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Physik-Nobelpreis 2019 : Antworten auf die ganz großen Fragen unserer Existenz

Zusammenspiel von Theorie und Beobachtung: die Vorhersagen von James Peebles wurden durch Beobachtungen des Planck Teleskops glänzend bestätigt. Bild: dpa

Wie ist unser Kosmos beschaffen und was ist darin unser Platz? Der diesjährige Physik-Nobelpreis geht an James Peebles, Michel Mayor und Didier Queloz für Beiträge zur Suche nach Exoplaneten und zum Verständnis des Universums.

          4 Min.

          Was ist der Ursprung des Kosmos, wie können wir seine Entwicklung verstehen und was ist unser Platz als Menschen, als Lebewesen auf einem kleinen lebensfreundlichen Gesteinsplaneten, in all dem? Es sind diese großen und alten, im Kern philosophischen Fragen, die in diesem Jahr mit dem Nobelpreis der Physik gewürdigt wurden. Lange Zeit bewegte sich die Suche nach Antworten ausschließlich im Raum der Metaphysik, der Theologie, nicht aber im Rahmen der empirischen Wissenschaften. Die Fragen waren zu groß als dass irdische Beobachtungen und Experimente ihnen gewachsen gewesen wären. Geändert hat sich dies erst seit rund fünfzig Jahren. Spätestens mit der Entdeckung der kosmischen Hintergrundstrahlung 1965, der ältesten „Abbildung“ des Universums zu einer Zeit, als erst 380.000 Jahre seit dem Urknall vergangen waren, ist der Kosmos zum Gegenstand der Empirie geworden. Was man heute aus kosmologischen Beobachtungen über das Universum und seine Vergangenheit ableiten kann, und mit welcher Präzision dies funktioniert, ist atemberaubend. Der amerikanische Astrophysiker James Peebles von der Princeton University, dessen Ehrung eine Hälfte des diesjährigen Preises einnimmt, hat daran großen Anteil.

          Das 2009 gestartete Planck Weltraumteleskop der Esa lieferte den bislang schärfsten Blick auf die winzigen Temperaturschwankungen der kosmischen Hintergrundstrahlung.
          Sibylle Anderl

          Redakteurin im Feuilleton.

          Als Theoretiker wirkte er an der Vorhersage der kosmischen Hintergrundstrahlung mit, deren Entdeckung durch zwei Physiker der Bell Laboratories, Arno Penzias und Robert Wilson, völlig unabhängig von kosmologischer Theorie als störendes Hintergrundgeräusch in irdischer Kommunikation geschehen war. Die Existenz dieser Strahlung, die den Kosmos durchdringt seit seine Temperatur so weit gesunken war, dass sich Atome bilden konnten, lehrt viel über die Frühphase des Universums. Sie zeigt winzige Temperaturschwankungen, in denen die Dichteschwankungen, die Verteilung also der damals existierenden Materie konserviert sind. Peebles und andere fanden heraus, dass wir auf dieser Grundlage sehr genau rekonstruieren können, wie sich die Temperatur im Kosmos kurz nach dem Urknall entwickelt hat. Zusammen mit unserem Wissen über die Chemie können wir daraus ableiten, wie die chemischen Elemente entstanden sind, von denen wir heute umgeben sind. Mehr noch: Wir können diese heute beobachtbaren Häufigkeiten, insbesondere von Helium, nutzen, um die Eigenschaften des Universums sehr genau einzugrenzen.

          Die großräumige Verteilung der Materie im Universum, hier von der Illustris TNG Simulation berechnet, entwickelte sich aus winzigen Dichtefluktuationen kurz nach dem Urknall.

          Die Temperaturschwankungen, sogenannte Anisotropien, die seit 2009 mit höchster Genauigkeit vom Planck Weltraumteleskop der Esa gemessen wurden und die die Keimzellen der uns heute umgebenden Materiestrukturen darstellen, beinhalten aber noch sehr viel mehr Informationen. Eine genaue Analyse der räumlichen Verteilung der Schwankungen zeigt beispielsweise, dass die Materie Schwingungen ausführte, als die Strahlung von ihr entkoppelte. Diese Schwingungen entstehen durch das Wechselspiel von Gravitation, die Materie verklumpen lässt, und Strahlungsdruck, der verdichtete Materieansammlungen wieder auseinandertreibt. Für die genau Gestalt dieser Schwingungen spielt der damalige Wert der Schallgeschwindigkeit genauso eine Rolle wie die Menge der damals existierenden Materie und deren Verteilung. Die physikalische Beschreibung dieser Prozesse kann im Vergleich mit dem beobachteten Temperaturmuster der kosmischen Hintergrundstrahlung die globale Geometrie des Universums, seine Dynamik und die Eigenschaften seiner Bestandteile liefern.

          Die Auswertung dieser Strahlung liefert so die Grundlage dafür, dass wir heute über ein kosmologisches Modell verfügen, das viele unabhängige astronomische Beobachtungen mit hoher Genauigkeit in einem konsistenten Weltbild integrieren kann– an dessen Entwicklung John Peebles vielfältig Anteil hatte. Bekanntlich hat es bislang aber noch mit einem Schönheitsfehler zu kämpfen: Nur rund fünf Prozent aller Energie und Materie im Kosmos sind durch diejenige Materieform gegeben, die wir kennen und verstehen. Der Rest ist Dunkle Materie (rund 27 Prozent) und Dunkle Energie (rund 68 Prozent), beide sind unverstandene Phänomene. Schlimmer noch: sie haben in unseren derzeit akzeptierten Theorien des Mikrokosmos keinen Platz. Beide haben aber klare Spuren in der kosmischen Hintergrundstrahlung hinterlassen, und nicht nur da. Auch auf kleineren Skalen weisen viele unabhängige astronomische Beobachtungen auf ihre Existenz hin, ohne bislang aber zur Klärung ihrer genauen Natur geführt zu haben. Die Ehrung Peebles, der maßgeblich dazu beigetragen hat, die Glaubwürdigkeit dieser beiden Entitäten zu stärken, ist damit ein klares Bekenntnis zum derzeitigen kosmologischen Modell, das angesichts seiner ontologischen Leerstellen immer wieder auch starker Kritik ausgesetzt ist.

          Der Physik-Nobelpreis 2019 wird an die Astrophysiker James Peebles, Michel Mayor und Didier Queloz verliehen.

          In kosmologischer Perspektive erscheinen unsere irdischen Maßstäbe zwar winzig und unbedeutend. Dennoch treibt uns die Frage, wie einzigartig unsere Existenz sein mag, genauso um, wie die Frage nach dem großen Ganzen des Kosmos. Auch die Suche nach fremden Welten und unbekannten Lebensformen ist eine, die erst im vergangenen Jahrhundert den Sprung aus dem Reich der schöngeistigen Spekulation in das der Empirie geschafft hat. Die Schweizer Astronomen Michel Mayor und Didier Queloz von der Universität Genf, die sich die zweite Hälfte des diesjährigen Preises teilen, waren 1995 die ersten, die einen Planeten außerhalb unseres Sonnensystems entdeckten, der einen unserer Sonne ähnlichen Stern umkreist. Mit dem Haute-Provence Observatorium im Süden Frankreichs meisterten sie die enorme technologische Herausforderung, den Einfluss eines Jupiter-ähnlichen Planeten, genannt 51 Pegasi b, auf die Bewegung seiner Heimatsonne nachzuweisen. Dieser Einfluss zeigt sich in periodischen Schwankungen des Sterns entlang der Sichtlinie, die wiederum anhand winziger Verschiebungen des stellaren Spektrums nachgewiesen werden können. 51 Pegasi b umkreist seine Sonne alle 4,23 Tage in einer Entfernung, die nur einem Hundertstel derjenigen zwischen Jupiter und unserer Sonne entspricht.

          Die Entdeckung war nur der Beginn der Entzauberung irdischer Einzigartigkeit und versetzte in den folgenden Jahrzehnten ein ganzes Forschungsfeld in Goldgräberstimmung. Neue Methoden wurden zum Aufspüren fremder Planeten entwickelt, wie die Transitmethode, die die kurzzeitige Verdunkelung des Heimatsterns durch den vor ihm vorbei ziehenden Planeten nachweist. Neue Messinstrumente und Satelliten wurden entwickelt. Heute kennen wir mehr als 4000 ferne Planeten, viele davon der Erde nicht unähnlich. Der nächste Schritt wird sein, in ihren Atmosphären nach chemischen Signaturen von Leben zu suchen. Der diesjährige Physik-Nobelpreis zeigt eindrucksvoll: Jede Teilantwort auf die fundamentalsten Fragen unserer menschlichen Existenz verweist wiederum auf vielfältig Offenes und Unverstandenes. So war es immer, und so wird es wohl auch weiterhin sein.

          Der Exoplanet 51 Pegasi b in künstlerischer Darstellung. Für seine Entdeckung wurden Michel Mayor und Didier Queloz mit dem Nobelpreis geehrt.

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