Sternengeschichten

Sternengeschichten Folge 725: Sterile Neutrinos und dunkle Materie

In dieser Folge der Sternengeschichten wird es wieder einmal spekulativ. Aber das muss manchmal sein, immerhin wollen wir in der Wissenschaft ja Dinge herausfinden, die wir noch nicht wissen, und dazu muss man spekulieren. Es geht wieder einmal um eine der großen offenen Fragen der Astronomie: Woraus besteht die dunkle Materie? Die Antwort darauf könnte gleichzeitig auch eine Antwort auf eine der großen offenen Fragen der Physik geben: Was ist mit den Neutrinos los? Und die Antwort um die es in beiden Fällen geht, lautet: sterile Neutrinos.

Das Thema ist naturgemäß komplex, voll mit verwirrender Quantenmechanik und Begriffen wie Chiralität oder Dirac-Masse, aber keine Sorgen, wie gehen das alles der Reihe nach durch. Fangen wir sicherheitshalber noch einmal kurz mit der Dunklen Materie an. So bezeichnet man das seit den 1930er Jahren beobachtete Phänomen, dass sich Galaxienhaufen, Galaxien und Sterne so bewegen, als wäre da im Universum mehr Masse, als wir sehen können. Dieses Phänomen ist real und eine mögliche Lösung lautet: Da ist tatsächlich mehr Masse, als wir sehen. Und es kann nicht einfach nur Masse sein, die halt - im Gegensatz zu Sternen - nicht leuchtet, also zum Beispiel Planeten oder Wolken aus Gas usw. Die hätten wir erstens auf anderem Weg entdeckt und zweitens muss es viel, viel mehr davon geben, als sich sinnvollerweise erklären lässt. Von der Masse, die wir nicht sehen können, ist circa fünfmal mehr da, als wir Sterne und so weiter im Universum haben. Deswegen lautet die Hypothese: Es gibt eine Art von Materie; ein bislang unentdecktes Teilchen, das sich überall im Universum befindet und zwar Gravitationskraft ausübt, und so die Bewegung der Himmelskörper beeinflusst, aber ansonsten unsichtbar ist. Also kein Licht aussendet, kein Licht absorbiert, und so weiter - diese Art von Materie spürt nur die Gravitationskraft, aber nicht die elektromagnetische Kraft, die für alles zuständig ist, was mit Licht zu tun hat. Das klingt ein wenig seltsam, aber wir kennen Teilchen, die sich genau so verhalten: Nämlich die Neutrinos.

Über diese faszinierenden Elementarteilchen habe ich in Folge 289 der Sternengeschichten schon ausführlich gesprochen. Sie werden überall im Universum bei allen möglichen Arten von nuklearen Reaktionen, zum Beispiel bei der Kernfusion der Sterne erzeugt. Sie sausen in gigantischen Mengen ständig durch die Gegend und dabei unter anderem durch uns durch, um die 100 Milliarden treffen pro Sekunde auf jeden Quadratzentimeter von uns. Wir merken aber nichts davon, weil die Neutrinos nicht mit der elektromagentischen Kraft wechselwirken, sie spüren also die Atome der normalen Materie nicht und die normale Materie spürt nichts von ihnen. Das macht diese Teilchen naturgemäß schwer nachweisbar und wie wir es trotzdem geschafft haben, habe ich unter anderem in Folge 289 besprochen aber auch in Folge 265. Ich komme später noch kurz darauf zurück, aber wichtig ist vorerst: Neutrinos verhalten sich im Prinzip genau so, wie es die dunkle Materie tun sollte. Das Problem: Ihre Masse ist viel zu gering. Da reicht auch die unvorstellbare Menge an Neutrinos nicht, um die dunkle Materie erklären zu können. Außerdem sind Neutrinos zu "heiß", was natürlich nichts mit der realen Temperatur zu tun hat. Sie bewegen sich extrem schnell, nahe an der Lichtgeschwindigkeit. Das passt nicht zu dem, was wir beobachten. Die dunkle Materie hat mit ihrem Gravitationseinfluss dafür gesorgt, dass sich die normale Materie im frühen Universum zu den großen Strukturen, den Galaxienhaufen und so weiter geformt hat. Das geht aber nur, wenn die Teilchen der dunklen Materie selbst nicht so heiß sind. Wenn sie alle wild und schnell kreuz und quer durch die Gegend sausen, dann können sie nicht die Grundlage für die Strukturbildung im frühen Universum sein. Wir brauchen kalte dunkle Materie, also Teilchen, die ein bisschen langsamer sind.

Neutrinos zeigen uns also, dass es prinzipiell möglich ist, dass Teilchen existieren, die sich wie dunkle Materie verhalten. Sie sind aber nicht die richtige Art von dunkler Materie, also muss es da noch was geben, was wir noch nicht entdeckt haben. Hypothesen gibt es viele; in Folge 514 oder 470 habe ich schon ein paar davon vorgestellt. Heute bleiben wir aber bei den Neutrinos. Denn die sind selbst immer noch höchst mysteriös. Ich habe vorhin gesagt, dass ihre Masse zu gering ist, als das sie ein guter Kandidat für die dunkle Materie wären. Das ist richtig, aber eigentlich dürften Neutrinos gar keine Masse haben. Oder, um etwas genauer zu sein: Das Modell mit dem wir beschreiben, wie die Elementarteilchen sich verhalten, sieht nur linkshändige Neutrinofelder vor, die nicht an das Higgsfeld koppeln können.

Der letzte Satz macht ein paar weitere Erklärungen notwendig und ich werde mich bemühen, so kurz und verständlich wie möglich zu bleiben. In der modernen Quantenphysik werden Teilchen durch Quantenfelder erklärt. Vereinfacht gesagt: Ein solches Feld ist ein "etwas" (und anschaulicher kann man es abseits der Mathematik kaum erklären), und wenn man dieses Feld ausreichend stark anregt, nehmen wir die Anregung des Feldes als Teilchen war, also zum Beispiel als Elektron oder eben als Neutrino. Diese Quantenfelder können miteinander wechselwirken und damit erklärt man - wieder sehr vereinfacht gesagt - die Kräfte, die zwischen den Teilchen wirken. Ein ganz besonderes Feld ist das Higgsfeld: Wenn zum Beispiel das Elektronenfeld mit dem Higgsfeld wechselwirkt, oder "koppelt", wie man sagt, dann sieht das Resultat für uns so aus, als hätte das Elektron eine Masse. Oder anders gesagt: Die Stärke der Kopplung mit dem Higgsfeld bestimmt, wie groß die Masse des Teilchens ist, die wir beobachten. Und jetzt müssen wir noch kurz über die Chiralität oder "Händigkeit" sprechen. Wir haben - normalerweise - eine rechte Hand und eine linke Hand. Die eine ist die Spiegelung der anderen und sie lassen sich nicht perfekt zur Deckung bringen. Das kann man noch gut verstehen, aber wenn man in der Teilchenphysik die Begriffe "linkshändig" oder "rechtshändig" verwendet, dann hat das absolut nichts mit irgendwelchen anschaulichen Eigenschaften zu tun, weswegen ich auch gar nicht versuche, irgendwelche anschaulichen Vergleiche zu verwenden. Belassen wir es bei: Die Händigkeit ist eine Eigenschaft von Quantenfeldern, die bestimmt, wie sie mit anderen Quantenfeldern wechselwirken und sie kann zwei Zustände haben, die wir als "linkshändig" und "rechtshändig" bezeichnen. Das ist zwar nicht wirklich korrekt, aber gerade noch so wenig falsch, das man damit arbeiten kann.

Das Elektronenfeld hat zum Beispiel eine links- und eine rechtshändige Komponente und das macht es möglich, dass es an das Higgsfeld koppelt. Neutrinos beschreiben wir aber nur mit einem linkshändigen Feld und das kann nicht an das Higgsfeld koppeln. Neutrinos sollten also masselos sein, wir wissen aus Experimenten aber, dass sie eine, wenn auch kleine, Masse haben. "Wo ist das Problem?" könnte man sich da jetzt denken. Dann geben wir in die Mathematik der Quantenfelder halt auch ein rechtshändiges Neutrinofeld dazu - dann koppelt das Neutrino an das Higgsfeld und seine Masse lässt sich erklären. Das kann man machen, aber so einfach ist es nicht. Denn die Masse des Neutrinos ist wirklich, wirklich klein. So klein, dass sie sich quasi nicht messen lässt; wir wissen nur, dass sie nicht gleich Null sein kann. Das bedeutet, dass das Neutrinofeld, auch wenn wir es um einen rechtshändigen Teil ergänzen, nur extrem schwach an das Higgsfeld koppeln kann. Und dann müsste man erklären, warum das so ist und das können wir derzeit nicht.

Womit wir jetzt endlich bei den Teilchen aus dem Titel sind: Den sterilen Neutrinos. Wir kennen derzeit drei unterschiedliche Neutrinos, nämlich Elektron-Neutrinos, Myon-Neutrinos und Tauon-Neutrinos. Und wir wissen, dass sie sich ineinander umwandeln können. Alle drei sind linkshändige Neutrinos - es könnte aber auch sein, dass es eine vierte Neutrinoart gibt, die rechtshändig ist. Dieses hypothetische Teilchen hat man "steriles Neutrino" genannt und das "steril" bezieht sich darauf, dass so ein rechtshändiges Neutrino dann nicht mehr in der Lage wäre, über die "schwache Wechselwirkung" zu interagieren. Über diese Fundamentalkraft im Universum habe ich schon in Folge 408 ausführlich gesprochen; sie ist enorm wichtig, unter anderem dafür, wie Neutrinos ab und zu doch noch mit normaler Materie in Wechselwirkung treten und damit nachgewiesen werden können. Teilchen, die die schwache Wechselwirkung nicht spüren, nennt man aber "steril" und das sterile Neutrino wäre damit noch viel schwerer nachweisbar als die eh schon kaum nachweisbaren normalen Neutrinos. Dafür kann ein steriles Neutrino aber an das Higgsfeld koppeln und eine Masse haben. Und, über einen Mechanismus der sich "Seesaw", also "Wippe" nennt und den ich jetzt definitiv nicht im Detail erklären will, weil das alles noch verwirrender machen würde, könnte das sterile Neutrino quasi mit den anderen Neutrinos zusammenhängen und so vereinfacht gesagt ein bisschen seiner Masse auf sie übertragen. Wenn es sterile Neutrinos gibt, hätten wir also einerseits vielleicht eine Erklärung, wie anderen Neutrinos ihre Masse kriegen. Und andererseits hätten wir ein Teilchen mit einer vergleichsweise großen Masse, das weder elektromagnetisch noch mit der schwachen Wechselwirkung interagiert und damit ein idealer Kandidat wäre, um die dunkle Materie zu erklären.

Aber mit "hätte" kommen wir nicht weiter, die Frage lautet: Gibt es die sterilen Neutrinos oder nicht? Und die Antwort darauf ist ein klares: Möglicherweise! Seit den 1990er Jahren hat man bei mehreren Experimenten versucht, sie nachzuweisen. Das ist natürlich nicht so einfach, direkt lassen sich sterile Neutrinos - wie vorhin erklärt - nicht nachweisen. Man muss - vereinfacht gesagt - Neutrinos beobachten, die bei verschiedenen Kernreaktionen entstehen. Die normalen Neutrinos können sich - wie ich auch vorhin schon gesagt habe - ineinander umwandeln. Das heißt: Wenn bei einem radioaktiven Zerfall oder einer Fusionsreaktion zum Beispiel ein Elektron-Neutrino entsteht, dann kann und wird es sich nach kurzer Zeit in ein Myon-Neutrino umwandeln. Und dass kann sich ebenfalls umwandeln, und so weiter. Die Neutrinos wechseln zwischen den verschiedenen Arten hin und her und diese Neutrino-Oszillationen folgen konkreten Regeln, die allerdings leicht unterschiedlich sind, je nachdem ob es sterile Neutrinos gibt oder nicht. In den Experimenten versucht man also möglichst genau zu messen, ob es von bestimmten Neutrinoarten mehr oder weniger gibt, als man erwarten würde. Und wenn die Messungen von den Erwartungen abweichen, könnte das ein Hinweis auf die Existenz eines sterilen Neutrinos sein. Dazu muss man natürlich sehr viele Messungen anstellen, um sich sicher sein zu können, dass man nicht einfach durch Zufall mehr oder weniger Neutrinos gemessen hat, sondern dass ein echter, systematischer Effekt ist. Und tatsächlich hat man immer wieder Mal Hinweise auf solche systematischen Abweichungen gesehen - zum Beispiel 2018 beim MiniBOONE-Experiment am Teilchenbeschleuniger des Fermilab. Die haben sich, dann aber bei weiteren Messungen nicht bestätigt. Die Daten schließen sterile Neutrinos nicht aus. Aber sie schließen sterile Neutrinos aus, die die Eigenschaften haben, von denen wir gedacht hätten, dass sie sie höchstwahrscheinlich haben. Wenn es sie gibt, dann müssen sie zum Beispiel deutlich mehr Masse haben, als gedacht. Und wenn das so ist, dann können sie immer noch gute Kandidaten für die dunkle Materie sein und immer noch erklären, wie die anderen Neutrinos an ihre Masse kommen. Aber sie sind halt dann noch schwerere nachweisbar.

Neutrinos sind höchst faszinierende Teilchen. Es ist schon beeindruckend genug, dass wir sie überhaupt entdeckt haben, so wenig wie sie mit dem Rest des Universums wechselwirken. Aber es gibt sie und es gibt keinen Grund, warum es nicht auch Teilchen geben sollte, die noch weniger Kontakt zu unserer normalen Welt haben. Irgendeine Erklärung muss es für die Masse der Neutrinos geben und ebenso für die dunkle Materie. Wenn sterile Neutrinos die Antwort auf diese Frage sind, dann werden sie uns auch irgendwann ins Netz gehen - denn was das angeht ist die Teilchenphysik ebenso hartnäckig wie die Astronomie. Wenn es etwas zu finden gibt, dann schauen wir so lange, bis wir es auch gefunden haben.

Sternengeschichten Folge 724: Gammablitze, das Neil Gehrels Swift Observatorium und ein apruptes Ende

Am 20. November 2004 ist in Cape Canaveral eine Delta-II-Rakete ins All gestartet. An Bord war ein 1470 Kilogramm schwerer und fast 6 Meter großer Satellit, der kurz danach fast perfekt auf seiner Umlaufbahn in circa 600 Kilometer Höhe abgeliefert wurde. Das Projekt der NASA trug damals noch den Namen "Swift" und seine Aufgabe war es, die größten Explosionen des Universums zu erforschen.

Gemeint sind damit die Gammablitze über die ich schon ausführlich in Folge 42 der Sternengeschichten gesprochen habe. Kurz gesagt sind das Ereignisse, bei denen in sehr kurzer Zeit enorme Mengen an elektromagnetischer Strahlung frei werden, nicht nur aber vor allem im hochenergetischen Bereich, also im Gammastrahlungsbereich. Entdeckt hat man dieses Phänomen in den 1960er Jahren mit Satelliten, die eigentlich prüfen sollten, ob irgendwer auf der Erde heimlich Atomwaffentests durchführt. Stattdessen hat man gigantische Explosionen im All gefunden, die weit entfernt, außerhalb der Milchstraße, quasi überall stattfinden. Und ich habe deswegen bis jetzt von "Ereignissen" und "Phänomenen" gesprochen, weil lange Zeit nicht so wirklich klar war, um was es sich dabei eigentlich handelt. Die Energiemengen die da frei werden, sind so enorm, dass es eigentlich keinen vernünftigen physikalischen Prozess gibt, der so etwas erzeugt. Mittlerweile weiß man natürlich ein wenig mehr. Eine Quelle von Gammablitzen sind Hypernovae. Also sowas wie eine Supernova, nur noch heftiger. Wenn ein wirklich, wirklich großer Stern, mit mehr als der hundertfachen Masse der Sonne, die Kernfusion in seinem Inneren einstellt und sein Leben beendet, dann kann er auf so gewaltige Weise kollabieren, dass wirklich viel Energie frei wird. Solche Sterne hat es vor allem im frühen Universum gegeben (es gibt sie aber auch jetzt noch) und deswegen sieht man die Gammablitze der Hypernovae vor allem weit entfernt, in Bereichen, aus denen das Licht entsprechend lange bis zu uns braucht. Es gibt aber auch Gammablitze, die man mit einer Hypernova nicht erklären kann und Swift war unter anderem dazu da, diese Frage zu klären.

Einen Gammablitz zu erforschen ist schwierig. Man kann warten, bis man irgendwo am Himmel so einen Blitz sieht. Aber dann ist es schon fast wieder zu spät, denn sie dauern nur ein paar Sekunden bis höchstens ein paar Minuten. Kaum dass man das Ding gefunden hat, ist es schon wieder vorbei und natürlich kann man probieren, an der Stelle am Himmel zu schauen, wo der Blitz stattgefunden hat, ob da noch was zu sehen ist. Aber die hochenergetische Strahlung wird durch die Atmosphäre der Erde blockiert und es ist schwer, mit den Instrumenten die wir hier haben, entsprechende Forschung anzustellen. Man kann natürlich schon auch mit den passenden Teleskopen von der Erde aus Informationen sammeln, aber dazu muss man idealerweise vorher genau wissen, wohin man schauen muss oder zumindest sehr, sehr kurz nachdem der Blitz stattgefunden hat. Genau deswegen hat man Swift ja auch ins All geschickt und genau deswegen hat man sich genau überlegt, welche Instrumente man in den Satelliten einbaut. Da ist zuerst einmal BAT, das Burst Alert Telescope. Es ist dazu da, Gammablitze zu sehen. Wenn BAT eine Beobachtung gemacht hat, wird die Position sofort zur Erde geschickt, wo passende Teleskope darauf warten und mit Höchstgeschwindigkeit in Position gebracht werden. Gleichzeitig kann Swift das XRT und das UVOT einsetzen. XRT steht für X-Ray Telescope, was einfach nur "Röntgenteleskop" heißt und genau das ist. Das UVOT ist das Ultraviolet/Optical Telescope und kann den Himmel im ultravioletten und normalen, sichtbaren Licht beobachten. Beide sind dazu da, das Nachleuchten der Gammablitze zu beobachten. Denn auch wenn der Blitz selbst nur kurz dauert, kann danach auch noch Strahlung mit weniger Energie, also eben Röntgen-, UV- und normales Licht freigesetzt werden. Zum Beispiel weil Material, dass bei der Sternexplosion weggeschleudert wird, mit dem interstellaren Gas kollidiert und dabei neue Strahlung erzeugt. Dieses Nachleuchten zu beobachten ist ein wichtiger Schritt, wenn man wissen will, was da eigentlich passiert ist.

Die Swift-Mission war vorerst für zwei Jahre finanziert; gebaut hat man den Satelliten aber für eine Lebensdauer von mindestens sieben Jahren. Und dass sich der Bau gelohnt hat, hat man quasi unmittelbar gesehen. Noch während alles getestet wurde, hat man den ersten Gammablitz gesehen und dann jede Menge mehr. Im Mai 2010, also fast sechs Jahre nach dem Start waren es schon 500. Im Oktober 2015 hat man den 1000. Gammablitz beobachtet und das zeigt nicht nur den Erfolg der Mission, sondern auch die Tatsache, dass sie weit über die zwei beziehungsweise sieben Jahre verlängert worden ist. Aber dazu kommen wir später noch - schauen wir zuerst mal, was bei diesen 1000 Gammablitzen alles dabei war. Zum Beispiel GRB050509B, am 9. Mai 2005. Und so bezeichnet man Gammablitze: Am Anfang steht "GRB" für "Gamma Ray Burst" und die Zahlen geben das Datum an, an dem man das Ereignis beobachtet hat. In diesem Fall war es der erste Gammablitz mit kurzer Dauer - nur ein zwanzigstel einer Sekunde - für den eine ausreichend genaue Position angegeben werden konnte, um auch herauszufinden, wo genau das Ding stattgefunden hat. In dem Fall in einer elliptischen Galaxie, deren Licht circa 3 Milliarden Jahre bis zu uns gebraucht hat. Kurz danach, am 4. September 2005 konnte ein Gammablitz gemessen werden, dessen Licht 12,5 Milliarden Jahre bis zu uns gebraucht hat, der damals am weitesten entfernte Gammablitz überhaupt. Swift hat weitere Rekordereignisse gefunden: Den längsten Gammablitz mit 33 Minuten Dauer, im Februar 2006. Oder am 19. März 2008 einen Gammablitz, der so absurd hell war, das man ihn theoretisch sogar kurz mit freiem Auge sehen hätte können, wenn man im richtigen Moment zum Himmel geschaut hätte. Dann hätte man Licht gesehen, dass 7,5 Milliarden Jahre zu uns unterwegs war, so weit, wie nichts anderes das wir ohne optische Hilfsmittel sehen können. Die Rekorde für den am weitesten entfernten, den längsten, den heftigsten, und so weiter Gammablitz wurden im Laufe der Zeit immer wieder gebrochen. Und die vielen Daten zeigten auch langsam, was es neben sehr großen Sternen, die explodieren, sonst noch für Mechanismen gibt, die Gammablitze erzeugen. Die sehr kurzen Ereignisse zum Beispiel stammen von Kollisionen, wenn zum Beispiel zwei Neutronensterne miteinander zusammenstoßen. Das passiert zwar nicht sehr oft, aber wenn es passiert, wird dabei so viel Energie frei, dass man die Kollision durch das halbe Universum sehen kann.

Swift hat aber nicht nur Gammablitze erforscht. Auch andere Ereignisse erzeugen hochenergetische Strahlung, zum Beispiel klassische Supernovae. Genau so eine hat Swift im Januar 2008 beobachtet, in einer 85 Millionen Lichtjahre entfernten Galaxie. Sie hatte schon eine paar Wochen vorher stattgefunden und Swift sollte ein paar zusätzliche Daten sammeln. Und während Swift das gemacht hat, gab es noch eine Supernova in dieser Galaxie. Das war ein riesiger Glücksfall, denn man konnte nun den gesamten Verlauf der Supernova verfolgen, das erste Aufleuchten und das Nachglühen. Normalerweise verpasst man die frühe Phase, in diesem Fall war man von Anfang an dabei und konnte so wertvolle Informationen sammeln. Swift hat das Auseinanderbrechen von Sternen beobachtet, die von einem schwarzen Loch zerissen werden, die Strahlungsausbrüche von roten Zwergsternen und im Jahr 2017 auch die berühmte Kilonova AT2017gfo. Am 17. August 2017 konnte man Gravitationswellen messen, die aus einer 130 Millionen Lichtjahre entfernten Galaxie stammen. Es war genau die Art von Gravitationswellen, die man erwarten würde, wenn dort zwei Neutronensterne kollidieren. In diesem Fall ließ sich das aber auch bestätigen. Denn sowohl Swift, als auch das Hubble-Weltraumteleskop und diverse andere Instrumente konnten in der Galaxie das Nachleuchten des Ereignisses beobachten. Damit war es zum ersten Mal gelungen, nicht nur eine Gravitationswelle zu messen, sondern auch das Licht zu beobachten, dass von diesem Ereignis stammt. Und man konnte nocheinmal bestätigen, dass es wirklich kollidierende Neutronensterne sind, die kurze Gammablitze auslösen.

Ich könnte noch sehr, sehr viel länger erzählen, was Swift alles beobachtet hat. Der Satellit hat wunderbar funktioniert und es ist deswegen auch nicht überraschend, dass man ihn weit über die geplante Lebensdauer hinaus betrieben hat. Im Jahr 2017 hat man ihn dann auch unbenannt: Aus "Swift" wurde das "Neil Gehrels Swift Observatory", benannt nach dem amerikanischen Astronom Neil Gehrels, der Experte für Gammaastronomie und leitender Forscher der Swift-Mission war und im Februar 2017 verstorben ist. Das nun nach ihm benannte Teleskop aber war noch aktiv, ein Ende aber leider absehbar. Swift hat keinen eigenen Antrieb und auch wenn es in 600 Kilometer Höhe ziemlich leer ist, ist dort noch ein kleines bisschen Restatmosphäre übrig. Dieser mininale Luftwiederstand, zusammen mit dem Einfluss des Sonnenwindes reicht aus, dass der Satellit langsam aber sicher sinkt. 2025 betrug die Höhe der Umlaufbahn nur noch 500 Kilometer und es hat sich abgezeichnet, dass es bald zu Ende geht. Die NASA wollte ein so wichtiges und erfolgreiches Teleskop aber nicht einfach aufgeben, vor allem weil man noch keinen wirklichen Ersatz hatte, der ebenso schnell auf Gammablitze reagieren konnte wie Swift. Im September 2025 hat man deswegen die private Weltraumfirma Katalyst beauftragt, das Teleskop wieder anzuheben. Dazu musste ein spezielles Raumfahrzeug gebaut und ins All geschickt werden und das schnell! Im Sommer 2026 musste es soweit sein, sonst hätte man vermutlich keine Chance mehr. Katalyst hat schnell gearbeitet und vielleicht sogar zu schnell. Das Raumschiff mit dem Namen LINK flog am 3. Juli 2026 ins All und am 25. Juli fiel seine Höhenkontrolle aus. Zwei der drei Schwungräder, die die Fluglage halten sollten, waren defekt und es gab noch andere Probleme. Man probierte sie zu lösen, aber am 19. August musste man aufgeben. Ein knappes Monat später, am 25. September 2026, verglühte LINK in der Erdatmosphäre. Damit war auch das Ende von Swift besiegelt. Es war mittlerweile so tief gesunken, dass für einen erneuten Versuch einer Anhebung keine Zeit mehr war. Aber immerhin hat das das Neil Gehrels Swift Observatorium 22 Jahre durchgehalten, 20 Jahre länger als ursprünglich geplant. In dieser Zeit hat es uns ein Universum voller gigantischer Explosionen gezeigt und wir haben sie dank dieses Instruments sehr viel besser verstanden als davor.

Sternengeschichten Folge 723: Kann sich die Lichtgeschwindigkeit verändern?

In dieser Folge der Sternengeschichten geht es wieder einmal an die Grundlagen. In dem Fall: Die fundamentalen Naturkonstanten, die das Verhalten unseres Universums bestimmen. Und die Frage, ob diese Naturkonstanten vielleicht doch nicht so konstant sind, wie wir denken. Und ganz konkret um die Frage, ob die Lichtgeschwindigkeit sich vielleicht ändern kann.

Sicherheitshalber fange ich gleich mit dem an, was ich mit dieser Frage nicht meine. Wir wissen ja, dass das Licht tatsächlich nicht immer gleich schnell ist. Im Vakuum bewegt es sich mit der konstanten Geschwindigkeit von 299.792,458 Kilometer pro Sekunde. Aber wenn sich das Licht nicht durch das Vakuum bewegt, sondern durch Luft oder Wasser oder irgendein anderes Medium, dann wird es langsamer. Das ist ein bekannter Effekt, der die Ursache der Lichtbrechung ist und zum Beispiel dafür verantwortlich, dass die Sterne funkeln. Denn das Sternenlicht muss sich ja durch die Atmosphäre bewegen, wird dabei langsamer und dadurch abgelenkt. Eine genau Erklärung, warum das Licht langsamer wird, ist gar nicht so einfach, aber darum geht es ja heute sowieso nicht. Es geht auch nicht um Überlichtgeschwindigkeit oder ähnliches. Sondern tatsächlich um die Frage: Ist die Lichtgeschwindigkeit in Wahrheit vielleicht keine Naturkonstante?

Die Grundlage eines Großteils der modernen Physik und Astronomie sind die Erkenntnisse von Albert Einstein. In seiner speziellen Relativitätstheorie hat er im Jahr 1905 festgestellt, dass Licht immer gleich schnell ist. Oder genauer gesagt: Wenn ich die Geschwindigkeit des Lichts messe, macht es zum Beispiel keinen Unterschied, ob dieses Licht aus einer Taschenlampe kommt, die ich in der Hand halte oder aus den Scheinwerfern eines Hochgeschwindigkeitszuges. Die Geschwindigkeit die ich messe ist in beiden Fällen exakt gleich.

In Wahrheit steckt dahinter natürlich noch viel mehr, aber in dieser Folge ist definitiv zu wenig Zeit, um die gesamte Relativitätstheorie zu erklären. Im Prinzip geht es aber um das Äquivalenzprinzip von Einstein, das er dann ein wenig später im Rahmen seiner allgemeinen Relativitätstheorie entwickelt hat. Wer sich in einem Gravitationsfeld befindet und zwar im freien Fall, spürt lokal keine Gravitation. Das klassische Beispiel dafür ist der fallende Fahrstuhl: Wer das Pech hat, in einem abstürzenden Aufzug zu stehen, wird plötzlich scheinbar schwerelos, obwohl die Gravitation der Erde ja noch vorhanden ist, was man definitiv merkt, wenn der freie Fall im Erdgeschoß abrupt beendet wird. Deswegen sind auch Menschen in der Raumstation schwerelos - nicht weil da keine Gravitation mehr wirkt, sondern weil sie im freien Fall um die Erde sind. In so einem lokalen, frei fallenden Bezugssystem - wie es wissenschaftlich korrekt heißt - spürt man also keine Gravitation. Man spürt damit insbesondere auch keine Beschleunigung und deswegen gilt dort das, was die spezielle Relativitätstheorie sagt, die sich ja auf Systeme bezieht, die nicht beschleunigt werden: Licht breitet sich im Vakuum immer mit derselben Geschwindigkeit aus, egal wer beobachtet.

Was hat das jetzt alles mit einer veränderlichen Lichtgeschwindigkeit zu tun? Wenn ich irgendwo an einem konkreten Ort die Lichtgeschwindigkeit messe, dann muss mein Ergebnis 299.792,458 Kilometer pro Sekunde lauten. Die Allgemeine Relativitätstheorie lässt aber eine scheinbar veränderliche Lichtgeschwindigkeit zu. Einstein hat ja auch gesagt, dass Massen den Raum krümmen und Licht dieser Krümmung folgt. Ein Stern oder eine Galaxie kann Licht ablenken und wenn wir das aus großer Entfernung beobachten, dann kann es so aussehen, als hätte das Licht die Geschwindigkeit verändert.

So weit ist noch alles klar. Licht ist immer gleich schnell, aber ab und zu kann es so aussehen, als wäre es nicht so. 1957 hat der amerikanische Physiker Robert Dicke dann aber eine andere Idee gehabt. Dicke ist unter anderem bekannt für die Vorhersage der Existenz der kosmischen Hintergrundstrahlung, die einen der wichtigsten Belege für den Urknall bietet. Er hat aber auch probiert, eine Alternative zu Einsteins Beschreibung der Gravitation zu finden. Bei Einstein ist Gravitation ja der Effekt der gekrümmten Raumzeit. Masse krümmt den Raum und alles bewegt sich entlang dieser Krümmung. Für uns sieht das so aus, als würde die Masse eine Kraft ausüben. Dicke hat sich jetzt überlegt, dass man den Raum auch so ähnlich wie Glas beschreiben kann. Nicht buchstäblich natürlich, aber prinzipiell. Unterschiedliche Glassorten brechen Licht unterschiedlich stark, was man mit dem Begriff des "Brechungsindex" beschreiben kann. Vielleicht - und das war Dickes Idee - hat der Raum selbst auch so etwas wie einen Brechungsindex, der von der Masse abhängt, die sich im Raum befindet. Licht würde dann tatsächlich seine Geschwindigkeit ändern, wenn es an großen Massen vorbeifliegt. Das ist eine interessante Idee, aber eine vernünftige Beschreibung der Gravitation hat Dicke damit nicht hinbekommen.

Aber die Sache mit der veränderlichen Lichtgeschwindigkeit hat die Menschen nicht losgelassen. Nur: Warum eigentlich? Klar, es ist spannend zu wissen, ob das Licht immer gleich schnell ist oder nicht. Aber Einsteins Theorie war eigentlich ziemlich gut und ist es immer noch. Brauchen wir wirklich eine Theorie, in der das Licht nicht immer gleich schnell ist? Vielleicht schon. Denn es gab in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts ein paar große Probleme, vor allem in der Kosmologie.

Das Urknall-Modell hatte sich nach der Entdeckung der kosmischen Hintergrundstrahlung immer weiter durchgesetzt. Vor 13,8 Milliarden Jahren hat das Universum begonnen sich auszudehnen, es war am Anfang extrem heiß und dicht und ist im Laufe der Zeit immer weiter abgekühlt. Die Details habe ich in anderen Folgen erklärt, aber wichtig ist: Gut 380.000 Jahre nach dem Urknall war das Universum das erste Mal so kühl, dass sich Strahlung darin ausbreiten konnte. Damals ist von jedem Punkt im Universum Strahlung in Richtung jedes anderen Punktes losgeflogen. Diese Strahlung ist zum Teil immer noch unterwegs und weil sie eben von jedem Punkt des Universums ausgeht, wirkt sie für uns wie ein gleichmäßiger Hintergrund. Wir können sie beobachten und sie kommt - sehr sehr schwach - tatsächlich aus jeder Richtung des Himmels zu uns. Und sie tut das sehr gleichmäßig, oder anders gesagt: Die Energie bzw. die Temperatur dieser Strahlung ist fast identisch, egal aus welcher Richtung sie kommt.

Und das ist ein Problem. Denn das Licht braucht ja Zeit, um sich von einem Ort zum anderen zu bewegen. Und 380.000 Jahre nach dem Urknall hat es noch nicht ausreichend viel Zeit gehabt. Wenn wir - vereinfacht gesagt - in eine Richtung des Himmels schauen, dann kriegen wir von dort Hintergrundstrahlung die aus einer Ecke des frühen Universums kommt. Und wenn wir in die andere Richtung schauen, dann kommt da Strahlung die aus einer anderen Ecke des frühen Universums stammt. Und auch wenn das Universum früher kleiner war als heute, hatte das Licht noch keine Zeit gehabt, um von einer Ecke zur anderen zu fliegen. Oder etwas wissenschaftlicher gesagt: Es gab keine kausale Verbindung zwischen den beiden Ecken. Nichts, was in der einen Ecke passiert, hat Einfluss auf die andere Ecke haben können. Es war insbesondere nicht möglich, dass sich irgendeine Art von Temperaturausgleich herstellen hätte können. Wenn die eine Ecke heißer war als die andere, dann kann sich das ja prinzipiell ausgleichen, wenn Energie von der wärmeren zur kälteren fließt. Dafür muss sich diese Strahlung aber eben ausbreiten und das braucht Zeit, die nicht vorhanden war. Entweder das Universum war von Anfang an extrem homogon, das heißt: Es hat von Anfang an so gut keine Temperaturschwankungen geben. Oder aber wir müssten eine Hintergrundstrahlung beobachten, die sehr viel ungleichmäßiger ist, als wir sie tatsächlich sehen.

Das ist das "Horizontproblem" und einfach zu sagen: Na dann war halt früher alles gleichmäßig, ist ein wenig unbefriedigend. Denn warum sollte das so gewesen sein; ein paar minimale Schwankungen sollten auf jeden Fall existieren. Also hat man sich überlegt, wie man das sonst erklären kann. Und damit sind wir bei der variablen Lichtgeschwindigkeit. Wenn die damals schneller war als heute, dann hat die Zeit vielleicht gereicht, um einen Ausgleich herzustellen. Genau das war der Grund, warum Leute über so etwas nachgedacht haben.

John Moffat, ein kanadischer Physiker, hat sich zum Beispiel überlegt, dass das Universum vielleicht irgendwann eine Art Phasenübergang durchlaufen hat, so ähnlich wie ein Eisblock, der irgendwann schmilzt und flüssig wird. Natürlich war das Universum nicht wirklich fest und dann flüssig, aber vielleicht war es früher so beschaffen, dass Licht sich schneller ausbreiten konnte als heute. Oder aber die Lichtgeschwindigkeit ist tatsächlich keine Konstante, sondern eine Größe, die sich aus welchen Gründen auch immer - im Laufe der Zeit ständig ändert.

Man kann sowas alles mathematisch sinnvoll formulieren und daraus alle möglichen Dinge ableiten. Aber wir wollen ja wissen, wie es wirklich war. Und tatsächlich kann man so etwas - zumindest ein bisschen - testen. In der Astronomie können wir ja zum Glück in der Zeit zurück schauen. Je länger das Licht unterwegs ist, desto weiter blicken wir in die Vergangenheit. Und wir können zum Beispiel eine Supernova betrachten, die vergleichsweise nahe explodiert und eine, die sehr weit weg stattfindet. Wie so eine Sternexplosion im Detail abläuft, hängt unter anderem davon ab, wie schnell sich das Licht bewegt. Wenn die Lichtgeschwindigkeit früher anders war als heute, sollten ferne Supernovae anders aussehen als die in unserer Nähe. Das ist aber nicht der Fall. Auch andere, ähnliche Tests liefern bis jetzt keinerlei Hinweise darauf, dass sich der Wert der Lichtgeschwindigkeit im Laufe der Zeit verändert hat.

Und das Horizontproblem haben wir auf andere Weise gelöst. Bzw. so halb gelöst. In den Folgen 69 und 70 der Sternengeschichten habe ich über die "Inflation" gesprochen. Das ist eine Hypothese, die in den 1980er Jahren entstanden ist und nach der sich das sehr frühe Universum während eines unvorstellbar kurzen Zeitraums unvorstellbar stark ausgedehnt hat. Ein bisschen so, als würde sich ein Elementarteilchen spontan auf die Größe eines Fussballs aufblasen. Wenn das so war, dann wäre das Universum ganz früher viel kleiner gewesen als wir dachten; klein genug, dass sich alles gut ausgleichen konnte und erst dann hat es sich aufgeblasen. Es gibt gute Gründe für die Existenz so einer inflationären Phase, aber letztgültig bestätigt haben wir sie noch nicht. Für eine veränderliche Lichtgeschwindigkeit sprechen keine gute so guten Gründe; und trotzdem wir ausführlich geschaut haben, haben wir nichts gesehen, dass darauf hindeutet. Es wird noch viel zu entdecken geben, wenn wir den Anfang des Universums besser verstehen. Aber die Chancen stehen gut, dass das Licht sich auch damals schon so schnell bewegt hat, wie es das heute tut.