"Es werde Licht!" Wann war das?

Wie alt ist eigentlich das Licht
 Urknall"

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Vor etwa 14 Milliarden Jahren ist das heute sichtbare Universum in einer großen Explosion mit immenser Hitze entstanden, dem "Urknall".

Anlässlich des Todes von Stephen Hawking veröffentlicht evangelisch.de heute noch einmal einen Gastbeitrag des theoretischen Physikers Robert C. Helling, den er für unsere Themenreihe "Licht" geschrieben hat.

Das älteste Licht hat viel mit Fernsehen zu tun - im doppelten Wortsinne. Erst einmal ist eine ungehinderte Ausbreitung von Licht eine Voraussetzung für das "In-die-Ferne-sehen". Ohne Licht gibt es nämlich überhaupt kein Sehen. Wenn wir das Licht mit den Augen wahrnehmen, dann allerdings nur als Lichtquelle – oder als Oberfläche, von der es zurückgeworfen wird. Das "Alter" des Lichts können wir daher nur bestimmen, indem wir erfassen, welche Entfernung es bis zu uns und unseren Rezeptoren im Auge zurückgelegt hat – und wie lange es dafür gebraucht hat.

Wir wissen: Das Licht breitet sich mit der berühmten Lichtgeschwindigkeit aus. Und da das Licht ganz schön schnell ist, beträgt die 300.000 Kilometer pro Sekunde. Wenn man also sagt: "Ich kann gerade 300 Kilometer weit sehen", könnte man das physikalisch auch  so ausdrücken: "Dieses Licht brauchte 1/1000 Sekunde, bis es mein Auge erreicht hat."

Wendet man das auf die Sonne an, so braucht deren Licht entsprechend etwa 8 Minuten und 20 Sekunden, bis es bei einem ankommt. Es ist also nicht mehr "neugeboren". Das Licht des der Erde am nächsten gelegenen Fixsterns braucht bereits rund vier Jahre, bis ich es sehe. Und das ist erst der Anfang: Die Sterne der Milchstraße benötigen mit ihrem Licht im Schnitt etwa 100.000 Jahre.  Sterne, die sich in anderen Galaxien befinden, sind noch wesentlich weiter weg. Sie erscheinen als weit entfernte Lichtquellen zwar immer dunkler, sind aber noch sichtbar. Allerdings: Lässt sich das beliebig fortsetzen? Ist das Licht, das wir sehen können, also quasi "unendlich alt"?

Elektrische Ladung als Hindernis für das Licht

Will man diese Frage beantworten, muss man zwei Voraussetzungen klären:
1. Das Licht ist physikalisch gesehen eine Welle. Sie besteht aus einem elektrischen und aus einem magnetischen Feld und die beiden schwingen in einem Wellenmuster. Diese Licht-Welle kann sich nur so lange ausbreiten, bis sie mit etwas reagiert - ganz so wie eine Meereswelle, die von einem Hindernis gebrochen werden kann. Das elektrische Feld des Lichts reagiert dabei mit Dingen, die elektrisch geladen sind: Sie werden vom elektrischen Feld angezogen oder abgestoßen (ganz so wie etwa die Haare, die man auflädt, indem man mit einem Luftballon daran reibt, zu Berge stehen).

Daher wird die Ausbreitung von Licht vor allem von Materialien gestört, die in ihrem Inneren geladene Kleinst-Teilchen (Atome oder Moleküle) haben. Ungeladene Teilchen dagegen behindern das Licht nicht. Aus ihnen zum Beispiel besteht unsere Luft, die ja bekanntermaßen "durchsichtig" ist.

2. Der Weltraum ist besonders durchsichtig, denn der luftleere Raum stellt dem Licht, das von den Sternen kommt, nichts entgegen. Genau genommen ist der Weltraum zwar nicht vollkommen leer, ab und zu findet sich auch dort ein Atom oder ein Molekül. Diese sind aber auch ungeladen und stören das Licht nicht.

Der Urknall und das undurchsichtige Plasma

Nun ist der Weltraum aber keineswegs unveränderlich, sondern er entwickelt sich: Vor etwa 14 Milliarden Jahren ist das heute sichtbare Universum in einer großen Explosion mit immenser Hitze entstanden, dem "Urknall". Anschließend hat es sich immer weiter ausgedehnt und sich dabei abgekühlt. Durch diese Ausdehnung ist der Weltraum inzwischen so groß, dass sich dort eben durchschnittlich nur noch ein Atom pro Kubikmeter findet.

Das älteste Licht, das wir sehen, kann nun nicht früher entstanden sein als 150.000 Jahre (relativ gesehen also quasi nur einen "Augenblick") nach diesem Urknall. Bis zu diesem Zeitpunkt war es nämlich trotz aller Abkühlung immer noch so heiß (immerhin ein paar  tausend Grad, so heiß etwa wie die Oberfläche der Sonne oder ein weißglühendes Stück Stahl), dass die herumfliegenden Atome noch getrennt waren in ihre Bestandteile: die Elektronen und die Atomkerne. Und die waren als solche elektrisch geladen. Das bezeichnet man als Plasma.

Und in einem Plasma findet das Licht eben überall geladene Teilchen, mit denen es reagieren kann. Seine Ausbreitung wird folglich gestört. Das Plasma, das damals das Universum ausfüllte, war daher undurchsichtig, weil sich das Licht dort nicht ausbreiten konnte. So können wir also nicht weiter zurück schauen als bis zu diesem Zeitpunkt des Plasmas "kurz" nach dem Urknall. Das älteste noch sichtbare Licht ist somit fast so alt wie das Universum (also rund 14 Milliarden minus 150.000 Jahre).

Nachglühen im Schneerauschen

Und jetzt kommt also wieder das Fernsehen ins Spiel, diesmal tatsächlich als Technik. Dieses uralte Licht ist nämlich nicht mehr ohne weiteres für uns zu sehen. Denn diese sogenannte "Mikrowellenhintergrundstrahlung" hat sich inzwischen auf etwa minus 270 Grad abgekühlt und besteht nicht aus sichtbarem Licht, sondern aus Radiowellen.

Himmelsbild mit sichtbar gemachter Mikrowellenhintergrundstrahlung

Diese haben in etwa den Frequenzbereich von Fernsehübertragungen. Und tatsächlich wird es so auch für uns sichtbar: Schaltet man ein Fernsehgerät ein, hat aber keinen Sender mit Programm eingestellt, erscheint das bekannte "Schneerauschen". Etwa ein Zehntel der Intensität dieses Schneerauschens besteht nun direkt aus der Strahlung des Plasmas von kurz nach dem Urknall, als es hieß: "Es werde Licht…!" Im Fernsehrauschen sieht man also tatsächlich das Nachglühen des Urknalls - das älteste Licht des Universums!