernten Radioteleskopen wird versucht, den Ereignishorizont im Zentrum der Milchstraße und in der Galaxie M87 dar zu stellen (EHT, Event Horizon Telescope). Für M87 ist das teilweise gelungen, indem die von 8 Radioteleskopen empfangene Strahlung mit einem Korrelationsprogramm in ein Bild der Umgebung dieses Schwarzen Lochs mit 6,5 Milliarden Sonnenmassen umgewandelt werden konnte. Man hofft die Winkelauflösung weiter steigern zu können, so dass künftig noch mehr Details erkannt werden können.
Befassen wir uns mit dem ein Schwarzes Loch umgebenden kugelförmigen Ereignishorizont. Sein Radius wird auch als Schwarzschildradius bezeichnet nach den von Karl Schwarzschild 1916 gefundenen Lösungen der Feldgleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie für ein nicht rotierendes Schwarzes Loch. Dieser Radius ist eine Rechengröße. Meiner Meinung nach spricht wenig dafür, dass dahinter eine völlig andere geheimnisvolle Welt mit anderen Naturgesetzen beginnen könnte. Wir bleiben der Einfachheit halber bei diesen Bezeichnungen, obwohl nicht von einem Radius gesprochen werden dürfte sondern besser von einer (Kugel-)Fläche, einem Ereignishorizont, denn der Raum ist durch die Masse gekrümmt, "radiale" Entfernungen verlängern sich, ein größeres Volumen passt innerhalb eine Kugel-Oberfläche. Mit seinem Ereignishorizont kapselt sich ein Schwarzes Loch von unserer Welt ab, es verlässt sozusagen unsere Raumzeit. Wollte sich ein unmittelbar am Ort des Schwarzschildradius befindliches Teilchen von der Anziehung des Schwarzen Lochs befreien, müsste es dazu mindestens Lichtgeschwindigkeit in radialer Richtung aufweisen. Da das - wie wir wissen - unmöglich ist, können selbst Lichtstrahlen von Innen nicht zu einem entfernten Beobachter in unserer Welt gelangen. Uns ist "kein Blick in sein Inneres" erlaubt. Wie oben beschrieben wurde, kann der zur Bildung eines Schwarzen Lochs nötige extrem hohe Druck durch die Massenanziehung im Zentrum eines erkaltenden massereichen Sterns erzeugt werden. Mit diesem Mechanismus können keine kleinen Minilöcher entstehen. Eine durch Gravitation bewirkte Massenansammlung kann nur ein Schwarzes Loch mit der oben genannten Mindest-Masse erzeugen und damit entsteht auch ein Schwarzschildradius von mindestens 5 km. Es gibt jedoch Spekulationen, dass es in der Frühphase des Universums sehr viel masseärmere instabile (primordiale) schwarze Löcher gegeben haben könnte. Man versucht sie in Teilchenbeschleunigern zu erzeugen und ihren sofortigen Zerfall zu beobachten. Der Ereignishorizont wächst proportional mit der Masse und erreicht bei 50 Millionen Sonnenmassen den Radius der Erdbahn um die Sonne. Schwarze Löcher mit viel größerer Masse werden im Zentrum vieler Galaxien vermutet. Aber alle bisher bekannten Schwarzen Löcher sind für eine direkte Beobachtung ihres Ereignishorizonts bislang zu weit von uns entfernt. Immerhin gelang ja mit dem Event Horizon Telescope (EHT) bei einer Radiowellenlänge von 1,3mm (einer Frequenz von 2,3GHz) die direkte Abbildung der Akkretionsscheibe des Kerns der aktiven Galaxie M87. Der Ereignishorizont ist kein Hindernis für die Gravitationswirkung. Existenz und Masse eines Schwarzen Lochs sind für uns indirekt durch seine Anziehung benachbarter Sterne erkennbar. Im Zentrum der Milchstraße wurde auf diese Weise ein massives Schwarzes Loch mit 2,6 Millionen Sonnenmassen entdeckt.
Ein nicht rotierendes Schwarzes Loch entspricht wegen der Erhaltung des Drehimpulses während seiner Entstehung eher nicht der Realität. Sobald Materie nicht radial in das Loch fällt, überträgt sie ihm einen Drehimpuls. Lösungen der Feldgleichungen für ein rotierendes Schwarzes Loch wurden 1963 von Roy Patrick Kerr (und in allgemeinerer Form 1967 von Boyer und Lindquist) gefunden. Die Kerr-Lösung beinhaltet die Schwarzschildlösung beim Drehimpuls 0. Es ist nützlich, sich die punktförmige Singularität mit wachsendem Drehimpuls als eine kreisförmige vorzustellen. Für den Drehimpuls gibt es eine maximale Grenze, wodurch auftreffende Teilchen reflektiert werden, die ihn weiter vergrößern würden. Die in der kreisförmigen Singularität konzentriert gedachte Masse rotiert dann mit der halben Lichtgeschwindigkeit. Der Radius dieses Kreises für ein "Kerr-Loch" mit maximaler Rotation entspricht dem halben Schwarzschildradius des nicht rotierenden Lochs. Die Raumzeit wird nahe der Singularität von der Drehung mitgenommen, sozusagen aufgewickelt. Der Bereich, in dem die Rotation der Raumzeit dominierenden Einfluss hat, nennt man - wie schon erwähnt - Ergosphäre. Ihre ellipsoidförmige Gestalt erstreckt sich in der Äquatorebene bis zur doppelten Ausdehnung der Singularität, an den Polen halb so weit. Die Länge vom halben Schwarzschildradius wird "Gravitationsradius" dieses Lochs genannt. Bei allen Versuchen, innerhalb des Ereignishorizonts sich ein strukturiertes Innenleben anschaulich vorzustellen, gelangen wir an Grenzen. Die Allgemeinen Relativitätstheorie (ART) beschreibt, wie sich Koordinaten von Raum und Zeit bei Annäherung an den Ereignishorizont von außerhalb krümmen. Innerhalb des Ereignishorizonts könnten die Koordinaten von Raum und Zeit vertauscht sein. Während die Zeit einem "Endpunkt" an der Singularität zustrebt, erscheinen nun Raumkoordinaten nicht begrenzt. In einem von außen betrachtet endlichen Volumen könnte sich nicht vorstellbar endlos viel Raum befinden. Jede durch Masse bewirkte Krümmung des Raums verlängert auch schon außerhalb des Ereignishorizonts die Entfernung in radialer Richtung. So wie wir physikalisch eine Singularität nicht zulassen können, versagt uns die ART eine Beschreibung des Innenlebens der Schwarzen Löcher.
Anschaulich dagegen sind Bahnen verschiedene Teilchen, die sich einem Kerr-Loch maximaler Rotation in der Äquatorebene nähern: Ein Teilchen, hat in großer Entfernung einen Impuls, der am Loch genügend weit vorbei zielt. Dann beschreibt es eine Hyperbel vom Keppler-Typ und entfernt sich wieder vom Loch. Wenn es in großer Entfernung vom Loch jedoch nur minimale Geschwindigkeit hatte, darf es sich dem Loch nicht sehr annähern, sonst wird seine Bahn instabil und es fällt ins Loch. Der minimale Abstand zur Rotationsachse des Lochs entspricht beim Anflug in Richtung der Rotation dem Gravitationsradius, entgegen der Rotation aber mindestens 6 Gravitationsradien. Auch ein Photon eines Lichtstrahls darf in Rotationsrichtung minimal einen Gravitationsradius nahe sein, entgegen der Rotation minimal 4 Radien, will es nicht verschluckt werden. Man erkennt eine starke Richtungsabhängigkeit und auch, dass die kritischen Entfernungen beim Auftreffen in Rotationsrichtung des Lochs identisch zum Radius der Singularität sind. In dieser Richtung werden Teilchen, die aus großer Entfernung schon Energie und Drehimpuls mitbringen quasi reflektiert, sie entkommen. Lichtstrahlen werden in dieser Richtung gebündelt, während sie entgegen der Rotation des Lochs bei gleicher Entfernung verschluckt werden. Abhängig von seinen Bahnparametern und der Drehrichtung des Lochs kann deshalb ein in die Ergosphäre eindringendes Teilchen beschleunigt und wieder nach außen oder verzögert und zum Loch gelenkt werden. Bei geringerer Rotation des Lochs nähert sich alles der Kugelsymmetrie an, der Gravitationsradius vergrößert sich mit abnehmender Rotation bis zum Schwarzschildradius. Die Abgrenzung eines rotierenden Lochs zur Umgebung ist jedenfalls komplex und orientierungsabhängig, eine Mitnahme der Raumzeit, die sich um das rotierende Loch gewissermaßen aufwickelt, erschwert zusätzlich den Überblick für den Ablauf. Selbst ein nicht rotierendes Loch hat keine scharf sichtbare Begrenzung am Horizont. In der Nähe eines Schwarzen Lochs (etwa durch Reibung von Materie) entstandene Photonen haben es sehr schwer zu entkommen, denn sie müssen exakt eine radiale Richtung weg vom schwarzen Loch haben und erleiden eine extreme Rotverschiebung. Künstlerische Darstellungen mit scharfem Rand sind falsch.
Massive Schwarze Löcher sind im Zentrum vieler (vielleicht fast aller) Galaxien zu finden und spielen vermutlich eine Rolle als Keim bei deren Entwicklung. Für die äußeren Bezirke einer entwickelten Galaxie spielen sie andererseits eine untergeordnete Rolle, ihr Masseanteil liegt bei nur 0,1 bis 0,2%. Das Bild rechts zeigt das Zentrum der elliptischen Galaxie M87 im Virgo-Haufen - zu dem auch unsere Milchstraße gehört - mit einem gewaltigen Schwarzen Loch von 2 bis 3 Milliarden Sonnenmassen. Vielleicht ist es aus der Vereinigung mehrerer Galaxien entstanden. Es ist nicht nur besonders groß, auch ein sehr aktiver Materiefresser. Wenn Materie in die Ergosphäre des Lochs strudelt, erhitzt sie sich zunehmend, wird schließlich ionisiert. Bewegte geladene Teilchen erzeugen magnetische Felder - vergleichbar denen in einem Generator. Ein Teil der aufgesaugten Materie wird an den Polen des Schwarzen Lochs als Strahl geladener Teilchen von magnetohydrodynamischen Wellen gebündelt weit in den Raum geschleudert (Millionen Lichtjahre weit, vgl. dazu auch Blasar, Quasar). Dieser magnetisch getriebene Jet kann - wie oben schon festgestellt wurde - extrem schnelle Protonen und elektromagnetische Strahlung bis in den energiereichen Gamma-Bereich erzeugen. Protonen gelangen wegen im Raum vorhandener Magnetfelder nicht auf geraden Bahnen zu uns, erreichen uns als kosmische Strahlung. Die energiereichsten Anteile der kosmischen Strahlung stammen vermutlich vorwiegend aus uns am nächsten gelegenen aktiven galaktischen Kernen (wie NGC5128 und M87). Die Reise von energiereichen Protonen (bis 1020eV) oder Photonen (Gamma-Strahlung bis 1014eV) aus fernen Teilen des Universums ist jedenfalls erstaunlich. Ihre Energie kann so groß sein, ausreichend zur Paarerzeugung neuer Teilchen. Um die Impulserhaltung zu gewährleisten, wären dafür Stoßpartner erforderlich. Nur Photonen der kosmischer Hintergrundstrahlung sind im durchschnittlich sehr leeren Weltraum reichlich vorhanden, ihr geringer Impuls (ihre geringe dynamische Masse) erschwert jedoch eine Wechselwirkung. Mit der Messung hochenergetischer Strahlungen (besonders von Protonen, Photonen und Neutrinos) werden bisher ungenügend verstandener Prozesse im Universum untersucht. Ungeladene Teilchen wie Gamma Strahlung werden durch im Raum vorhandene Magnetfelder nicht abgelenkt, so dass ihre Richtung die Quelle identifizieren hilft. Zu 90% besteht die kosmische Strahlung aus Protonen, den Rest bilden Heliumionen und sehr geringe Anteile Ionen schwererer Elemente. Von der Sonne stammende kosmische Strahlung hat geringere Energie, wird durch das Magnetfeld der Erde abgelenkt und an den Polen gesammelt.
Wenn die Umgebung eines massiven Lochs nur wenig Materie enthält, kann es inaktiv und fast nur noch an seiner Gravitationswirkung erkennbar sein wie im Zentrum der Milchstraße. Immerhin, wenn es etwa einen Kometen verschlungen hatte, können wir einen Strahlungsausbruch bemerken. Die Stabilität jeder Galaxie wird wenigstens im zentralen Bereich durch die Zentrifugalkräfte hergestellt, die mit der Bewegung der Massen um das Zentrum verbunden sind. Diese Stabilität wird während einer Galaxienkollision gestört und Materie gelangt wieder ins Zentrum. Wenn Material dagegen aus seiner regulären Bahnbewegung heraus in das zentrale Loch strudelt, würde es dessen Drehimpuls vergrößern. Wie wir diskutiert haben, kann mit wachsendem Drehimpuls des Lochs Materie an der Ergosphäre reflektiert werden. Es scheint mehrere Ursachen dafür zu geben, weshalb ein Schwarzes Loch sich nicht beliebig schnell vergrößern kann. Massive Schwarze Löcher können sich - aus verschiedenen Gründen - vielleicht nur 100 Millionen Jahre lang als aktive Materiefresser hervortun. Der Bereich um das Schwarze Loch in unserem galaktischen Zentrum - das zeigen Aufnahmen im Infrarotbereich - enthält wenig Gas, das Zentrum ist inaktiv. Das muss nicht für alle Zeiten so bleiben. Wenn sich etwa Milchstraße und Andromeda durchdringen, wird eine Aktivierung beider Zentren stattfinden. Die beiden supermassiven Schwarzen Löcher werden letztlich umeinander tanzen, indem sie mit ihrer Gravitation Sterne beschleunigen und in den Raum katapultieren werden sie Bewegungsenergie abbauen und können sich annähern, schließlich Gravitationswellen erzeugen und irgendwann ineinander stürzen. Ein solches Ereignis in unserer galaktisch nahen Umgebung erzeugt für die Erde starke Gravitationswellen.
Da es in der Jugendzeit der Milchstraße viele massereiche Sterne mit kurzem Lebenszyklus gegeben haben muss, können wir in unserer Galaxis mit sehr vielen Millionen Neutronensternen und vielleicht bis zu 100 Millionen "kleinen stellaren" Schwarzen Löchern rechnen. Wenn in der unmittelbaren Umgebung eines stellaren Schwarzen Lochs - auch als "Mikroquasar" bezeichnet - keine Materie im Raum vorhanden ist, umkreist es inaktiv, normalerweise unentdeckt und friedlich wie ein Stern das Zentrum der Milchstraße. Das Auffinden eines solchen Mikroquasars gelingt, wenn er sich von uns aus gesehen vor ein sichtbares Objekt bewegt. Dann verdunkelt sich der dahinter liegender Stern nicht, sondern seine Helligkeit nimmt zeitweilig zu, da sein Licht wie durch eine "Mikro-Linse" - durch die Gravitationswirkung eines kompakten nicht strahlenden Objekts - gesammelt wird. Hier handelt es sich auch um einen Gravitationslinseneffekt - nicht verursacht durch weit entfernte und dort weiträumig verteilte Dunkle Materie sondern durch ein massives Objekt, durch ein Schwarzes Loch also, einen Neutronenstern oder einen ausgebrannten Stern. Ein nicht sichtbares stellares Schwarzes Loch umkreisende Sterne können es auch verraten. Nach dem aktuellen Stand befindet sich -das nächste- stellare Schwarzes Loch in 1560 Lichtjahren Entfernung (Gaia BH1). Auf diese Weisen werden in der Milchstraße und den benachbarten Galaxien indirekt immer mehr - inzwischen schon einige 100 - stellare Schwarze Löcher mit 3,5 bis 15 Sonnenmassen entdeckt, mehrere in Entfernungen von wenigen 1000 Lichtjahren, eines wird sogar in der "geringen" Entfernung von 12 Lichtjahren (isolated black hole IBH 1645+45) vermutet.
Nicht alle stellaren Schwarzen Löcher sind ständig inaktiv. So wurde bei V4641 Sagittarii (1600 Lichtjahre entfernt) im Jahr 1999 ein Ausbruch von Röntgenlicht (bis in den Radiobereich) über einen Tag lang beobachtet. Ein hineinstürzender Meteorit hat uns damit die Existenz dieses Lochs vorgeführt. Bei einem Doppelsternsystem kann über längere Zeiträume Materie aus dem Begleitstern gezogen werden und den Drehimpuls bis zur maximalen Rotation des Kerr-Lochs erhöhen. Ein solches Schwarzes Loch kann naturgemäß wegen seiner Aktivität leichter entdeckt werden wie das Beispiel von A0620-00 zeigt (etwa 3000 Lichtjahre entfernt). Um den kleinen Gravitationsradius in der Größenordnung von 10km bildet sich dann eine Akkretionsscheibe von wenigen 1000km Durchmesser. Wegen der kleinen Distanzen treten gewaltige Gravitations- und Zentrifugalkräfte auf, Energie wird intensiv umgesetzt und im kurzwelligen UV- oder Röntgenbereich abgestrahlt, Intensitätsschwankungen - bei aktiven galaktischen Kernen im Zeitbereich von einigen Stunden - treten hier schon in Sekunden auf. Die rasche Rotation (geladener) Ionen erzeugt ein starkes Magnetfeld in Richtung der Rotationsachse. Um diese Achse kreisende Elektronen leuchten mit ihrer Synchrotronstrahlung.
Wenn ein inaktives stellares Schwarzes Loch irgendwo in der Milchstraße uns gegenüber als ein friedlicher und unscheinbarer Geselle erscheint, muss uns doch bewusst bleiben, dass entsprechend der Definition seines Ereignishorizonts dort Relativistisches und uns extrem Ungewohntes abläuft. Die Krümmung der Raumzeit bewirkt merkwürdige Verläufe von Lichtstrahlen. Nähert sich ihm Materie - im Gedankenexperiment etwa ein Raumschiff - wird die Anziehungskraft bei der Annäherung an den Horizont so groß, dass es kein Entrinnen gibt. Das Raumschiff wird bis nahe an die Lichtgeschwindigkeit beschleunigt. In einem "freien Fall" in das Loch würde die Beschleunigung gar nicht gespürt werden. Doch gerade bei "kleinen" stellaren Schwarzen Löchern wirken bei der Annäherung Gezeitenkräfte, die das Raumschiff auseinander reißen und zwar in Richtung zum Schwarzen Loch, senkrecht dazu pressen sie es in sich zusammen. So werden schließlich die elektronischen Bindungskräfte in festen Körpern übertroffen. In der Nähe des Horizonts löst sich ein Körper schließlich auf, er wird atomisiert, ionisiert und Ionen geben mit zunehmender Beschleunigung Strahlung ab und erzeugen das erwähnte Magnetfeld. Könnte sich ein Raumfahrer im Gedankenexperiment nahe am Horizont aufhalten, würde seine Uhr für uns entfernte Beobachter fast stehen bleiben, alle seine Bewegungen wären für uns verlangsamt, von ihm ausgesandte Signale würden eine extreme Rotverschiebung zeigen, während für ihn selbst die gesamte Umgebung im äußeren Raum - auch die seitliche und eigentlich unter sich erwartete - auf ein Loch über sich zusammengedrängt blauverschoben und im Zeitraffer erschiene. Er stünde unter einem Schlüsselloch, nein einem echten Tor zur "Ewigkeit".
Mit den zeitgemäßen "Werkzeugen" (Teleskopen, Radioteleskopen...) können wir fast bis an unseren Ereignishorizont im Universum blicken. So wie es jetzt ist, präsentiert es sich ja nur in unserer galaktischen Umgebung, jedoch scheint es überall im Prinzip gleichartig aufgebaut zu sein (kosmologisches Prinzip). Merkwürdig und noch nicht ausreichend gesichert erscheint in diesem Zusammenhang, dass Galaxienhaufen in einem Bereich von etwa einer Milliarde Lichtjahren Ausdehnung alle in der selben Richtung zu strömen scheinen (Dunkle Strömung, dark flow). Das könnte auf eine ungleiche Masseverteilung jenseits unseres Ereignishorizonts hinweisen. Astronomen sind Archäologen: Je weiter wir in die Ferne schauen, desto weiter blicken wir in die Vergangenheit und können Entwicklungsstadien der Galaxien erkennen. Die "Hubble deep fields" sammelten Licht mit vielen einzelnen Belichtungen und in Summe mehr als 10 Tagen (bis zu 555 Stunden Belichtungszeit) aus einem kleinen Himmelsbereich, der in unserer Nähe - also der Milchstraße - und auch weiter entfernt staub- und sternfrei ist, also zuvor als leer erschien. Dort wurden zahlreiche junge Galaxien sichtbar. Die fernsten Proto-Galaxien zeigen kompakte Strukturen ihres Jugendstadiums. Und zwar sehen wir das infolge der Rotverschiebung im sichtbaren roten Bereich, obgleich dieses Licht vor 12 -bei den ältesten aufgefundenen Galaxien sogar vor 13Milliarden Jahren- damals im ultravioletten Bereich ihrer vergleichsweise noch wenigen neu entstandenen Sterne ausgesandt worden war. Die großen elliptischen oder Spiralgalaxien in "unserer" Zeit sind ausgedehnter und enthalten mehr Sterne. Ihre Formen sind vielleicht Ergebnis von Galaxienkollisionen. Extrapoliert man die Zahl der gefundenen Galaxien auf den gesamten sichtbaren Kosmos, ergibt sich die nicht erwartete gewaltige Zahl von 200 Milliarden Galaxien mit mindestens 20Trillionen Sternen.
Große Erfolge bei der Beobachtung fernster Objekte brachte die Europäische Südsternwarte in der chilenischen Atacama Wüste (Paranal). Dort weht eine meist laminare Luftströmung vom Pacific und die 8,2m-Spiegel verfügen zusätzlich über eine adaptive Optik, die bis zu 1kHz so den Spiegel verformen können, um atmosphärische Bildstörungen auszugleichen. Zusätzlic können mit einer raffinierten Technik 4 solch großer Teleskope so zusammengeschaltet werden und zwar so, dass die durch Erdumdrehung entstehenden Wellenunterschiede des Lichts dabei ausgeglichen werden.
Große Hoffnungen verbinden sich mit neuen leistungsfähigen Weltraumteleskopen, die in den 2020er Jahren tiefere Blicke in das Universum versprechen: Euklid (ab 2023) und James Webb (ab 2022) werden als Weltraumteleskope positioniert nahe dem Lagrangepunkt 2 des Sonne-Erde-Systems. Euclid soll die Position von Galaxien im Entfernungsbereich bis 10 Milliarden Lichtjahren dreidimensional kartieren - woraus die beschleunigende Wirkung der Dunklen Energie genauer gemessen werden kann - und aus Verzerrungen abgebildeter Galaxien soll sich auch die Anwesenheit von dunkler Materie längs des Wegs des Lichts berechnen lassen. Ambitioniert ist wie schon genannt das Projekt James Webb. Das Teleskop wird in einer Halo-Bahn um den Lagrangepunkt L2 außerhalb des Erdschattens positioniert. Besonders, weil es zu weit für jede Reparaturmöglichkeit entfernt ist und gegen die Sonnenstrahlung abgeschirmt werden muss. Dazu ist ein Sonnenschutz von 21 mal 14m Fläche vorgesehen worden, der sich mit seinen 5 Schichten für den Transport mit der Ariane-Rakete aufgerollt sein musste, um dann für seine Funktion entfaltet zu werden. Das Teleskop kann deshalb bei der kalten Weltraumtemperatur bei L2 von etwa 7K im Infrarotbereich arbeiten, was helfen wird, die Entstehung der Galaxien in ihrer Frühphase nach dem Urknall zu verstehen. Erste Aufnahmen bestätigten die Funktionsfähigkeit des Teleskops. Terrestrisch werden Projekte wie "Giant Magellan Telescope", "Thirty MetreTelescope" und "European Extremely Large Telescope" (ELT, Inbetriebnahme geplant ab 2025) und zusammengeschaltete Radiotelescpope auf mehreren Erdteilen (SKAO erreicht deshalb eine hohe Winkelauflösung und größere Empfindlicchkeit) das sich in den Wettbewerb um entfernteste Objekte im Weltraum und die Suche nach extraterrestrischem Leben begeben. Nicht unerwähnt können Radiowellen-Telescope wie ALMA mit 66 einzelnen Radioteleskopen (in der trockenen Höhenlage von 5000m in Chile mit sehr empfindliche tiefgekühlten Empfängern) oder das große Radioteleskop FAST in Südchina. Inreressante Beobachtungen werden nicht lange auf sich warten lassen.
Falls eine inflationäre Expansion der Welt stattgefunden hat - wie ja angenommen wird, befindet sich heute ein großer Teil des Universums für uns unerreichbar im Jenseits. Manche Forscher vertreten sogar die Ansicht, der Rand des Universums dehne sich jetzt noch oder wieder - vielleicht aber erst in der Zukunft - schneller als mit Lichtgeschwindigkeit aus. Das hätte zur Folge, der von uns überblickbare Anteil der Welt würde fortschreitend kleiner. "Unser" sichtbares Universum endet ja mit unserem Ereignishorizont und der wird mit der Zeit größer und zwar mit Lichtgeschwindigkeit. Wir haben keinen Grund anzunehmen, dass es hinter diesem Horizont noch andere Strukturen als im uns derzeit sichtbaren Teil geben sollte. Der Ereignishorizont markiert nicht nur die Begrenzung unseres jetzigen Einblicks in das Weltall sondern auch die entfernte Grenze jeder Einwirkungsmöglichkeit auf uns oder jeder von unserem Standort in frühester Vergangenheit ausgegangenen Wirkung. Das schließt ein, dass auf extrem weit von uns entfernte Galaxienhaufen Kräfte einwirken können, deren Ursache hinter unserem Ereignishorizont verborgen ist, wie bei dem "dunklen Fluss" (dunkle Strömung oder dark flow) angenommen werden kann.
Fernwirkungen ohne begrenzte Reichweite werden in der Quantentheorie durch Bosonen mit der Ruhemasse 0 vermittelt. Neben Photonen hätten auch die hypothetischen Gravitonen diese Eigenschaft. Elektromagnetische Strahlung und Gravitation können uns nur innerhalb des Ereignishorizonts beeinflussen. Dahinter derzeit noch verborgene Teile der Welt können in der Zukunft einen Einfluss auf uns ausüben (etwa eine Gravitationswirkung), falls sie sich nicht mit Über-Lichtgeschwindigkeit von uns entfernen. Jede Wirkung schwächt sich mit der Entfernung ab, extrem weit entfernte Objekte sind für uns bedeutungslos.
Gott wirkt nicht in der Ferne sondern wir können das Gute nur in uns selbst suchen!
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