Sag mir, wo die Sterne wirklich stehen!

Ist der uns vertraute Nachthimmel nichts anderes als eine optische Illusion? Ausgehend von dieser Frage entwickeln zwei Nichtkosmologen eine ungewöhnliche Theorie, die zur Diskussion einlädt

Haben die Sterne, die den Sternhimmel bevölkern, in Wirklichkeit überhaupt die Position eingenommen, die wir zu beobachten glauben? Was wäre, wenn alle Sterne am nächtlichen Sternhimmel in Wahrheit ganz woanders stünden, weil das von ihnen ausgesandte Licht während seiner Odyssee durchs All extrem stark gebeugt wurde? Verantwortlich für diesen ungewöhnlichen Theorie-Ansatz, über den das englische Wissenschaftsblatt New Scientist in seiner neuesten Ausgabe berichtet, ist ein Autorengespann, das aus einem Ingenieur und einem Mathematiker besteht. Beide Forscher glauben, dass rotierende Schwarze Löcher just jenen Effekt generieren, den Experten negative Refraktion nennen. Ein solcher könnte alle bisherigen Messungen verfälscht und etliche stellare Positionen verzerrt haben.

Ungewöhnliche Theorien verlangen ungewöhnliche Autoren. Der Elektroingenieur der amerikanischen Penn State University in Pennsylvania, Akhlesh Lakhtakia http://www.esm.psu.edu/~axl4/, und der Mathematiker Tom Mackay von der University of Edinburgh (Schottland) erfüllen diese Kriterien. Obwohl beide keine ausgewiesenen Astrophysiker und Kosmologen sind, rütteln sie schon seit geraumer Zeit mit einer bizarren These an einer der Säulen der Astronomie. Ihr Theoriemodell beruht auf einer einzigen Frage: Könnte es sein, dass unser Blick zu den Sternen ein Blick ins Leere ist, weil die Sterne sich in Wirklichkeit an einer ganz anderen Stelle befinden als bislang angenommen?

Wie das Fachmagazin New Scientist in seiner aktuellen Ausgabe berichtet, werfen beide Forscher den Kollegen von der Astronomie vor, einen wichtigen Aspekt der Optik schlichtweg vernachlässigt zu haben. Man habe zwar seit Jahrtausenden in mühevoller Kleinarbeit den uns bekannten Nachthimmel auf Sternkarten kartographiert und katalogisiert, so Lakhtakia und Mackay, dennoch habe man es bis dato nicht für nötig befunden, die Richtigkeit des vorliegenden Datenmaterials einmal einer systematischen Überprüfung zu unterziehen.

Photonen – nicht immer linear unterwegs

Bislang basieren nämlich alle Sternkarten, so das Autoren-Duo, auf der „falschen“ Annahme, dass die aus den Tiefen des Alls bei uns eintreffenden Photonen, sprich die Elementarteilchen des Lichts, immer den direktesten Weg zu uns einschlagen. Während ihrer langjährigen Odyssee durch den Kosmos seien diese zumindest räumlich gesehen ohne Umweg linear zu uns gelangt – sieht man einmal von den gravitativen Einwirkungen der im All spärlich verstreuten Materie (und evtl. auch Antimaterie) ab, die das Licht krümmt.

Aber vielleicht sind selbst die von Einstein theoretisch vorhergesagten und durch Beobachtungen bestätigten Postulate (in Bezug auf das Licht) schlichtweg falsch. Vielleicht gehen Photonen im All einen völlig eigenen Weg. „Das Universum ist annährend 13 Milliarden Jahre alt. In diesem Zeitraum könnten in Bezug auf die Flugbahn von Photonen eine Menge Dinge passiert sein“, vermutet Akhlesh Lakhtakia, der zusammen mit dem Mathematiker Tom Mackay jüngst in den Physical Review Letters A (336, S. 89-96, 2005) über diese Thematik publizierte. In ihrem Beitrag postulieren beide Forscher, dass einige der astronomischen Beobachtungen auf fehlerhaften Daten beruhen. Ja, mehr noch: Der von uns Menschen so geschätzte Sternhimmel könne glattweg eine optische Illusion sein, die aufgrund des Einwirkens von Gravitationsfeldern entstehe, die Schwarze Löcher hervorbringen.

Was ist negative Refraktion?

Die neue Theorie basiert auf Beobachtungen, die beide Forscher bereits vor drei Jahren machten, als sie das Phänomen der so genannten negativen Refraktion (Strahlenbrechung) untersuchten. Die Brechzahl respektive der Brechungsindex ist ein Begriff aus der Optik, der sich auf die Brechung des Lichts beim Übergang in ein transparentes Material bezieht. Streng genommen verstehen Physiker unter einer optischen Brechung die Richtungsänderung einer Welle durch veränderte Geschwindigkeit.

Wie stark das Licht gebrochen wird, hängt von der Größe des Einfallswinkels und von der Art des Materials ab. Während das Licht infolge der Gravitation massereicher kosmischer Objekte „nur“ gekrümmt wird, wird es im Wasser oder von einem Glas glattweg gebrochen. Das unterschiedliche Verhalten des Lichts hängt mit dessen unterschiedlicher Geschwindigkeit im Wasser und in der Luft zusammen. Natürlich ist auch der Eintrittswinkel des Lichts entscheidend: Trifft es mathematisch gesehen senkrecht auf Wasser, findet keine Richtungsänderung statt.

Eigentlich galt bislang die Faustregel, dass jedes Objekt aus Materie, auf das Licht trifft, das Licht verlangsamt, immer in eine bestimmte Richtung krümmt und so eine positive Refraktion bedingt. Als aber der russische Physiker Victor Veselago im Jahr 1967 behauptete, dass eine bestimmte Art von Material das Licht in eine andere Richtung krümmen müsse, war dies die Geburtsstunde des negativen Brechungsindex. Gäbe es ein solches Material, könnten Linsen produziert werden, die ein höheres Auflösungsvermögen haben.

Ausgehend von den Maxwell-Gleichungen, die das Verhalten von durch Materie fliegenden elektromagnetischen Wellen beschreibt, forderte Veselago seinerzeit die Existenz eines Materials, welches das Licht in umgekehrter Richtung krümmt. Was zunächst vorschnell als pure Fantasie abqualifiziert wurde, bewerkstelligte ein US-Physikerteam um Yong Zhang in Colorado (USA) im Oktober 2003. Es schaffte das vermeintlich Unmögliche und kreierte aus Yttrium, Vanadium und Sauerstoff eine Materialmischung, die bei Licht im Mikrowellenbereich negative Strahlenbrechung generierte. Das Licht, sprich die elektromagnetischen Wellen (bzw. Photonen), wurden von dem „linkshändigen“ Material vom Lot weg – also in die „falsche“ Richtung – gebrochen.

Kosmos als Testobjekt

Um genau diesen Effekt zu studieren, entschieden sich Lakhtakia und Mackay jedoch für einen anderen Weg. „Jeder versuchte immer kleinere Teile zu kreieren, wie etwa Nanostrukturen mit einer negativen Refraktion. Aber ich wusste, dass es auch auf größerer Längenskala gehen musste. So entschieden wir uns für einen anderen Weg.“ Da die Gesetze des Elektromagnetismus auf allen Größenskalen (abgesehen vom Quantenkosmos, in dem scheinbar alles anders ist) die gleiche Gültigkeit haben, dachte sich Lakhtakia, ob nicht der Kosmos selbst diesen Effekt produzieren könnte.

Gedacht – getan. Anstatt sich im Nanobereich zu bewegen, zogen beide Forscher das gesamte Universum als Testobjekt heran. Um ihr Gedankenmodell kosmologisch zu fundamentieren, berücksichtigten die beiden Nichtkosmologen in ihren Überlegungen die Effekte der Allgemeinen Relativitätstheorie und durchforsteten die Basisliteratur zur negativen Refraktion. Hierbei stießen sie auf einen russischen Physiker namens Igor V. Tamm, der 1958 für die Entdeckung der Cherenkov-Strahlung den Nobelpreis für Physik erhalten hatte.

In den späten 20er Jahren fand Tamm einen vereinfachten Weg, das Verhalten von elektromagnetischen Wellen zu beschreiben. Hierbei ging er der Frage nach, wie sich derlei Wellen durch die von Sternen und Galaxien bedingt verzerrte Raumzeit bewegen. Sein Ergebnis: Elektromagnetische Wellen würden sich in solchen kosmischen Regionen genauso verhalten wie im Normalraum.

Rotierende Schwarze Löcher als Übeltäter?

Mackay und Lakhtakia untersuchten hingegen die Bedingungen und Möglichkeiten im Kosmos, unter denen es zu einer negativen Refraktion kommen könnte. Zu diesem Zweck bedienten sie sich erneut der reichhaltigen Literatur über Kosmologie und Astrophysik. Im August des vergangenen Jahres waren sich beide Forscher sicher, den richtigen Ansatz gefunden zu haben. Unter der Anwendung der Gleichungen, mit denen die Umgebung eines rotierenden Schwarzen Loches definiert bzw. beschrieben wird, zeigte sich, dass besagte Formeln jenen ähneln, mit denen sich Materialien beschreiben lassen, die negative Refraktionen verursachen.

Den Zusammenhang mit einem Schwarzen Loch stellen die Autoren nun wie folgt her: Normalerweise verschluckt ein Schwarzes Loch infolge seiner gewaltigen Gravitation jedes Photon, das ihm zu nahe kommt. Es gibt aber Ausnahmen. Eine davon ist, dass in einer bestimmen Region außerhalb des Ereignishorizontshttp://www.shima.ch/space/ARTIKEL/2002_09/11NZZ.HTM, in der so genannten Ergosphere, Photonen der gewaltigen Sogkraft von rotierenden Schwarzen Löchern allerdings noch entwischen können.

So ganz ungeschoren kommen sie jedoch laut Mackay und Lakhtakia dennoch nicht davon, weil just in dieser Region die Raumzeit-Verzerrung eine negative Refraktion generiert. Mit anderen Worten: Licht bzw. Photonen, die etwa von einem entfernten Stern kommen und eine solche Region passieren bzw. die Ergosphere eines Schwarzen Loches streifen, werden „in die falsche Richtung“ gebrochen. Träfe dieses stellare Licht dann irgendwann einmal auf die Erde, wäre sein Informationsgehalt infolge seines „verdrehten“ Brechungsindex mit Vorsicht zu genießen. Denn der Stern würde am Firmament an einer völlig anderen Stelle erscheinen. Alles, was wir am Firmament sähen, befände sich in Wirklichkeit an einem anderen Punkt des Universums.

„Das Licht von entfernten Sternen passiert auf seiner Reise viele Regionen des Weltraums und wird dabei, bevor es unsere Teleskope erreicht, von vielen Gravitationsfeldern beeinflusst“, erklärt Tom Mackay. Theoretisch könne, so Mackay, infolge solcher Einwirkungen das von den Sternen ausgesandte Licht um 90 Grad gebrochen werden, so dass deren Abbild am nächtlichen Sternhimmel ganz woanders auftaucht.

Phänomen keineswegs selten

„Die Ergosphere eines Schwarzen Loches ist ein sehr seltsamer Ort, an dem jede Menge physikalische Phänomene ablaufen, die unserer Intuition zuwiderlaufen. Die Idee, dass einige elektromagnetische Wellen innerhalb der Ergosphere eines Schwarzes Loch ein Opfer der negativen Refraktion sein könnten, ist nicht ganz so verrückt“, urteilt der russische Kosmologe Serguei Komissarov von der Universität in Leeds (England) über die neue Theorie.

Auch wenn es, wie Mackay und Lakhtakia betonen, keinen direkten Beweis für eine negative Refraktion im Kosmos gäbe, bedeute dies nicht, dass sich ein solcher Vorgang im Universum nicht ereignen könne. Immerhin gebe es Millionen von Schwarzen Löchern, von denen die meisten sehr wahrscheinlich auch rotieren. „Ich würde einmal davon ausgehen, dass Schwarze Löcher nicht die einzigen Objekte sind, die ein solches Phänomen verursachen können“, vermutet Lakhtakia, der glaubt, dass eventuell auch massive Sterne eine negative Refraktion generieren könnten. „Wir halten aber primär Ausschau nach verdächtigen Schwarzen Löchern, und ich denke, dass wir dort denselben Effekt beobachten werden. Das Phänomen ist keineswegs selten.“

Jetzt käme es darauf an, die Augen offen zu halten und gezielt nach Hinweisen zu suchen, die einen negativen Brechungsindex von stellarem Licht belegen. Selbst alte Messdaten hinsichtlich Schwarzer Löcher oder anderer kompakter Gebilde bedürften einer neuen Interpretation.

„Wir sind weder Astronomen noch Astrophysiker“, räumt Mackay ein. „Gleichwohl haben auch diese beiden Forschergruppen noch nicht alles sehen und erklären können. Wir wissen, dass Menschen in Bezug auf das, was da draußen im All alles passierten kann, oft ignorant sind.“ Solange Astronomen die Richtigkeit der Einstein’schen Gleichungen nicht immer wieder aufs Neue überprüfen, könne man eben nicht sicher sein, was die Sterne einem mitteilen wollen.