Letzte Aktualisierung: 2. Februar 2022

Dunkle-Nacht-Paradoxon oder Olbers-Paradoxon

Bildbeschreibung: Sterne haben ein endliches Alter und damit eine Lebensdauer. Ihre Lichtquelle ist zu kurzlebig, als dass sie den Raum mit ihrer Strahlung sättigen könnten. Bildnachweis: Stellarium-Bild

Warum ist die Nacht dunkel?

„Die Nacht ist nur für uns Nacht. Es sind unsere Augen, die dunkel sind.“ Dieses Zitat von René Barjavel (1911-1985) aus dem Science-Fiction-Roman „Die Nacht der Zeiten“ könnte die Antwort auf die Frage sein: Warum ist die Nacht dunkel?
Jeder von uns könnte einfach zugeben, dass die Ursache der dunklen Nacht auf das Fehlen der Sonne über dem Horizont zurückzuführen ist, aber das ist keine gute Antwort.
Tatsächlich ist die Nacht schwarz und vor dem 20. Jahrhundert galt das Universum als statisch, unendlich und von Sternen bevölkert. Diese beiden Ideen werden noch mehrere Jahrhunderte lang paradox bleiben!
Offensichtlich war die Nacht schon immer dunkel. Aber wenn das Universum räumlich und zeitlich unendlich wäre, müsste unsere Sichtlinie, egal in welche Richtung wir blickten, sogar einen sehr weit entfernten Stern kreuzen. Der Himmel sollte uns daher überall so hell erscheinen wie die Sonne. Aber wir sehen, dass die Nacht im Wesentlichen schwarz ist!
Diese als Olbers-Paradoxon bezeichnete Behauptung wurde 1826 von Heinrich Olbers (1758-1840) untersucht. Die Frage wurde jedoch schon seit 1576 von Thomas Digges (1546-1595) in einer Veröffentlichung gestellt, in der er die Sterne zufällig über die Himmelssphäre verteilte. Diese Vision des Himmels veranlasste ihn zu der Frage: „Warum hat diese Unendlichkeit an Sternen den Nachthimmel nicht hell gemacht?“ Seine Antwort war, dass die meisten von ihnen zu weit entfernt seien, um sie sehen zu können, aber das sei keine gute Antwort.
Im Jahr 1610 schien Johannes Kepler (1571-1630) in seinem Unterstützungsschreiben an Gallileo „Dissertatio cum Nuncio Sidereo“ (Gespräch mit dem Himmelsboten) die Vorstellung eines unendlichen Universums abzulehnen.
Obwohl viele Astronomen diese Frage gestellt haben, blieb die Lösung dieses Paradoxons drei Jahrhunderte lang ungelöst.

Warum sollten unendlich viele Sterne den Nachthimmel zum Leuchten bringen?

Eine mathematische Antwort auf diese Frage werden Edmond Halley (1656-1742) und Jean-Philippe Loys de Chéseaux (1718-1751) geben. De Chéseaux stellte sich 1744, inspiriert von der Arbeit von Edmund Halley, den Himmel als eine Reihe konzentrischer kugelförmiger Schichten konstanter Dicke vor, die auf den Beobachter zentriert waren. Somit ist die Anzahl der Sterne in jeder Schicht proportional zu ihrer Oberfläche, also zum Quadrat ihres Radius. Mit anderen Worten: Im Abstand 2d gibt es 4-mal so viele Sterne, im Abstand 4d sind es 16-mal so viele Sterne usw.
Allerdings ist die Lichtstärke eines Sterns umgekehrt proportional zum Quadrat seiner Entfernung. Mit anderen Worten: Wenn ein Stern im Abstand d eine bestimmte Leuchtkraft hat, ist er im Abstand 2d viermal weniger leuchtend. Der Fluss eines Sterns nimmt als Kehrwert des Quadrats der Entfernung ƒ(e)=L/4πr2 (L=Leuchtkraft) ab.
Wenn das Universum also unendlich ist, haben wir unendlich viele Schichten mit der gleichen Leuchtkraft, und der Beobachter erhält von jeder Schicht gleich viel Lichtenergie. Die Gesamthelligkeit sollte unendlich sein.
Wir wissen jetzt, dass diese Behauptung falsch ist, da Sterne eine endliche Lebensdauer haben.

Warum nicht einfach bedenken, dass die kosmische Umgebung nicht überall transparent ist?

So könnte das Licht von Sternen durch interstellaren Staub und Gas blockiert werden. Auch diese Erklärung ist nicht korrekt, da sich das Medium durch die Absorption des Lichts allmählich erwärmen und so leuchtend werden würde wie die Oberfläche eines Sterns. Dies löst das Olbers-Paradoxon nicht.

Warum nicht bedenken, dass das Licht entfernter Sterne keine Zeit hatte, uns zu erreichen?

Tatsächlich stellte Edgar Allan Poe (1809-1849) diese Hypothese 1848 in seinem Essay über das materielle und spirituelle Universum mit dem Titel „Eureka“ intuitiv dar.
Da die Geschwindigkeit des Lichts endlich ist (das wussten wir damals), dauert es tatsächlich eine gewisse Zeit, bis es uns erreicht. Aber diese Hypothese ist in einem unendlichen und ewigen Universum nicht richtig. Wenn das Universum ewig ist, egal wie lange es dauert, bis das Licht uns erreicht, sollte es uns bereits blenden.
Im Jahr 1901 zeigte William Thomson, bekannt als Lord Kelvin (1824-1907), dass in einem transparenten, einheitlichen, statischen Universum, das gleichmäßig mit Sternen gefüllt ist, das endliche Alter der Sterne die Sichtbarkeit entfernter Sterne verhindert.
Um dieses einfache Paradoxon der dunklen Nacht aufzulösen, war es notwendig, unsere Vorstellung vom Universum völlig zu überarbeiten.
Hinter der Geschichte des Olbers-Paradoxons stand eine beunruhigende kosmische Realität, aus der Ende des 20. Jahrhunderts mehrere Konzepte hervorgingen.
- Das Universum hat nicht immer existiert, es hat eine Geschichte und ein endliches Alter von 13,77 Milliarden Jahren.
- Die Lichtgeschwindigkeit (300.000 km/s) ist endlich und daher hat das Universum eine endliche Größe. In 13,77 Milliarden Jahren legten Photonen 13,77 Milliarden Lichtjahre zurück.
- Sterne haben ein endliches Alter und daher eine Lebensdauer. Ihre Lichtquelle ist zu kurzlebig, als dass sie den Raum mit ihrer Strahlung sättigen könnten.
- Das Universum befindet sich in einer beschleunigten Expansion. Der Himmel wird immer dunkler, weil das Licht entfernter Galaxien zunehmend rotverschoben ist (Doppler-Effekt). Die am weitesten entfernten Galaxien verlieren zunehmend an Helligkeit und sind äußerst schwer zu beobachten.

Abschluss

Wir müssen alle diese Hypothesen zusammenführen, um das Paradoxon der dunklen Nacht zu lösen.
„Die Nacht ist nur für uns Nacht. Es sind unsere Augen, die dunkel sind.“
Bei der Infrarotbeobachtung zeigen entfernte Galaxien gigantische Leuchten, die interstellaren Staub entzünden. Für jeden Punkt am Himmel kreuzt unser Ziel den Infrarotfluss einer Galaxie.
Aber die ursprünglichste Klarheit gibt es in Mikrowellen. Diese abgekühlte fossile Strahlung wird in allen Himmelsrichtungen beobachtet.

Bildbeschreibung: Diese umfassende Karte des CMB (Cosmic Microwave Background) zeigt die Temperaturschwankungen des frühen Universums, als es etwa 380.000 Jahre nach dem Urknall transparent wurde. Der maximale Temperaturunterschied zwischen den kalten blauen Zonen und den heißen roten Zonen liegt in der Größenordnung von 0,0001 °C. Bildnachweis: Fotomontage von Fotos vonPlanck(ESA-Satellit) über 9 Jahre.