Es gibt nur wenige Dinge, die wir uns vorstellen können, die so unvorstellbar groß sind wie der Weltraum. Das Universum, das wir beobachten können, erstreckt sich bis in die tiefsten Tiefen des Weltraums, die wir überhaupt sehen können, und umfasst etwa 46 Milliarden Lichtjahre in alle Richtungen. Seit dem Urknall bis heute hat sich unser Universum ausgedehnt und gleichzeitig die Schwerkraft ausgeübt, wodurch Sterne und Galaxien entstanden sind, die sich über die Weiten des Weltraums verteilen. Insgesamt gibt es derzeit etwa 2 Billionen Galaxien.

Und doch, wenn wir in der Zeit zurückgehen, erfahren wir, dass unser Universum nicht nur viel kleiner war, sondern dass es in den frühesten Stadien überhaupt nicht beeindruckend groß war. Der Weltraum war vielleicht nicht immer groß, und nur die Tatsache, dass sich unser Universum so gründlich und unerbittlich ausgedehnt hat, lässt es uns heute so groß und leer erscheinen.

Wenn wir heute das Universum betrachten, können wir die enorme Größe nicht leugnen. Unsere Milchstraßengalaxie enthält etwa 400 Milliarden Sterne und hat einen Durchmesser von über 100.000 Lichtjahren. Die Entfernungen zwischen den Sternen sind enorm, wobei der unserer Sonne am nächsten liegende Stern (Proxima Centauri) etwa 4,24 Lichtjahre entfernt ist: mehr als 40 Billionen Kilometer.

Während einige Sterne in Gruppen zusammengefasst sind, entweder in Mehrsternsystemen oder in Sternhaufen verschiedener Art, sind die meisten wie unsere Sonne: einzelne Sterne, die relativ isoliert von allen anderen innerhalb einer Galaxie sind. Und wenn man über unsere eigene Galaxie hinausgeht, wird das Universum in der Tat viel karger, da nur ein kleiner Teil des Universums Galaxien enthält. Der größte Teil des Universums ist, soweit wir das beurteilen können, völlig frei von Sternen und Galaxien.

Unsere Lokale Gruppe zum Beispiel enthält eine weitere große Galaxie: Andromeda, die 2,5 Millionen Lichtjahre von uns entfernt ist. Es gibt auch eine Reihe deutlich kleinerer Galaxien, darunter die Triangulum-Galaxie (die drittgrößte Galaxie der Lokalen Gruppe), die Große Magellansche Wolke (Nr. 4) und etwa 60 weitere, sehr viel kleinere Galaxien, die sich alle in einem Umkreis von etwa 3 Millionen Lichtjahren von uns befinden.

Darüber hinaus finden sich im gesamten Universum Galaxien in Klumpen und Haufen, mit einem kosmischen Netz, das aus großen Galaxienhaufen besteht, die durch gepunktete Galaxienfäden verbunden sind. Das Universum ist so entstanden, weil es sich nicht nur ausdehnte und abkühlte, sondern auch durch die Gravitation. Die ursprünglich überdichten Regionen zogen bevorzugt Materie an und ließen die Strukturen entstehen, die wir sehen; die unterdichten Regionen gaben ihre Materie an die dichteren ab und wurden zu den großen kosmischen Leerräumen, die den größten Teil des Universums ausmachen.

Gesamt gesehen ist unser beobachtbares Universum heute wirklich riesig. Ausgehend von einem beliebigen Beobachter – uns selbst eingeschlossen – können wir Objekte erkennen, die in jeder Richtung bis zu 46,1 Milliarden Lichtjahre weit entfernt sind. Wenn man das alles zusammenzählt, entspricht das einem Volumen von 4,1 × 1032 kubischen Lichtjahren. Selbst bei zwei Billionen Galaxien im Universum bedeutet das, dass jede Galaxie im Durchschnitt etwa 2 × 1020 kubische Lichtjahre an Volumen für sich hat.

Wenn die Galaxien alle gleichmäßig im Universum verteilt wären, und das sind sie ganz sicher nicht, könnte man den Finger auf eine Galaxie legen und eine Kugel mit einem Radius von etwa 6 Millionen Lichtjahren um sie herum zeichnen, ohne eine andere Galaxie zu treffen. An unserem Standort im Universum ist die Dichte der Galaxien hundertmal höher als wir im Durchschnitt erwarten. Zwischen den Galaxiengruppen und -haufen im Universum liegt der größte Teil seines Volumens, und es ist größtenteils leerer Raum.

Der Grund, warum das Universum heute so groß ist, ist, dass es sich ausgedehnt und abgekühlt hat, um diesen Punkt zu erreichen. Selbst heute dehnt sich das Universum noch mit einer enormen Geschwindigkeit aus: etwa 70 km/s/Mpc. Am äußersten Rand des Universums, in 46,1 Milliarden Lichtjahren Entfernung, wächst das Universum, das wir beobachten können, mit jedem Jahr, das vergeht, um weitere 6,5 Lichtjahre.

Das bedeutet, dass wir, wenn wir die Zeit in die entgegengesetzte Richtung extrapolieren – also so weit wie möglich in die Vergangenheit zurückblicken – das Universum so vorfinden, wie es war, als es jünger, heißer und kleiner war. Heute erstreckt sich das Universum über 46 Milliarden Lichtjahre in alle Richtungen, aber das liegt daran, dass seit dem Urknall 13,8 Milliarden Jahre vergangen sind und unser Universum eine bestimmte Mischung aus dunkler Energie, Materie und Strahlung in verschiedenen Formen enthält.

Wenn wir uns in die Zeit zurückversetzen, als das Universum gerade einmal 3 Milliarden Jahre alt war (etwa 20 % seines heutigen Alters), würden wir feststellen, dass es nur einen Radius von etwa 9 Milliarden Lichtjahren hatte (nur 0,7 % seines heutigen Volumens).

Und wir haben auch kein Problem damit, zurückzublicken, um Galaxien und Galaxienhaufen zu sehen, als das Universum noch so jung war; unter anderem das Hubble-Weltraumteleskop hat uns viel weiter zurückgebracht als das. Zu dieser Zeit waren die Galaxien im Durchschnitt kleiner, blauer, masseärmer und weniger entwickelt, da das Universum noch nicht genug Zeit hatte, um die größten und massivsten Strukturen zu bilden.

Das Universum ist in diesem frühen Stadium insgesamt viel dichter als heute. Die Anzahl der Materieteilchen bleibt im Laufe der Zeit gleich, auch wenn sich das Universum ausdehnt, was bedeutet, dass das Universum im Alter von ~3 Milliarden Jahren etwa 150 Mal dichter ist als das Universum heute, im Alter von ~13,8 Milliarden Jahren. Statt der Masse von etwa 1 Proton pro Kubikmeter gibt es eher die Masse von 100 Protonen. Wir können jedoch zu viel früheren Zeiten zurückgehen und ein Universum vorfinden, das nicht nur kleiner und dichter ist, sondern sich auch dramatisch unterscheidet.

Wenn wir zurückgehen, als das Universum nur 100 Millionen Jahre alt war – weniger als 1 % seines heutigen Alters -, sehen die Dinge dramatisch anders aus. Die allerersten Sterne hatten erst vor kurzem begonnen, sich zu bilden, aber es gab noch keine Galaxien, nicht einmal eine einzige. Das Universum hat zu diesem Zeitpunkt etwa 3 % seiner heutigen Größe, d. h. es hat nur 0,003 % seines heutigen Volumens und das 40 000-fache seiner heutigen Dichte. Der kosmische Mikrowellenhintergrund ist derzeit heiß genug, um flüssigen Stickstoff zu kochen.

Aber wir können noch viel weiter in die Vergangenheit zurückgehen und ein noch kleineres Universum entdecken. Das Licht des kosmischen Mikrowellenhintergrunds, das wir sehen, wurde ausgesandt, als das Universum nur 380.000 Jahre alt war: als es mehr als eine Milliarde Mal dichter war als heute. Wenn du heute einen Kreis um unseren lokalen Superhaufen ziehen würdest, Laniakea, würde er ein viel größeres Volumen umfassen als das gesamte beobachtbare Universum in jenen frühen, heißen und dichten Phasen.

Das bedeutet, dass, wenn wir uns in eine Zeit zurückversetzen würden, in der das Universum etwa ein Jahrzehnt alt war, zehn Jahre nach dem Urknall, das gesamte beobachtbare Universum – das all die Materie enthält, aus der heute 2 Billionen Galaxien (und mehr) bestehen – nicht größer wäre als die Milchstraßengalaxie.

Das bedeutet, dass das gesamte beobachtbare Universum nur etwa 100 Lichtjahre im Durchmesser groß wäre, wenn wir uns in eine Zeit zurückversetzen würden, in der nur eine Sekunde seit dem Urknall vergangen war, als die letzte Antimaterie des frühen Universums (in Form von Positronen) vernichtet wurde.

Und das bedeutet, dass in der Frühphase des Universums, als seit dem Urknall vielleicht nur eine Pikosekunde (10-12 Sekunden) vergangen war, das gesamte beobachtbare Universum in eine Kugel passte, die nicht größer war als die Umlaufbahn der Erde um die Sonne. Das gesamte beobachtbare Universum war in der Frühphase des Urknalls kleiner als unser Sonnensystem.

Man könnte meinen, dass man das Universum bis zu einer Singularität zurückführen könnte: zu einem Punkt mit unendlicher Temperatur und Dichte, an dem sich all seine Masse und Energie in einer Singularität konzentriert. Aber wir wissen, dass dies keine genaue Beschreibung unseres Universums ist. Stattdessen muss dem Urknall eine Periode kosmischer Inflation vorausgegangen sein.

Aus den Beweisen im heutigen kosmischen Mikrowellenhintergrund können wir schließen, dass es eine maximale Temperatur gegeben haben muss, die das Universum während des heißen Urknalls erreichte: nicht mehr als etwa 5 × 1029 K. Obwohl diese Zahl enorm ist, ist sie nicht nur endlich, sondern liegt weit unter der Planck-Skala. Wenn man die Mathematik ausrechnet, ergibt sich ein Mindestdurchmesser für das Universum zu Beginn des heißen Urknalls: etwa 20 Zentimeter oder die Größe eines Fußballs.

Es stimmt, dass wir nicht wissen, wie groß der nicht beobachtbare Teil des Universums wirklich ist; er könnte unendlich sein. Es stimmt auch, dass wir nicht wissen, wie lange die Inflation gedauert hat oder was, wenn überhaupt, ihr vorausgegangen ist. Aber wir wissen, dass, als der heiße Urknall begann, all die Materie und Energie, die wir heute in unserem sichtbaren Universum sehen, all das Zeug, das sich über 46,1 Milliarden Lichtjahre in alle Richtungen erstreckt, in einem Volumen von etwa der Größe eines Fußballs konzentriert gewesen sein muss.

Zumindest für einen kurzen Zeitraum war die riesige Weite des Raums, die wir heute sehen, alles andere als groß. Die gesamte Materie, aus der ganze gewaltige Galaxien bestehen, hätte in einen Bereich des Weltraums gepasst, der kleiner ist als ein Radiergummi. Und doch haben 13,8 Milliarden Jahre Ausdehnung, Abkühlung und Gravitation zu dem riesigen Universum geführt, von dem wir heute nur einen winzigen Teil bewohnen. Der Weltraum mag das Größte sein, was wir kennen, aber die Größe des von uns beobachteten Universums ist eine Errungenschaft der jüngsten Zeit. Der Weltraum war nicht immer so groß, und die Beweise dafür sind im Universum für uns alle sichtbar geschrieben.