Raumzeit Schneller als Lichtgeschwindigkeit? Gibt es!

Warum ist das Licht kurz nach dem Urknall entstandener Galaxien 13 Milliarden Jahre unterwegs zu uns? Entfernen sich diese Galaxien etwa mit Überlichtgeschwindigkeit von uns. Hier die verblüffende Antwort: Ja - und nein!

von Karsten Möbius

Die Galaxien IRAS 18090+0130 im Sternbild Schlangenträger, aufgenommen vom Hubble-Teleskop 5 min
Bildrechte: NASA/ESA/Hubble Collaboration

Schneller als Lichtgeschwindigkeit geht nicht? Doch: Raum kann sich schneller ausdehnen.

MDR AKTUELL Fr 22.03.2019 12:47Uhr 05:24 min

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MDR-Wissen-Leser Axel Mieth aus Meißen wunderte sich über folgendes Phänomen der Astrophysik: Eine der ältesten Galaxien im Universum, die wir mit Teleskopen sehen können, ist zwölf Milliarden Lichtjahre von uns entfernt. Das Universum ist aber nur etwa 13 Milliarden Jahre alt. Wie geht das?

Hat sich die Galaxie selbst also mit Lichtgeschwindigkeit vom Zentrum des Urknalls entfernt, um schon eine Milliarde Jahre nach dem Beginn des Universums dort zu sein, wo sie das Licht ausgesendet hat, das uns nach zwölf Milliarden Jahren heute erreicht? Wäre das nicht nach den Gesetzen der Einsteinschen Theorien unmöglich? Gibt es also doch Materie, die sich genauso schnell oder schneller als das Licht bewegen kann, das etwa 300.000 Kilometer pro Sekunde zurücklegt?

Der Weltraum wurde größer

Die Galaxie, die da weit draußen ihr Licht zu uns sendet, strahlt uns die Antwort direkt in die Teleskope. Sie scheint zu rufen, na klar geht das! Na klar schaut mich doch an, wo ich bin. Ich hab in 13 Milliarden Jahren 12 Milliarden Lichtjahre zurückgelegt. Auf diese klare Botschaft legt Astrophysiker Hendrik Hildebrandt sogar noch einen drauf: "Es ist sogar so, dass sich diese Galaxie mit einer Geschwindigkeit von uns fortbewegt, die größer ist als die Lichtgeschwindigkeit." Und damit ist sie nicht mal etwas Besonderes im Universum. "Man kann immer zwei Punkte finden in einem homogen expandierenden Universum, die sich mit mehr als Lichtgeschwindigkeit voneinander entfernen. Insofern nicht überraschend für den Kosmologen."

Geht es doch schneller als Lichtgeschwindigkeit?

Überraschend aber für alle, die im Physikunterricht aufgepasst haben. Denn schneller als Lichtgeschwindigkeit geht nicht, laut Einstein. "Die Lichtgeschwindigkeit ist ein heiliges Limit und wenn ich jetzt davon spreche, dass diese Galaxie sich mit einer Geschwindigkeit von uns wegbewegt, die höher ist als die Lichtgeschwindigkeit, dann meine ich damit etwas anderes", sagt Hildebrandt. "Und zwar, dass sowohl unsere Galaxie als auch diese andere Galaxie beide im Raum ruhen, aber der Raum zwischen den Galaxien sich ausgedehnt hat."

Hubbles Bilder Wunderbarer Weltraum

Das Weltraumteleskop Hubble hat uns in fast 40 Jahren mit seinen Bildern mitgenommen in die wunderbare Welt des Alls. Das aktuelles stammt vom Saturn und wurde heute veröffentlicht. Es zeigt faszinierende Polarlichter.

Ein Bild des Saturn.
Dieses aus mehreren Aufnahmen zusammengesetzte Foto haben ESA und NASA heute veröffentlicht. Es zeigt die flatternde Aurora am Nordpol des Saturns, die nur im ultravioletten Licht zu sehen ist. Bildrechte: NASA, ESA & L. Lamy
Ein Bild des Saturn.
Dieses aus mehreren Aufnahmen zusammengesetzte Foto haben ESA und NASA heute veröffentlicht. Es zeigt die flatternde Aurora am Nordpol des Saturns, die nur im ultravioletten Licht zu sehen ist. Bildrechte: NASA, ESA & L. Lamy
Hubble
Das Hubble-Weltraumteleskop. Seit 1990 umkreist es die Erde in einer Höhe von 570 Kilometern. Bildrechte: NASA
Der Pferdekopf-Nebel. 3 Lichtjahre groß, im Sternbild Orion.
Vielleicht eines der bekanntesten Hubble-Bilder: Der Pferdekopf-Nebel. Bildrechte: NASA/ESA/STScI
Eine Sternenexplosion.
Ein sterbender Stern, 4.000 Lichtjahre von der Erde entfernt. Ein weißer Zwerg mit einer Temperatur von rund 200.000 Grad Celsius. Bildrechte: NASA, ESA, and K. Noll
Hubble
Der Krebsnebel. Rest einer Supernova. Dieses Bild ist aus ganz vielen einzelnen zusammengesetzt. Sie stammen vom Hubble und dem Karl G. Jansky Very Large Array, dem Spitzer Space Telescope, dem XMM-Newton Observatory und dem Chandra X-ray Observatory. Bildrechte: NASA, ESA, NRAO/AUI/NSF and G. Dubner
Hubble
Der Stern Herschel 36 im Lagunen-Nebel. Eine Million Jahre alt und 200.000 Mal heller als die Sonne. Bildrechte: NASA, ESA, and STScI
Hubble
Der planetarische Nebel NGC 3918, eine schillernde Wolke von buntem Gas im Sternbild Centaurus, rund 4.900 Lichtjahre von der Erde entfernt. Bildrechte: ESA/Hubble and NASA
Hubble
Hubbles Vorbereitungen für seinen Nachfolger. Die hellsten Galaxien soll das James-Webb-Teleskop genauer untersuchen. Bildrechte: ESA/Hubble & NASA, RELICS
12 Bilder kollidierender Galaxien.
2008 veröffentlichte die NASA eine Sammlung von Bildern kollidierender Galaxien, die das Hubble-Teleskop aufgenommen hatte. Bildrechte: NASA, ESA, the Hubble Heritage, A. Evans (University of Virginia, Charlottesville/NRAO/Stony Brook University)
Ein spinnenförmiger Sternennebel.
Der Rote Spinnen Nebel. Rund 3.000 Lichtjahre entfernt im Sternbild Schütze. Hier hat Hubble riesige Schockwellen aufgenommen. Bildrechte: ESA/Garrelt Mellema (Leiden University, the Netherlands)
Grafik: James-Webb-Teleskop
Ab 2020 soll das James Webb Telskop unser neues Auge tief im All sein. Bildrechte: NASA
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Ursache: Die Raumzeit

Damit kommt der entscheidende Begriff in die Diskussion: Die Raumzeit. Sie bietet eine Erklärung, wie es sein kann, dass sich zwei Objekte mit Licht- oder Überlichtgeschwindigkeit voneinander entfernen können, obwohl sie sich selbst kaum bewegen. "Es gibt den Vergleich mit einem Hefeteig mit Rosinen: Die Rosinen selbst ruhen innerhalb des Teiges, aber der Teig geht auf und dadurch entfernen sich die Rosinen voneinander."

Und dieser Teig, der sinnbildlich für den Raum steht, für den zählt Geschwindigkeit nicht. Der hat kein Limit wie irgendwelche Teilchen, erklärt Astrophysiker Bruno Leibundgut: "Das Skurrile daran ist, dass der Raum sich nicht an physikalische Gesetze halten muss. Das bedeutet, sie können den Raum zum Beispiel mit Überlichtgeschwindigkeit ausdehnen."

Überlichtgeschwindigkeit heißt nicht nur ein bisschen schneller als Lichtgeschwindigkeit, sondern sehr, sehr viel schneller. Das hat in der Vergangenheit des Universums auch dazu geführt, dass sich Galaxien oder Bereiche im Universum innerhalb von Sekunden Tausende oder Milliarden Lichtjahre voneinander entfernt haben, ohne sich dabei selbst großartig zu bewegen. Wozu der Raum fähig ist, beschreibt Professor Martin Ammon aus Jena anhand der Theorie über die ersten Sekunden des Universums, der sogenannten Inflationären Phase. "Das war wirklich ein Bruchteil einer Sekunde nach dem Urknall. In diesem Rahmen hat sich das Universum von sagen wir 10-30 Zentimeter auf die heutige Größe oder noch größer aufgebläht."

Nichts ist schneller als das Licht

Und trotz dieser Ausdehnung des Raums, der auch die erwähnte Galaxie scheinbar mit Überlichtgeschwindigkeit fortbewegt, haben alle die Recht, die nach wie vor behaupten, Lichtgeschwindigkeit ist das Schnellste, das es gibt - sagt auch Hendrik Hildebrandt.

Das ist aber kein Verstoß gegen dieses Gesetz der Relativitätstheorie, dass sich nichts schneller als mit Lichtgeschwindigkeit bewegen kann. Das heißt, diese Galaxie überholt uns nicht mit Lichtgeschwindigkeit, die fliegt nicht mit Lichtgeschwindigkeit an uns vorbei, sondern sie ist sehr weit von uns entfernt und befindet sich in einem anderen Koordinatensystem. Und wir definieren uns jetzt eine Größe, die wir Fluchtgeschwindigkeit nennen und kommen dann auf ein Ergebnis, das größer ist als die Lichtgeschwindigkeit.

Hendrik Hildebrandt, Ruhr-Universität Bochum

Wenn wir die Perspektive umdrehen und unsere Milchstraße von dieser fernen Galaxie aus beobachten würden, dann hätte man den Eindruck, auch wir würden uns mit Lichtgeschwindigkeit wegbewegen. Aber hätten unsere Galaxie, unser Sonnensystem oder unsere Erde einen Tacho, er würde niemals auch nur ansatzweise Lichtgeschwindigkeit anzeigen. Das, was wir als Fluchtgeschwindigkeit registrieren, ist die Ausdehnung des Raums, nicht die Geschwindigkeit der Himmelskörper.

Gewinnerin: Die Schwerkraft

Das Problem dabei: Wir können uns diese Ausdehnung des Raums nicht vorstellen. Denn unser Teller bleibt da, wo er ist, und der Weg zur Arbeit hat immer die gleiche Länge. "Das ist eben das Verrückte und deshalb ist es auch so schwierig, sich das vorzustellen: In ihrem Zimmer hat die Gravitation gewonnen, das bedeutet, diese Ausdehnung findet in ihrem Zimmer nicht statt, auch nicht in unserem Sonnensystem oder in unserer Milchstraße oder in der sogenannten lokalen Gruppe", sagt Astrophysiker Bruno Leibundgut.

Das heißt hier bei uns, wo die Gravitation das Sagen hat, wo sie größer ist als die rätselhafte Kraft der Dunklen Energie, die den Raum aufbläht oder auseinanderdrückt, hier funktioniert das Universum so, wie wir es täglich erleben und erfahren. Aber viel weiter draußen, dort wo Millionen Lichtjahre nur leerer Raum ist, dort regiert die dunkle Energie. Wir verstehen noch nicht warum, aber sie lässt den Raum expandieren, schneller als jede irdische Vorstellungskraft es zulässt. Und deshalb gibt es Himmelskörper, die sich schneller als mit Lichtgeschwindigkeit von uns wegbewegen und das widerspricht nicht mal dem, was wir im Physikunterricht gelernt haben.

Dieses Thema im Programm: MDR AKTUELL | 13. März 2019 | 07:20 Uhr

Zuletzt aktualisiert: 25. März 2019, 15:19 Uhr

Künstlerische Darstellung des Urknalls. 45 min
Bildrechte: MITTELDEUTSCHER RUNDFUNK