Wir liegen unter dem funkelnden Sternenhimmel. Tausende kleine Lichtpunkte, wie fein gestochene Löcher im samtig-schwarzen Firmament. Das nebelig-weiße Band der Milchstraße zieht sich einmal quer über den Himmel von Horizont zu Horizont. Ihr diffuses Leuchten ist zwar schwach, aber irgendwie schafft sie es trotzdem, uns ein Gefühl ihrer gigantischen Ausmaße zu vermitteln, federleicht und bombastisch zugleich, fast ein wenig überwältigend in ihrer Allgegenwärtigkeit. So sieht man den Sternenhimmel selten. Und doch ist es genau der Himmel, den wir draußen in der echten Welt auch sehen sollten, bei vollkommener Dunkelheit und ohne störende Wolken. Wir liegen im Planetarium und betrachten eine realistische Echtzeit-Simulation des Universums. Da, wo noch vor Kurzem der Turnsaal war, befindet sich nun der Weltraum, und zwar genau so, wie er von unserer Position auf der Erde aus tatsächlich aussieht – hier und jetzt. Manchmal kommt es mir so vor, als wäre der künstliche Sternenhimmel echter als der echte. Ein Kind platzt heraus: »Woher wissen Sie, wie viele Sterne es gibt?« – »Sch! Das macht alles der Computer!«, zischt ein anderes.

Ja, wir wissen ziemlich genau, wie viele Sternlein stehen. Bei idealen Bedingungen sind es ca. 3000, die man gleichzeitig am Himmel sehen kann. Insgesamt, also in alle Richtungen um uns herum, sind es doppelt so viele – wir sehen ja zu jedem Zeitpunkt immer nur eine Hälfte des ganzen Himmels. Und das wissen wir nicht etwa deshalb, weil Gott der Herr sie gezählet hat, sondern weil Astronom:innen schon vor gut 2000 Jahren in der griechischen Antike und dann später, vor allem nach der Erfindung des Teleskops ab dem späten 17. Jahrhundert, den Himmel und die Position der Sterne genau vermessen und kartographiert haben. Diese insgesamt etwa 6000 Sterne sind jetzt aber nur die, die leicht als einzelne Sterne am Himmel zu erkennen sind. Das weiße, milchige Band unserer Galaxis, das besteht natürlich auch aus Sternen, nur sind diese Sterne schon so weit von uns entfernt, dass unsere Augen sie gar nicht mehr als einzelne Punkte auflösen können. Ihr Licht sehen wir gut, wir sehen nur nicht genau, woher es kommt. Und weil es so unglaublich viele dieser für unsere Augen unaufgelösten Sterne sind, kommt es zu dem milchigen Effekt.

Für jeden Menschen auf unserem Planeten gibt es in der Milchstraße ungefähr 40 Sterne. Das klingt jetzt nach gar nicht so viel, was zwei Dinge veranschaulicht: erstens, wie zahlreich die Erdbevölkerung mittlerweile geworden und zweitens, wie schlecht unser Gefühl für große Zahlen ist. 300 Milliarden Sterne ist eine unfassbar große Menge, vor allem, wenn man dabei berücksichtigt, dass ein Stern eine riesige Plasmakugel ist, in die durchschnittlich ungefähr eine Million Gesteinsplaneten wie unsere Erde hineinpassen würden. Manche Sterne haben auch ein paar hundert Mal den Durchmesser unseres durchschnittlichen Sterns, der Sonne, also das Volumen von einer Million Millionen Erden: den gleichen Durchmesser wie die Umlaufbahn des Jupiter. Was noch dazu kommt, ist, dass zwischen diesen einzelnen, unfassbar riesigen Plasmakugeln noch viel unfassbarere Weiten von praktisch leerem Raum liegen. Wäre die Sonne eine Orange und läge sie in der Wiener Innenstadt, dann befände sich der nächste Stern bei den großen Pyramiden von Gizeh, etwa 2500 km entfernt.

Alle Sterne die wir als einzelne kleine helle Punkte am Himmel sehen, befinden sich also in unserer Milchstraße, und zwar genauer gesagt in unserer näheren galaktischen Umgebung. Der nächtliche Sternenhimmel ist unsere kosmische Nachbarschaft, unser Viertel, unser Grätzl, unser Kiez. Eine grob kugelförmige Gegend mit ein paar tausend Lichtjahren Durchmesser, eingebettet in eine gigantische galaktische Sternenscheibe, die etwa 150 000 Lichtjahre groß ist. Ein 6000‑Sternen-Dorf inmitten einer 300 Milliarden starken galaktischen Stern-Union. Nur dass wir – glücklicherweise! – nicht in der Mitte der Galaxis sitzen, sondern ziemlich am Rand eines äußeren Spiralarms, wo wir etwa 26 000 Lichtjahre vom Zentrum der Milchstraße entfernt recht unbehelligt unsere Kreise ziehen. Wir sind also am inneren Rand des mittleren Drittels unserer Galaxis angesiedelt. Da die Sternenscheibe der Milchstraße auch eine gewisse Dicke hat (ca. 3000 Lichtjahre), sehen wir unsere Nachbarsterne überall um uns herum, also auch nach oben und unten (relativ zur Scheibe). Je weiter wir hinausschauen, desto mehr Sterne sehen wir entlang der Ebene der Milchstraße, und diese mehr und mehr Sterne verschwimmen dann zu dem diffus leuchtenden Band, das wir am Himmel sehen. Wir sehen die Sternenscheibe der Milchstraße edge‑on, also von der Seite her.

Und wie tief sehen wir in diese Scheibe hinein? Sind es eigentlich 300 Milliarden Sterne, die uns am Nachthimmel entgegenstrahlen? Nein, leider können wir nicht bis zur gegenüberliegenden Seite der Milchstraße durch die Sternenscheibe hindurchschauen, denn der leere Raum zwischen den Sternen ist eben doch nicht ganz leer. Durchschnittlich befindet sich im interstellaren Raum, also zwischen den Sternen, weit außerhalb des Sonnensystems, in jedem Kubikzentimeter Weltraum etwa 1 Atom (hauptsächlich Wasserstoff). Doch es gibt da draußen noch jede Menge viel dichtere Molekülwolken aus Gas und Staub, die sich genau in der Ebene der Sternenscheibe befinden. Diese Wolken bestehen hauptsächlich aus Wasserstoff (wie alle großen Dinge im Weltraum) aber auch aus dem, was in der Astronomie Staub genannt wird: meist einfache Moleküle, wie etwa CO₂, Graphit oder Silikate, aber auch komplexere Moleküle wie Fullerene (wie z. B. das fussballförmige Kohlenstoffmolekül C₆₀) oder organische Verbindungen wie etwa einfache Aminosäuren. Häufige Bestandteile der interstellaren Wolken sind ebenso Kohlenwasserstoffe wie zum Beispiel Ethanol (landläufig: Alkohol) und Ester. Erst kürzlich wurde in einer Wolke ein Ester mit dem klingenden Namen Ethylformiat entdeckt – ein Molekül, das wir auf der Erde gut kennen und beim Backen als Bestandteil von Rum- oder Himbeer-Aroma verwenden. Gemeinsam mit dem reichlich vorkommenden Wassereis gibt es in diesen Staubwolken also alle Zutaten, um sich einen erfrischenden Raspberry-Daiquiri zu mixen – nur trinken könnte man den bei den durchschnittlichen minus 250 Grad Celsius nicht. Auch wäre man bei der typischen Dichte dieser Wolken von ein paar hundert bis vielleicht ein paar zehntausend Atomen pro cm³ einige Zeit damit beschäftigt, genug Moleküle für einen kleinen Cocktail zusammenzukratzen. Das Wort Dichte ist hier überhaupt fehl am Platz – die Dichte dieser Wolken sollte eher »Dünne« genannt werden. Ein Kubikzentimeter Luft enthält etwa 10 hoch 19 Moleküle, das ist eine 1 mit 19 Nullen. Sogar im Ultrahochvakuum im Inneren der Röhre des Teilchenbeschleunigers LHC schwirren noch ca. 1 Million ungewollte Teilchen pro cm³ herum, also weitaus mehr als in einer typischen interstellaren Wolke.

Genau dort, in den dichteren Gebieten dieser Staubwolken (korrekterweise: Molekülwolken) entstehen übrigens die ganze Zeit neue Sterne – in der Milchstraße aktuell etwa ein Stern pro Jahr. Einige dieser Wolken kann man sogar am Nachthimmel sehen, mit freiem Auge zum Beispiel den Orionnebel und mithilfe eines kleinen Teleskops gleich daneben den Pferdekopfnebel, der tatsächlich aussieht, wie er heißt. Beide Nebel sind Teil einer riesigen Molekülwolke, die sich durch das ganze Sternbild des Orion zieht, hunderte von Lichtjahren groß und eines der aktivsten Sternentstehungsgebiete in unserem Teil der Milchstraße. Der Pferdekopfnebel veranschaulicht ziemlich gut das Problem, das wir mit diesen Staubwolken haben: Sie blockieren das Licht und uns somit die Sicht auf das, was dahinter liegt. Die Form des Pferdekopfes besteht aus einer dichten, kalten Staubwolke, deren Silhouette sich vor dem rötlichen Licht einer Wasserstoff-Gaswolke im Hintergrund abzeichnet. Die Hintergrundwolke leuchtet tatsächlich von selber – sie wird von nahen Sternen zum Leuchten angeregt. Das Licht der leuchtenden Gaswolke wird von der Staubwolke absorbiert. Genau das Gleiche passiert auch mit dem Licht der Sterne, das von der anderen Seite der Milchstraße zu uns kommt: Es wird von all dem dazwischenliegenden Staub in der Ebene der Sternenscheibe absorbiert. Der Staub konzentriert sich aufgrund seiner physikalischen Eigenschaften viel stärker in der flachen Ebene der Milchstraße als die Sterne selbst. Darum wird das helle Band der Milchstraßensterne von einem dunklen Band des Milchstraßenstaubs durchzogen. Oberhalb und unterhalb des dunklen Bandes sieht man etwas mehr Sternenlicht – weil: weniger Staub. Besonders gut sichtbar ist der Staub in Richtung Zentrum der Milchstraße, dort, wo das milchige Band etwas dicker und heller wird, weil dort natürlich auch die Sternendichte höher ist.

Auf der Nordhalbkugel blicken wir ja leider weg vom galaktischen Zentrum und sehen darum das Zentrum der Milchstraße nur in den kurzen Sommernächten, und da auch nur knapp über dem Horizont. Auf der Südhalbkugel steht das Zentrum der Milchstraße in ihrer ganzen Pracht hoch am Himmel. In Australien kann man im Licht der Milchstraße angeblich Zeitung lesen. Die staubigen Dunkelwolken sind vor dem helleren Sternenhintergrund so markant, dass die Aborigines eine mythologische Gestalt in diesen Dunkelwolken sahen, den Emu in the Sky. Das klingt zwar romantisch, allerdings wäre ohne den interstellaren Staub-Emu der Nachthimmel dort und natürlich auch bei uns noch wesentlich heller und spektakulärer. So aber bleibt unseren Augen das galaktische Zentrum und weite Teile der Milchstraße verborgen.

Die Milchstraße ist also eine flache, runde, sich drehende Scheibe aus Sternen, Gas und Staub. Man kann sich die Struktur unserer Galaxie ein bisschen wie ein Wagenrad vorstellen, aber eines, das sich vielleicht gerade in seine Einzelteile zerlegt. Das ganze Gebilde dreht sich zwar gemeinsam, aber es rotiert nicht starr. Das heißt, die Sterne haben unterschiedliche Geschwindigkeiten, je nachdem, wie weit sie vom Zentrum der Galaxie entfernt sind. Vom Zentrum aus steigt die Geschwindigkeit der Sterne auf ihrer Bahn ums Zentrum rasch an, bis sie etwa dort, wo die Spiralarme ansetzen, ihre höchste Geschwindigkeit erreichen. Die Rotationsgeschwindigkeit wird noch weiter außen zwar wieder ein wenig langsamer, bleibt aber auf einem konstant hohen Niveau. Da der Weg, den die Sterne hier zurücklegen müssen, aber immer länger wird, brauchen sie auch immer länger für eine Umrundung des Milchstraßenzentrums und werden von den näher am Zentrum liegenden Sternen überholt. Könnten wir die Milchstraße im Zeitraffer von oben betrachten, sähe sie aus wie eine Kaffeetasse, in der umgerührt wird, nur ohne Löffel. Dessen Funktion übernimmt die Gravitation. Die gesamte Masse der Galaxie und die Art und Weise, wie diese Masse verteilt ist, bestimmt die Geschwindigkeit der Sterne auf ihrer Bahn um das Galaktische Zentrum.

Die Sonne bewegt sich auf ihrer Bahn mit etwa 220 Kilometern pro Sekunde. Das sind etwa 800 000 km/h. Für eine ganze Runde um die Galaxis brauchen wir etwa 240 Millionen Jahre, d. h. während drei Viertel der letzten Runde wurde unser Planet von Dinosauriern dominiert. Wir bewegen uns dabei auch nicht nur im Kreis, sondern auch leicht auf und ab. Die Sonne bewegt sich in regelmäßigen Abständen von etwa 30 bis 40 Millionen Jahren durch die Sternenscheibe nach oben und dann wieder nach unten, sie oszilliert, surft auf ihrer wellenförmigen Bahn auf und ab wie ein Pferdchen in einem galaktischen Karussell. Die Sterne in unserer Nachbarschaft haben ihre eigene Bahn und dementsprechend auch ihre eigenen, leicht unterschiedlichen Geschwindigkeiten. Unser Sternendorf driftet im Laufe der Zeit langsam auseinander und wird von neuen, anderen Sternen besiedelt. Die Sonne hat sich in den 5 Milliarden Jahren ihres Lebens daher schon mit vielen verschiedenen Nachbarn auseinandersetzen müssen. Ihre Geschwister, also die Sterne, mit denen sie gemeinsam entstanden ist, sind schon lange in verschiedene Richtungen davongeflogen.

Woher wissen wir das alles? Das ist wahrscheinlich die häufigste Frage, die im Sternenzelt gestellt wird, und sicher eine der besten: Denn nicht nur die Fakten, sondern die Methoden dahinter sind das eigentlich Faszinierende. Fast alles, was wir vom Universum wissen, wissen wir ganz einfach, weil wir es sehen können. Das Licht, das in Sternen erzeugt wird, trägt die Information seines Ursprungs, also Position, Geschwindigkeit sowie Temperatur und Zusammensetzung des Sterns mit sich. Und noch viel mehr als das: Licht interagiert mit dem Material, das es auf seiner Reise durch den Raum durchquert. Auch diese Information über die Eigenschaften des interstellaren Materials steckt daher im Licht, das wir beobachten. Wir müssen es nur richtig detektieren und zerlegen, um an die Informationen ranzukommen.

Vieles im Universum sehen wir schon mit freiem Auge. Sogar das Licht der 2,5 Millionen Lichtjahre entfernten Sterne in der Andromedagalaxie ist ohne Hilfsmittel einfach so am Himmel zu beobachten (wenn man weiß, wo sie ist). So richtig schlau wird man aus dem Universum aber nur mithilfe von Teleskopen und entsprechenden Detektoren, Kameras, Photonenzählern, Spektrographen und so weiter. Was unser Wissen über die Milchstraße und ihre Sternbevölkerung betrifft, gibt es ein Teleskop, das durch die unglaubliche Menge an Informationen, die es gesammelt hat, heraussticht: das Gaia Weltraumteleskop. Bis Dezember 2020 hat Gaia unglaubliche 1,8 Milliarden Sterne 6‑dimensional vermessen, also ihre Position und Geschwindigkeit in jeweils 3 Raumrichtungen bestimmt. Aus diesen Daten lässt sich nicht nur die genaue räumliche Verteilung der Sterne, also die 3D-Gestalt der Milchstraße rekonstruieren, sondern teilweise auch ihre Entstehungsgeschichte entschlüsseln und in ihre Zukunft blicken. Wir können die Bahnen der Sterne über hunderttausende oder sogar Millionen Jahre zurückverfolgen und vorausberechnen. Das ist für ein Sternenleben nur eine kurze Zeitspanne, aber immerhin. Der endgültige, komplette Datensatz steht zwar noch aus und wird 2022 erwartet, aber aus den bisher verfügbaren Daten wissen wir mit Sicherheit, dass die Milchstraße nicht nur Spiralarme, sondern auch einen Balken hat. Ein Balken ist eine längliche, fast rechteckige Formation von Sternen, die das kugelförmige Zentrum einer Galaxie (den Bulge) mit ihrer flachen Scheibe verbindet. Die Spiralarme beginnen dann an den beiden Enden dieses kastenförmigen Balkens. Dieses Phänomen sehen wir zwar auch in vielen anderen Galaxien, aber dass die Milchstraße selbst einen Balken hat, war dann doch eine Überraschung. Genauso überraschend ist auch die neue, präzisere Abschätzung der Masse der Milchstraße, die durch Gaias genauere Entfernungs- und Geschwindigkeitsmessungen von Sternhaufen in den Randbereichen der Milchstraße möglich wurde: Die Galaxis ist vermutlich um 50 % schwerer, als wir bisher gedacht haben. Damit ist die Milchstraße nicht mehr Nummer 2 in unserer lokalen Galaxiengruppe, sondern ihrer nächsten großen Nachbargalaxie, der Andromedagalaxie, ebenbürtig.

Und auch die unsichtbaren Dinge im Universum können wir »sehen« – sofern es sich dabei um normale Materie handelt. Der ärgerliche Staub zum Beispiel, der Licht absorbiert und die Sterne dahinter unsichtbar macht, kann auch »sichtbar« gemacht werden. Das absorbierte Licht verschwindet nämlich nicht einfach, sondern wird entsprechend der Temperatur des Staubes als Wärmestrahlung wieder abgegeben. Alles, was eine Temperatur hat, gibt elektromagnetische Strahlung ab. Sichtbares Licht ist ja nur ein ganz kleiner Teil dieser elektromagnetischen Strahlung, und zwar der Bereich, in dem die Sonne ihrer Temperatur entsprechend am meisten Strahlung abgibt. Wenn man sich die Farben des Regenbogens übereinandergestapelt vorstellt, dann geht es über Violett und unter Rot in beide Richtungen weiter; heißere Dinge strahlen mehr im Ultravioletten und darüber hinaus im Röntgen- und Gammastrahlungsbereich, während kühlere Dinge, wie der interstellare Staub, im Infraroten sichtbar sind. Jeder Temperatur entspricht eine bestimmte Farbe: heiße Sterne strahlen eher bläulich, weniger heiße Sterne sind gelb und je weniger heiß sie sind, desto rötlicher leuchten sie. All die unterschiedlichen, unsichtbaren Farben können wir zwar nicht mit unseren angewachsenen Sensoren, dafür aber mit verschiedenen künstlichen Detektoren gut beobachten. Mit Infrarotteleskopen können wir die Eigenschaften des Staubes, aber auch die des Lichts, das die Staubwolken aufgewärmt hat, rekonstruieren und herausfinden, was sich dahinter verbirgt – wie zum Beispiel ein gigantisches Schwarzes Loch, wie es beim Zentrum der Milchstraße der Fall ist, und für dessen Nachweis im Herbst 2020 zwei Teams von Forscherinnen und Forschern den Physik-Nobelpreis erhalten haben.

Alles, was wir wissen, wissen wir mit einer gewissen Unsicherheit. Das ist keine Schwäche der Wissenschaft, sondern liegt in der Natur der Sache. Oft fragen mich Leute, Moment mal, sind es nun 200 oder 300 Milliarden Sterne? Ich habe kürzlich von den 100 Milliarden Sternen der Milchstraße gelesen. Und wer weiß, vielleicht sind es sogar 400 Milliarden. Die exakte Zahl bis auf den letzten Stern genau lässt sich nicht feststellen, nicht nur, weil es so viele und weil sie so weit weg sind. Die Frage selbst ist schon problematisch, und das Problem dabei ist: Wann ist jetzt? Das Licht der Sterne von der anderen Seite der Milchstraße braucht ja zigtausende von Jahren, bis es bei uns ist. Es werden zwar nur wenige, aber doch einige dieser Sterne in der Zwischenzeit explodiert sein (und nein, keiner der 6000 Sterne, die wir am Himmel sehen, ist schon explodiert, ganz einfach, weil Sterne so irrsinnig lange leben), und genauso sind sicher schon zigtausende neue Sterne in der Zwischenzeit dort entstanden. Eine Momentaufnahme der Galaxie »von oben« gibt es nicht, das Konzept der Gleichzeitigkeit ist eine Illusion. Die Anzahl der Sterne in der Milchstraße wird für uns immer nur eine Schätzung sein. Die Genauigkeit können – und werden – wir sicher noch verbessern, aber wir werden nie sagen können, dass es 314 159 265 358 Sterne sind. Und eigentlich ist das ja auch egal.