Warum das Universum ein Donut sein könnte

Hat das Universum einen Rand oder ein Ende? Die Antwort darauf ist wirklich bizarr und wird euch aus den Socken hauen.   

Es war einmal vor 13,8 Milliarden Jahren, als noch nichts existierte, keine Planeten, keine Galaxien, kein Raum, keine Zeit. Es gab lediglich eine Singularität, einen Punkt ohne Ausdehnung und diese kleine Singularität enthielt das Potential für einen gesamten Kosmos. Diese Singularität begann plötzlich zu expandieren. Der Kosmos war geboren, erst ganz klein und dann immer größer bis heute. Das nennt man die kosmische Expansion.  

All das fasst man zusammen unter der Urknalltheorie. Theorie deswegen, weil niemand live dabei war und sich Ereignisse, die fast 14 Milliarden Jahre in der Vergangenheit liegen, sehr schlecht zu 100 Prozent beweisen lassen – aber alle Indizien sprechen dafür und unter Kosmologen ist diese Theorie die vorherrschende Meinung.  

Immerhin können wir zweifelsfrei beobachten, dass der Kosmos wächst und die allermeisten Galaxien sich voneinander wegbewegen. Wenn alles expandiert, muss es ja wohl mal auf einem gemeinsamen Punkt begonnen haben – das ist ein sehr starkes Indiz für den Urknall. Aber dennoch stellen sich da einige Fragen: Was war denn vor dem Urknall, was ist neben dem Weltraum und was ist genau am Rand? Hat das Universum überhaupt einen Rand? Oder ist das Universum doch unendlich? Aber worein dehnt es sich dann aus.  

Hat das Weltall eine Begrenzung?  

Klären wir erstmal die Frage, ob das Weltall denn überhaupt einen Rand hat und ob wir diesen sehen können. Das Problem mit unserer Vorstellung des Alls ist, dass wir dreidimensionale Wesen sind, wir stellen uns den expandierenden Kosmos immer wie einen Fußball vor, der immer weiter aufgepumpt wird. Der Kosmos besitzt aber mindestens vier Dimensionen, einige Kosmologen gehen schon von über zehn Dimensionen aus und das übersteigt schlicht unseren Höhlenmenschen-Verstand.  

Eine Möglichkeit besteht darin, das Universum als eine endliche, gekrümmte Fläche zu betrachten, vergleichbar mit der Oberfläche eines Ballons. Eine Ameise, die auf der Ballonoberfläche wandert, könnte in jede Richtung gehen und würde dennoch nie an ein Ende gelangen. Unser Universum ist aber kein dreidimensionaler Ballon, sondern ein multidimensionaler Raumzeitballon und daher könnte es, obwohl es wohl endlich ist, ohne sichtbaren Rand sein.  

Ist das Universum ein Donut?  

Einige Kosmologen haben diese Idee des unendlichen Ballons etwas ausgearbeitet und kamen zu dem Schluss, dass das Universum wohl eher ein Donut sein müsste. Dieses Konzepts eines mehrdimensionalen Donuts nennt man auch Poincaré-Donut, benannt nach dem französischen Mathematiker Henri Poincaré. Er stellte die Poincaré-Vermutung auf, die Kosmologen als Grundlage für das Donut-Universum genommen haben.  

Die Idee hinter dieser Theorie ist, dass das Universum so gekrümmt sein könnte, dass es sich auf sich selbst zurückbiegt, ähnlich wie die Oberfläche eines Donuts. Der Raum wäre also nicht einfach flach und ausgedehnt, sondern würde sich auf eine Art und Weise krümmen, die in höheren Dimensionen verankert ist. Ein Donut-Universum wäre zwar endlich, aber ohne einen klaren Rand. Es müsste eine begrenzte Ausdehnung haben, aber diese Begrenzung würde auf eine Weise existieren, die für uns dreidimensionale Wesen kaum zu erfassen ist.  

Und das ist der wichtige Punkt am Donut-Universum: Im Gegensatz zu den meisten anderen kosmologischen Theorien, wonach das Universum eher ein ewig weitergehender Pfannkuchen wäre, ist es nach der Donut-Theorie viel kleiner als bislang gedacht und eben eindeutig endlich, auch wenn das Ende nicht wirklich zu erfassen ist. Diese Theorie erscheint durch einige Beobachtungen sehr realistisch. Um zu überprüfen, ob der Kosmos ein Donut ist, könnte man nachschauen, ob er sich an gewissen Stellen wiederholt. Stellt euch mal vor, Ihr würdet an dieser Stelle im Weltall losrennen…  

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… und irgendwann kommt Ihr genau an dieser Stelle wieder raus. Das wäre der Beweis, dass das Universum ein Donut ist. Leider würde es wohl ziemlich lange dauern, einmal durch das gesamte Universum zu rennen und darauf haben Wissenschaftler keine Lust.  

Deswegen suchen sie mit Teleskopen im Kosmos nach wiederkehrenden Elementen. Leider ist das in diesem gigantischen Kosmos noch erheblich schwierig als die Suche nach der Nadel im Heuhaufen. Praktischerweise kann man aber bis zu einem Punkt zurückschauen, als der Weltraum noch sehr klein war, dadurch kann man also den zu durchsuchenden Heuhaufen im wahrsten Sinne des Wortes schrumpfen.  

Das transparente Universum  

Jeder Blick in den Himmel ist ein Blick in der Zeit zurück. Ihr seht die Objekte so, wie sie aussahen, als sich das Licht von ihnen auf den Weg gemacht habt. Die Sonne seht Ihr beispielsweise immer so, wie sie vor acht Minuten und 20 Sekunden aussah, da das Licht so lange von der Sonne bis zur Erde benötigt. Astrophysiker können noch viel weiter zurückschauen, und zwar bis zu einem Punkt, als das Universum erst einige Hunderttausend Jahre alt war.  

Vor ungefähr 380.000 Jahren wurde das Universum durchsichtig, das bedeutet, dass plötzlich Strahlung ausgesendet wurde, genauer gesagt kosmische Mikrowellenstrahlung. Bis zu diesem Moment können wir zurückschauen und sehen dann eine gigantische uns überall umgebende Wand von eben dieser Mikrowellenstrahlung. Man nennt dies die kosmische Hintergrundstrahlung.  

Da damals das Universum viel kleiner war als heute, ist es für Kosmologen sehr viel praktischer, diese kosmische Hintergrundstrahlung nach wiederkehrenden Elementen zu untersuchen, um Beweise für den Donut zu finden. Denn wenn die Theorie stimmt, war das Universum auch 380.000 Jahre nach dem Urknall schon ein mehrdimensionaler topologischer Donut, nur eben viel kleiner. Ein kosmologischer Mini-Donut.  

Wie die kosmische Hintergrundstrahlung weiterhilft   Und genau das hat ein Forscherteam um Thomas Buchert von der Universität Lyon gemacht und es kam zu überraschenden Ergebnissen. Sie haben die kosmische Hintergrundstrahlung, kurz auch CMB für Cosmic Microwave Background, auf Unregelmäßigkeiten im großen Maßstab, vor allem der Temperatur, untersucht. Die These war, dass, wenn sich eine oder mehrere Dimensionen in unserem Universum donutmäßig wieder mit sich selbst verbinden würden, diese Unregelmäßigkeiten nicht größer sein könnten als der Abstand zwischen den Punkten, an denen das Universum sich wieder verbinden müsste. Thomas Buchert formuliert es so: „In einem unendlichen Raum existieren die Störungen in der Temperatur der CMB-Strahlung auf allen Skalen. Wenn der Raum aber endlich ist, dann fehlen jene Wellenlängen, die größer sind als die Größe des Raums.”  

Vereinfacht kann man sagen, dass es in der Temperaturverteilung des Kosmos weniger Unregelmäßigkeiten geben müsste, wenn er sich kringelförmig an mehreren Stellen wiederholt. Und tatsächlich haben die Untersuchungen von Thomas Burchert genau das gezeigt. Er sagt: „Wir finden eine viel bessere Übereinstimmung mit den beobachteten Fluktuationen, verglichen mit dem kosmologischen Standardmodell, von dem man annimmt, dass es unendlich ist. Die Antwort unserer Arbeit ist eindeutig, dass das endliche Universum besser zu den Beobachtungen passt als das unendliche Modell.”  

Arbeiten wir also mal mit der Donut-Universum-Hypothese. Der Donut hat einen Rand, also müssten wir den doch irgendwie sehen können, oder? Leider nicht. Denn dieser Rand würde wohl jenseits unseres Beobachtungshorizonts liegen. Der Beobachtungshorizont ist die maximal erreichbare Entfernung, die das Licht seit dem Urknall zurücklegen konnte und die wir von der Erde aus sehen können. Alles, was jenseits dieses Beobachtungshorizonts liegt, ist für uns unsichtbar, da das Licht noch nicht genügend Zeit hatte, um uns zu erreichen. Und wie unglaublich ist der Gedanke, dass es große Teile des Kosmos gibt, die wir noch gar nicht erahnen können. Ein wenig so, wie wenn Ihr auf einem Schiff seid und um euch herum schon eine riesige Fläche des Ozeans seht, aber hinter der Erdkrümmung erwartet euch noch der ganze Rest, den Ihr aber erst sehen könnt, wenn Ihr über die Krümmung fahrt. Also wir sind Seefahrer in einem Meer aus Sternen.  

Aber sehr wahrscheinlich wird das Licht des Rands auch nicht in ferner Zukunft auf der Erde ankommen, denn der Kosmos hält sich nicht an seine eigenen Spielregeln. Auf großen Skalen expandiert er schneller als Lichtgeschwindigkeit. Angenommen, zwei Galaxien in entgegengesetzten Richtungen am Himmel sind 20 Milliarden Lichtjahre voneinander entfernt. Bei der aktuellen Expansionsrate des Universums wird ihre Entfernung in einer Million Jahren um 0,007 Prozent zunehmen, was 1,4 Millionen Lichtjahre entspricht. 1,4 Millionen Lichtjahre in einer Millionen Jahren. Offensichtlich schneller als Licht.  

Das führt übrigens nicht dazu, dass Einstein im Grabe rotieren würde, denn er hätte nichts dagegen. Seine kosmische Geschwindigkeitsgrenze bezieht sich nur auf die Bewegung physischer Objekte durch den Raum, von einem Punkt im Universum zu einem anderen. Im Allgemeinen hat die Ausdehnung des Raumes nichts mit der Bewegung von Objekten im Raum zu tun und wird in keiner Weise durch die Lichtgeschwindigkeit begrenzt. Die Physik kann also beruhigt aufatmen, aber wir nicht, weil das bedeutet, dass die Informationen vom Rande des Kosmos niemals zu uns dringen werden, weil sie sich langsamer bewegen als der Kosmos sich ausdehnt.  

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