Ist das Universum ein Donut?

Wissenschaftler haben einen schmackhaften Verdacht: Vielleicht leben wir in einem riesigen kosmischen Donut…

Über die Form unseres Universums machen Astrophysiker sich schon lange Gedanken. Flach, wellenartig, kugelförmig oder eben ein Donut. Um diese Form zu klären, fängt man am besten ganz am Anfang an – wirklich ganz am Anfang, nämlich beim Urknall! Vor ungefähr 13,6 Milliarden Jahren begann das Universum nach weit verbreiteter Ansicht in einem singulären Ereignis. Der gesamte Kosmos war in einem maximal verdichteten Punkt komprimiert, der dann begann sich auszudehnen. Seitdem wird das Universum immer größer und größer und größer. Und es expandiert bis heute. Das weiß man, da man die Entfernungen zu anderen Galaxien messen kann. Mit wenigen Ausnahmen bewegen sich die Galaxien von unserer Galaxis, der Milchstraße, weg. Wie die Rosinen in einem Kuchen, der im Ofen aufbackt. Das Universum ist der Kuchen, die Galaxien sind die Rosinen.

Die meisten Galaxien expandieren voneinander weg

Diese zwei Dinge sind essenziell für das Verständnis des Universums: Es begann als sogenannte Singularität und wächst seitdem immer weiter. Das Problem mit der Bestimmung der Form des Universums ist, dass es nicht dreidimensional ist wie der Raum, in dem wir uns gerade befinden, sondern mindestens vierdimensional und sich daher unserem dreidimensionalen Verstand entzieht. Wir Menschen sind also ein bisschen zu unfähig, um uns das wahre Wesen des Kosmos vorzustellen.

Um die Form des Universums zu begreifen, müssten wir noch einen Gang höher schalten. Man könnte nun meinen, dass der Kosmos geformt ist wie ein großer Raum oder vielleicht eine Kugel, denn die Galaxien expandieren ja in alle Richtungen voneinander weg. Leider ist das nicht die Art und Weise, wie man sich den Weltraum vorstellen kann. Denn da es sich ja hier um etwas Vierdimensionales handelt, dürfen wir nicht mehr in Richtungen wie auf der Erde denken. Astrophysiker haben im sogenannten kosmologischen Prinzip beschrieben, dass das Weltall im großen Maßstab isotrop und homogen ist. Homogen bedeutet, dass es sich einem Beobachter unabhängig von seinem Standpunkt im Raum immer gleich darstellt. Isotrop heißt, dass es sich dem Beobachter unabhängig von der Beobachtungsrichtung im Raum immer gleich darrstellt. Dies gilt nur in den ganz großen Maßstäben im Kosmos und nicht für kleinere Gegenden wie zum Beispiel unser Sonnensystem, das sich natürlich sehr unterscheidet, je nachdem auf welchem Planeten man steht und ob man in Richtung Sonne oder Pluto schaut. Aber ein riesiges kosmisches Wesen, das den gesamten Weltraum überblicken kann, würde dies anders wahrnehmen. Egal wohin es schauen und egal an welcher Ecke des Kosmos es stehen würde, es sieht immer alles genau gleich aus. Das ist das kosmologische Prinzip. Die meisten Astrophysiker leiten daraus her, dass das Universum flach sei.

Im großen Maßstab ist das Universum isotrop und homogen

Das bedeutet in dem Fall einfach, dass das Universum sich seit dem Urknall eben gleichmäßig, isotrop und homogen, ausbreitet. Kosmologisch gesehen also flach. Neben dieser geographischen Perspektive muss man den Kosmos aber auch aus topologischer Sicht betrachten. Die Topologie beschäftigt sich mit den Eigenschaften mathematischer Strukturen, die unter stetigen Verformungen erhalten bleiben. Wenn man die Form eines Objekts durch Dehnen, Stauchen, Verbiegen, Verzerren oder Verdrillen in eine andere Form überführen kann, sind die beiden Objekte aus topologischer Sicht homöomorph. Nun gibt es Wissenschaftler, die davon ausgehen, dass das Universum in topologischer Sicht zwar flach sei, aber dennoch ein mehrdimensionaler Donut. Flaches Universum und mehrdimensionaler Donut könnten homöomorph sein.

Um zu überprüfen, ob der Kosmos ein Donut ist, kann man nachschauen, ob er sich an gewissen Stellen wiederholt. Würde man an einer bestimmten Position des Alls losrennen, käme man womöglich nach sehr langer Zeit an eben jener Stelle wieder an. Das wäre der Beweis, dass das Universum ein Donut ist. Leider würde es wohl ziemlich lange dauern, ein mal durch das gesamte Universum zu rennen – deswegen suchen Forscher lieber mit Teleskopen im Kosmos nach wiederkehrenden Elementen. Das ist allerdings angesichts der Ausmaße des Universums wie die Suche nach der Nadel im Heuhaufen. Praktischerweise kann man bis zu einem Punkt zurückschauen, als der Weltraum noch sehr klein war. Jeder Blick in den Himmel ist ein Blick in der Zeit zurück. Man sieht die Objekte so, wie sie aussahen, als sich das Licht von ihnen auf den Weg gemacht habt. Die Sonne sehen wir Erdenbewohner beispielsweise so, wie sie vor acht Minuten und zwanzig 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. Ungefähr 380.000 Jahre nach dem Urknall wurde das Universum durchsichtig – das bedeutet, dass plötzlich kosmische Mikrowellenstrahlung ausgesendet wurde. Bis zu diesem Moment können Astrophysiker zurückschauen und sehen dann eine gigantische uns überall umgebende Wand von eben dieser Mikrowellenstrahlung. Man nennt dies die kosmische Hintergrundstrahlung.

Die kosmische Hintergrundstrahlung entstand 380.000 Jahre nach dem Urknall

Da damals das Universum viel kleiner war als heute, ist es für Kosmologen sehr praktisch, 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. Genau das hat ein Forscherteam um Prof. Dr. Thomas Buchert von der Universität Lyon ausprobiert und kam zu überraschenden Ergebnissen. Sie haben die kosmische Hintergrundstrahlung, kurz auch CMB für Cosmic Microwave Background, auf Unregelmäßigkeiten im großen Maßstab untersucht und legte den Fokus hierbei auf die Temperatur. 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 verbindet.  Prof. Dr. 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.“

Prof. Dr. Thomas Buchert

Man kann sich das nur sehr schwer bildlich vorstellen, weil ein mehrdimensionaler Donut das menschliche Gehirn überfordert, aber letztlich geht es darum, 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 Buchert 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.”

Prof. Dr. Thomas Buchert

Wenn sich diese Untersuchungsergebnisse bestätigen würden, hieße das also, dass wir wirklich in einem endlichen Donut leben. Zwar ändert das nichts daran, dass das Universum immer weiter expandiert, aber es wäre dabei nicht unendlich sondern eine Art kosmischer Loop. Raum und Zeit treffen sich dann irgendwann wieder am Ausgangspunkt.

Ein mehrdimensionaler topologischer Donut

Würde das bedeuten, dass unser Kosmos vielleicht doch alles ist, was gibt und dass neben unserem kosmischen Donut nichts ist, weil er eben eine in sich abgeschlossene Endlosschleife ist? Die Antwort auf diese Frage werden wir wohl so schnell nicht erhalten.

Noch mehr Informationen zur Donut-Form des Universums erhaltet Ihr in diesem Video von Astro-Comics TV:

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