Der Himmel, den wir betrachten, existiert bereits nicht mehr

Am Himmel liegt etwas zutiefst Täuschendes.

Wenn ich einen Menschen wenige Meter entfernt anschaue, kann mein Gehirn vernünftigerweise so tun, als sähe ich ihn “jetzt”. Das Licht braucht so wenig Zeit für diese Strecke, dass die Verzögerung unmerklich ist. Doch diese Approximation bricht zusammen, sobald die Entfernungen astronomisch werden.

Der Himmel ist kein Livebild des Universums. Er ist eine Sammlung von Bildern der Vergangenheit.

Und je weiter wir blicken, desto älter ist diese Vergangenheit.

Sehen heißt immer, in die Vergangenheit zu blicken

Licht bewegt sich im Vakuum mit etwa 300 000 Kilometern pro Sekunde. Das ist außerordentlich schnell, aber nicht augenblicklich. Auf der Skala des Universums wird selbst diese Geschwindigkeit furchtbar langsam.

Das Licht des Mondes braucht etwa 1,3 Sekunden, um uns zu erreichen. Das der Sonne benötigt etwa 8 Minuten und 20 Sekunden für die rund 150 Millionen Kilometer, die uns von ihr trennen. Wenn wir die Sonne anschauen – natürlich nie direkt ohne geeigneten Schutz – sehen wir also nicht die Sonne, wie sie in diesem exakten Moment ist: wir sehen die Photonen, die sie vor etwa acht Minuten ausgesandt hat.

Diese Regel betrifft nicht nur sichtbares Licht. Radiowellen, Infrarot, Ultraviolett, Röntgen- oder Gammastrahlung sind ebenfalls Formen elektromagnetischer Strahlung und breiten sich im Vakuum mit derselben Geschwindigkeit aus. Ein Teleskop beobachtet daher niemals einen fernen Gegenstand wirklich “live”.

Man kann diesen Zeitversatz an einigen Beispielen zusammenfassen:

| Was wir beobachten | Was wir ungefähr sehen |

| Der Mond | vor 1,3 Sekunden |

| Die Sonne | vor 8 Min 20 Sek |

| Proxima Centauri | vor etwa 4,2 Jahren |

| Zentrum der Milchstraße | vor etwa 26 000 Jahren |

| Andromedagalaxie | vor etwa 2,5 Millionen Jahren |

| Kosmischer Mikrowellenhintergrund | Universum im Alter von etwa 380 000 Jahren |

Mit anderen Worten: Entfernung ist auch eine Zeitmaschine.

Würde die Sonne verschwinden, wüssten wir es nicht sofort

Nehmen wir ein unmögliches Gedankenexperiment: Stellen wir uns vor, die Sonne verschwindet augenblicklich.

Etwa acht Minuten lang würde sich von der Erde aus nichts verändert haben. Die bereits unterwegs gewesenen Photonen würden weiterhin bei uns eintreffen. Noch seltsamer: Im Rahmen der Allgemeinen Relativitätstheorie könnte auch die Änderung ihres gravitativen Einflusses uns nicht augenblicklich erreichen: Gravitationsstörungen breiten sich mit Lichtgeschwindigkeit aus. Während dieser Frist würde die Erde also ihre Bewegung fortsetzen, als wäre die Sonne noch da.

Dann würde die Information uns erreichen.

Dunkelheit und gravitativer Wandel wären nicht “zu spät” wegen einer defekten Maschine. Diese Verzögerung gehört zur Struktur des Universums selbst: Keine physikalische Information kann einfach überall augenblicklich erscheinen.

Aber Vorsicht beim Beispiel der Sonnenfinsternis

Hier lauert eine ziemlich subtile Falle. Man könnte versucht sein zu sagen: “Da ich die Sonne mit acht Minuten Verzögerung sehe, war eine Sonnenfinsternis, die in meinem Himmel erscheint, bereits vor acht Minuten zu Ende.”

Das stimmt nicht.

Eine Sonnenfinsternis ist kein Ereignis, das auf der Sonne stattfindet. Sie entsteht dadurch, dass der Mond sich zwischen uns und die Sonnenphotonen schiebt und diese in Erdnähe blockiert. Die betreffenden Photonen haben die Sonne zwar vor etwa acht Minuten verlassen, aber die Verfinsterung selbst hängt von der Position des Mondes auf ihrem Weg ab. Man muss also unterscheiden zwischen dem Alter des Sonnenlichts, das wir empfangen, und dem geometrischen Ereignis, das Finsternis heißt.

Die ursprüngliche Intuition bleibt richtig: Die Sonne, die wir sehen, gehört der Vergangenheit an. Doch der Himmel wird schnell interessanter, sobald man aufhört, “acht Minuten Verzögerung” in eine zu simple Regel zu verwandeln.

Andromeda: Ein Foto, das 2,5 Millionen Jahre alt ist

Dann kommt Andromeda.

Die große Andromedagalaxie befindet sich etwa 2,5 Millionen Lichtjahre von uns entfernt. Ein Lichtjahr ist keine Dauer: Es ist die Strecke, die Licht in einem Jahr zurücklegt. Das bedeutet, dass die Photonen von Andromeda, die heute auf der Erde eintreffen, vor etwa 2,5 Millionen Jahren dort aufgebrochen sind.

Wenn wir Andromeda heute Abend beobachten, sehen wir sie also so, wie sie zu einer Zeit war, in der auf der Erde bereits die ersten Vertreter der Gattung Homo existierten, unsere Art aber noch weit davon entfernt war, aufzutreten.

Und da ist der Schwindel: Wir wissen nicht, wie Andromeda “jetzt” aussieht, wenn wir sie von der Erde aus beobachten. Dort finden vermutlich in diesem Moment – nach unserer gewohnten Sprechweise – Ereignisse statt, aber ihr Licht wird noch Millionen Jahre brauchen, um zu uns zu gelangen.

Wenn heute ein Stern in Andromeda explodierte, könnte kein derzeit lebender Mensch diese Explosion von der Erde aus sehen. Auch nicht unsere Kinder. Noch nicht einmal deren Nachkommen für eine kaum vorstellbare Zeit.

Die Information existiert vielleicht bereits dort. Sie existiert schlicht noch nicht für uns.

Teleskope sind wirklich Zeitmaschinen

Das ist es, was Teleskope wie Hubble oder James Webb weit interessanter macht als einen bloßen “Riesen-Zoom”.

Ihr Ziel ist nicht nur, extrem ferne Dinge zu beobachten. Indem sie Licht einfangen, das vor Milliarden Jahren aufbrach, ermöglichen sie die Untersuchung verschiedener Epochen der kosmischen Geschichte.

Die NASA beschreibt Hubble denn auch als eine Art Zeitmaschine: Je weiter das beobachtete Objekt entfernt ist, desto älter ist die Epoche, aus der sein Bild stammt.

James Webb treibt dieses Prinzip heute extrem weit. Von Webb bestätigte Beobachtungen zeigen beispielsweise die Galaxie MoM-z14 so, wie sie nur etwa 280 Millionen Jahre nach dem Urknall existierte. Ihr Licht hat etwa 13,5 Milliarden Jahre gebraucht, um zu uns zu gelangen.

Wir rekonstruieren die Geschichte des Universums also nicht nur aus Fossilien oder Simulationen. Ein Teil dieser Geschichte gelangt buchstäblich in Form von Photonen zu uns.

Der Himmel ist ein Archiv.

Kann man also weit genug blicken, um den Urknall zu sehen?

Hier wird die Idee noch faszinierender.

Intuitiv könnte man denken, es genüge, ein unendlich leistungsstarkes Teleskop zu bauen. Weiter weg heißt älter; man müsste also nur weitermachen, bis man den Moment Null erreicht.

Aber nein.

Wir können den Urknall selbst nicht mit Licht sehen.

Das Problem liegt nicht in der Leistung unserer Teleskope. Es ist das frühe Universum selbst.

In seinen ersten Hunderttausenden Jahren war das Universum extrem heiß und von einem dichten Plasma aus Elektronen und Atomkernen erfüllt. Photonen wurden ständig von den geladenen Teilchen gestreut. Für das Licht glich das Universum einem riesigen undurchsichtigen Nebel.

Dann, vor etwa 380 000 Jahren nach dem Urknall, hatte sich das Universum weit genug abgekühlt, damit Elektronen sich an Kerne binden und neutrale Atome bilden konnten. Erst jetzt konnte Licht frei über große Entfernungen reisen.

Diese Photonen reisen noch immer.

Heute detektieren wir sie als kosmische Mikrowellen-Hintergrundstrahlung, oder CMB (Cosmic Microwave Background).

Das ist das älteste Licht, das wir beobachten können. Ein echtes Foto des Universums, als es erst etwa 380 000 Jahre alt war. Die Missionen COBE, WMAP und dann Planck haben diese Strahlung mit außerordentlicher Präzision kartiert.

Es ist also nicht ganz:

“Wir können den Urknall sehen.”

Es ist etwas Präziseres und meines Erachtens noch Beeindruckenderes:

wir können heute tatsächlich Licht empfangen, das freigesetzt wurde, als das Universum erst etwa 0,003 % seines heutigen Alters hatte.

Davor ist das Universum für die Photonen, die wir zur Kosmosbeobachtung nutzen, im Wesentlichen undurchsichtig.

Und der Urknall ist nicht irgendwo am Himmelsgrund

Man muss sich von einem weiteren trügerischen mentalen Bild befreien.

Der Urknall war keine Bombe, die an einem bestimmten Ort in einem riesigen leeren Raum explodierte. Es gibt keine Himmelsrichtung, auf die man ein Teleskop richten könnte, um “den Ort, wo alles begann”, anzusehen.

Nach der modernen Kosmologie fand die Expansion überall statt. Es gibt kein räumliches Zentrum des Urknalls, das wir lokalisieren könnten. John Mather, Nobelpreisträger und Wissenschaftler am James-Webb-Teleskop, weist zu Recht auf den irreführenden Charakter des Namens “Big Bang” hin, wenn er das Bild einer Explosion mit einem Zentrum heraufbeschwört.

Das ist auch der Grund, warum uns die kosmische Hintergrundstrahlung in alle Richtungen umgibt.

Schauen Sie sehr weit nach links: Junges Universum.

Sehr weit nach rechts: Junges Universum.

Nach oben: Junges Universum.

Unter unseren Füßen, wenn die Erde unsere Sicht nicht blockierte: Wieder das junge Universum.

Wir befinden uns im Zentrum unseres beobachtbaren Universums, aber das bedeutet keineswegs, dass wir im Zentrum des Universums sind.

Wie kann das beobachtbare Universum 92 Milliarden Lichtjahre messen?

Hier ist eine weitere Seltsamkeit, die zunächst unmöglich scheint.

Das Universum ist etwa 13,8 Milliarden Jahre alt. Man könnte also denken, wir könnten nichts jenseits von etwa 13,8 Milliarden Lichtjahren beobachten und das beobachtbare Universum dürfte höchstens 27,6 Milliarden Lichtjahre im Durchmesser messen.

Dennoch wird sein heutiger Durchmesser auf etwa 92 Milliarden Lichtjahre geschätzt.

Es gibt keinen Widerspruch.

Während die Photonen Milliarden Jahre lang auf uns zurasten, dehnte sich der Raum selbst weiter aus. Die Region, von der einige dieser Photonen aufbrachen, ist heute also viel weiter von uns entfernt als zum Zeitpunkt ihrer Aussendung.

Es ist eine fundamentale Unterscheidung zwischen zwei Fragen, die identisch scheinen, es aber nicht sind:

“Wie lange reist dieses Licht schon?”

und

“Wie weit ist heute die Region entfernt, die es ausgesandt hat?”

Auf kosmologischen Entfernungen können diese beiden Zahlen radikal verschieden sein.

Könnte jemand die Dinosaurier auf der Erde beobachten?

Diese Idee führt zu einem prächtigen Gedankenexperiment.

Das vor 66 Millionen Jahren von der Erde reflektierte Licht ist immer noch irgendwo im Universum, auf dem Weg nach außen.

Theoretisch würde ein Beobachter in etwa 66 Millionen Lichtjahren Entfernung heute die Photonen empfangen, die hier zur Zeit des Aussterbens der nicht-avischen Dinosaurier aufbrachen. Mit einem fiktiven Instrument, das eine völlig jenseits unserer Technologien liegende Auflösung besäße, würde er also eine 66 Millionen Jahre alte Erde anschauen.

Das bedeutet leider nicht, dass wir ein Raumschiff bauen, dorthin fliegen und ein Teleskop auf die Erde richten könnten, um unsere eigene Vergangenheit anzusehen.

Die Photonen sind bereits mit Lichtgeschwindigkeit davongeflogen.

Um sie nach ihrem Start einzuholen, müsste man sie überholen. Doch die Relativitätstheorie verbietet einem materiellen Objekt, einfach über die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum hinaus zu beschleunigen. Das prächtige Lichtarchiv unserer Vergangenheit existiert also irgendwo im Raum, aber es entfernt sich von uns mit einer Geschwindigkeit, die wir nicht übertreffen können.

Und die Zukunft?

Hier wird die Asymmetrie wichtig.

Wir können die Vergangenheit sehen, weil die Signale der Vergangenheit Zeit hatten, uns zu erreichen. Wir können die Zukunft nicht auf dieselbe Weise beobachten, weil die Photonen, die Information über diese Ereignisse transportieren, noch nicht ausgesandt wurden.

In der Relativitätstheorie formalisiert man diese Idee mit dem, was Physiker den Lichtkegel nennen. Unser vergangener Lichtkegel enthält die Ereignisse, die ein Signal bis zu uns senden konnten. Unser zukünftiger Lichtkegel enthält die Ereignisse, die Signale, die wir heute aussenden, möglicherweise beeinflussen können.

Und selbst unsere Intuition vom “Jetzt überall im Universum” muss mit Vorsicht genossen werden. Die Spezielle Relativitätstheorie zeigt, dass die Gleichzeitigkeit entfernter Ereignisse vom Bezugssystem des Beobachters abhängt: Zwei sich gegeneinander bewegende Beobachter können uneins sein darüber, welche entfernten Ereignisse als simultan gelten sollen.

Kosmische Zeit ist also weit weniger intuitiv als unser alltäglicher Eindruck einer großen universellen Gegenwart, die überall im gleichen Takt voranschreitet.

Wir sehen nie ein einzelnes Universum

Wenn wir den Blick heben, haben wir den Eindruck, einen mit Objekten erfüllten Raum zu betrachten, die alle im selben Augenblick existieren.

Das ist nicht wirklich das, was wir sehen.

Der Mond gehört in unsere Vergangenheit von vor einer Sekunde. Die Sonne in die von vor acht Minuten. Manche Sterne erscheinen uns so, wie sie waren, bevor unsere Urgroßeltern geboren wurden. Das Zentrum unserer Galaxie erreicht uns aus einer Zeit vor der Landwirtschaft. Andromeda zeigt uns eine Welt, die 2,5 Millionen Jahre alt ist. Und hinter den ältesten Galaxien findet sich noch dieses fossile Licht aus einem Universum, das erst 380 000 Jahre alt war.

Eine einzige Nacht enthält also mehrere Milliarden Jahre Geschichte, übereinandergelegt im selben Himmel.

Wir dachten, wir schauten in den Raum.

In Wirklichkeit schauen wir, jedes Mal wenn wir weit genug blicken, auch in die Zeit.