und Projekte in der Öffentlichkeit an. Doch diese Haltung ist nicht nur falsch, sondern kontraproduktiv. Vor allem Visionen und weit in die Zukunft gerichtete Realisierungsmöglichkeiten kommen gut an und können sogar begeistern, dafür liefert nicht zuletzt gerade auch die Entwicklungsgeschichte der Raumfahrt unzählige Beispiele und nicht zuletzt darin liegt ein Erfolgsgeheimnis der SF im allgemeinen (und z.B. von “Star Trek” im Speziellen). Wie vor allem Hans Barth mit seinem “Weltraumtechnik für die Umwelt” versucht auch dieses Buch, Facetten des zukünftigen Raumfahrtzeitalters auszuleuchten und den Sprung aus der irdischen Begrenztheit in kosmische Weiten und Zeiten als objektive Notwendigkeit erkennen zu helfen.
Die Zukunft des Universums ohne den Einfluss von Leben beziehungsweise Technologie
Das offene Universum
Unter den Annahmen, dass uns die relevanten physikalischen Gesetze bekannt und zeitlich invariant sind, verläuft die natürliche Entwicklung des offenen Universums wie folgt:
Innerhalb von 10^14 Jahren werden aus den gelben und roten, massearmen Hauptreihensternen durch Kontraktion und Abkühlung erst Weiße, dann Rote und letztlich Schwarze [Unter-]Zwerge. Sterne mit größerer Masse werden schneller zu Weißen [Unter-]Zwergen, Neutronensternen oder Schwarzen Löchern. Parallel dazu werden sich die Planeten in weniger als 10^15 Jahren von ihren Sternen abkoppeln, soweit sie stellare Katastrophen [zum Beispiel Supernovae] überstehen.
Innerhalb von 10^18 bis 10^19 Jahren werden sich 90 – 99% der Sterne durch gegenseitige Schwerkrafteinflüsse von den Galaxien abkoppeln, während ihre Zentralregionen in Schwarze Löcher kollabieren. Wie schnell der Kollaps vor sich geht, hängt von Aufbau und Zusammensetzung der Kernregion ab. Es ist mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit aber auch möglich, dass Planeten in ihre Sterne fallen, da ihr Bahnimpuls wegen der Abstrahlung von Gravitationswellen abnimmt, was allgemein für sich umkreisende Massen gilt. Sollte zum Beispiel die Erde immer noch an die Sonne gekoppelt sein, während diese der Galaxis entkommt, wird die Erde nach 10^20 Jahren mit ihr zusammenfallen. Die Sternenbahnen in einer Galaxie werden ebenfalls durch Gravitationsbremsstrahlung zerfallen. Jedoch sollte die stellare Abkopplung mit 10^19 Jahren dominieren, das heißt der Effekt der dynamischen Auflösung dominiert die Gravitationsbremsstrahlung; vergleichbares gilt für die zirkumstellaren Planetenbahnen.
Als nächstes markantes Ereignis zerfallen die Schwarzen Löcher durch den “Hawking-Prozess”, der für Schwarze Löcher mit (rein rechnerisch) 1 Sonnenmasse 10^64 Jahre und für galaktische Schwarze Löcher mit ca. 10^9 Sonnenmassen 10^100 Jahre dauert. Am Ende wird jedes Schwarze Loch für einen Moment sehr hell.
Das kalte expandierende Universum wird für sehr lange Zeit durch sporadische “Feuerwerke” erhellt werden. Planeten u. ä. werden bis auf 0K auskühlen und sich durch quantenmechanische Tunnelprozesse verflüssigen, die Atomanordnung wird variieren, indem sie Energiebarrieren durchtunnelt. In einem Zeitraum von 10^65 Jahren verhält sich jedes Felsstück wie eine Flüssigkeit und nimmt unter dem Einfluss der Gravitation Kugelform an. Aber auch am absoluten Nullpunkt laufen nukleare und chemische Prozesse ab, schwerere Elemente als Eisen werden durch Kernspaltung und Alphastrahlung zu Eisen zerfallen, leichtere Elemente werden zu Eisen fusionieren. Innerhalb von 10^1500 Jahren erzeugt gewöhnliche Materie nukleare Energie (zum Beispiel Kernspaltung, Kernfusion).
Nach 10^1500 Jahren liegt Materie fast nur in Form von leichten Eisensternen vor. Doch da Eisensterne nicht im niedrigsten Energiezustand vorliegen, werden sie in einen Neutronenstern-Zustand kollabieren, dazu müssen sie nur eine Potentialbarierre durchdringen. Schließlich wird dieser Prozess in (10^10)^76Jahren abgeschlossen sein. Der Kollaps eines Eisensterns in einen Neutronenstern wird einen gewaltigen Energieausbruch in Form von Neutrinos und – viel weniger – Röntgen- und VIS-Photonen erzeugen. Auch nach (10^10)^76Jahren wird das Universum stellenweise aufblitzen.
Die lange Lebensdauer von Eisensternen trifft aber nur dann zu, wenn sie nicht schon vorher zu Schwarzen Löchern werden; dazu ist die Untermasse der Schwarzen Löcher entscheidend. Wenn kleine Schwarze Löcher möglich sind, kann ein kleiner Teil eines Sterns von sich aus – spontan durch den Tunneleffekt – in ein Schwarzes Loch kollabieren. Ob und wie schnell sich Neutronensterne usw. in Schwarze Löcher verwandeln, hängt von ihrer minimalen Masse ab. Ist diese gleich Null , existieren Schwarze Löcher mit beliebig kleiner Masse, zum Beispiel Elektronen, die dann sehr schnell zerstrahlen. Entspricht die minimale Masse der Planck-Masse (2*10^-5 g), verliert jedes Schwarzes Loch solange Masse, bis es diese erreicht hat, um sich dann in einem Strahlenblitz aufzulösen. In diesem Fall liegt ihre Lebensdauer bei (10^10)^26 Jahren. Ist die minimale Masse gleich der “quantenmechanischen Masse” (3 *10^14 g), dann verdampft das Schwarze Loch nach (10^10)^52 Jahren. Die „quantenmechanische Masse“ ist die Masse des kleinsten Schwarzen Lochs, für das eine klassische, das heißt nichtquantenmechanische Beschreibung noch sinnvoll ist.
Entspricht die Massenuntergrenze 4*10^33 g (=2 Sonnenmassen), existieren Schwarze Löcher (10^10)^76 Jahre, bevor sie verdampfen. Sollte das Massenminimum bei 2 Sonnenmassen liegen, bleiben Massen von planetarer Größenordnung und weniger für immer bestehen. Wenn die kritische Masse 3 *10^14 g entspricht, werden Planeten nach (10^10)^52Jahren verschwinden, während Massen mit bis zu mehreren 10^8 t stabil bleiben. Bei 2*10^-5 g werden Objekte in der Größenordnung von Menschen nach (10^10)^26Jahren verschwinden, aber Körper, die kleiner als 100 Mikrometer im Durchmesser sind, werden ewig existieren. Am wahrscheinlichsten scheinen 2*10^-5 g zu sein, da die beiden größeren Grenzmassen nicht mit Hawkings Theorie der Strahlung Schwarzer Löcher übereinstimmen. Eine Massenuntergrenze gleich Null erscheint unplausibel, da Protonen sehr schnell zerfallen könnten, sofern sie instabil sind. Soweit wir uns die Zukunft vorstellen können, werden weiterhin Dinge geschehen, denn in der offenen Kosmologie hat die Geschichte kein Ende.
Falls Dunkle Materie aus schwach wechselwirkenden, massereichen Teilchen (WIMPS) besteht, können diese von Weißen Zwergen gravitativ eingefangen werden, sich in deren Kernen sammeln und dort konzentrieren. Teilchen und Antiteilchen der Dunklen Materie können sich dabei so nahe kommen, das sie sich durch schwache Wechselwirkungsprozesse gegenseitig annihilieren, wodurch sich deren Abkühlung verzögern würde und sie über lange Zeiträume die Temperatur von flüssigem Stickstoff bei 65 Kelvin halten. Dann könnte in ihrer Atmosphäre eine neue biologische Evolution stattfinden - möglicherweise mit der Entwicklung von Komplexität und Intelligenz.
Da die für eine solche Evolution zur Verfügung stehende Zeit extrem lang ist, wären trotz der niedrigen Temperaturen wesentlich mehr Evolutionsschritte möglich als in unserer Zivilisation; eine solche intelligente Art, die ihre Energie indirekt aus der Dunklen Materie bezieht, könnte sich unter Umständen wesentlich weiter als wir entwickeln, allerdings sind nach ungefähr 10^100 Jahren sämtliche Strukturen bis auf Strahlung und leichte Teilchen wie Neutrinos, Elektronen und Positronen aufgrund des Protonenzerfalls aus unserem Universum verschwunden, die dann statt Baryonen vielleicht Stoff für eine neue Intelligenz bilden? Falls die Expansion bis dahin exponentiell verläuft, ist die mittlere Dichte von 1 Proton pro Kubikmeter auf 1 Positron im 10^194-fachen Volumen des heutigen Universums gesunken und die Wellenlänge der Hintergrundstrahlung beträgt dann 10^41 Lichtjahre!
Das geschlossene Universum
Expansion und Kontraktion sind zeitsymmetrisch; das heißt, sie haben die gleiche Zeitdauer. Falls die Expansion oder Kontraktion des Weltalls für den Zeitpfeil verantwortlich ist, könnte sich die Vorwärtszeit in eine Rückwärtszeit umkehren; die Zeitrichtung macht sich nur in der makroskopischen Welt bemerkbar oder anders formuliert, ist der Zeitpfeil kein mikroskopischer Parameter. Ob sich der Zeitpfeil tatsächlich umdreht, hängt davon ab, wieviel Zeit zwischen Ur- und Endknall vergeht. Auf jeden Fall würden Uhrenzeiger nicht plötzlich anhalten und rückwärts gehen; man würde subjektiv nicht verkehrt herum leben, denn auch das bewusste Erleben würde sich umdrehen und niemand könnte die die veränderte Zeitrichtung bemerken. Selbst das Universum schiene weiter zu expandieren.
Würde es 1 Billion Jahre dauern, bis die Expansion aufhört, würden ebenfalls 1 Billion Jahre bis zum Endknall vergehen. In seiner Endphase durchläuft das Universum die umgekehrte Entwicklung