„Wir sind tatsächlich Sternenstaub“

„Stardust“ – so heißt der neue Schwerpunkt. Das klingt erst einmal erklärungsbedürftig. Burkert: Wir Menschen sind aus dem Universum hervorgegangen – in einem ganz natürlichen Prozess. Am Anfang, nach dem Urknall, gab es zunächst nur die Urbausteine Wasserstoff und Helium. Das Material, aus dem die Erde und auch wir bestehen, wurde in den Sternen sozusagen gebaut und, als diese massereichen Sterne am Ende explodierten, ins Universum hinausgeschleudert.

Fangen wir bei den Sternen an, die sich sozusagen verschleudern und das Material liefern, den Sternenstaub. Was passiert da? Ein Stern ist ein Gasball, der leuchtet. Das Gas erhitzt sich, es entsteht Strahlung und daraus das Leuchten. Der Stern muss leuchten, damit die Gravitationskraft nicht zu stark wird und der Stern nicht in sich zusammenfällt. Die Energiequelle ist die Fusion von Wasserstoff zu Helium. Aus dem Helium wiederum entstehen die schwereren Elemente, Kohlenstoff, Stickstoff und Sauerstoff vor allem. Das sind die späteren Bausteine des Lebens. Sie entstehen sozusagen notgedrungen, sonst könnte der Stern nicht stabil bleiben. Aber irgendwann ist das Brennmaterial aufgebraucht. Und interessanterweise fallen die Sterne dann nicht einfach in sich zusammen und bilden exotische Schwarze Löcher oder Neutronensterne, sondern sie explodieren und schleudern einen Großteil ihrer äußeren Hüllen hinaus ins All – und damit auch den Sternenstaub. Übrig bleibt nur der ausgebrannte Kern. Letzten Endes sind die Erde und auch wir also aus explodierenden Sternen entstanden. Wir sind tatsächlich Sternenstaub. Das bedeutet aber auch, dass jeder Stern irgendwann einmal ausgebrannt sein und verlöschen wird – auch unsere Sonne, die ja ebenfalls ein Stern ist.

Wie geht es weiter? Zwischen den Sternen gibt es eine große Menge an interstellarem Gas. Das Universum ist gefüllt mit diesem Wasserstoff-Helium-Gas und der Beimischung von Sternenstaub. Es ist sehr diffus verteilt. Denn das Universum ist nun einmal sehr groß. In Bereichen allerdings, in denen die Gravitationskraft dominiert, ballt sich das Gas so stark zusammen, dass es in sich zusammenfällt und zu hohen Dichten komprimiert wird. Man nennt diese Gebiete Molekülwolken. In ihnen entstehen neue Sterngenerationen. Um den Stern herum sammelt sich das Gas in einer sogenannten protoplanetaren Scheibe an. Und der Sternenstaub, der da auch mit eingefangen wird, der verbindet sich dann.

Welche Kräfte bewirken diese Verdichtung? Das interstellare Material fällt durch die eigene Schwerkraft in sich zusammen. Aber das Gas fällt nicht immer radial auf den Zentralstern zu sondern es kann auch eine Seitwärtsbewegung haben. Diese führt zu einem sogenannten Drehimpuls. Und dieser Drehimpuls bewirkt, dass sich eine Scheibe bildet. Das ist wie bei einer Pirouette auf Eis: Sie drehen sich im Kreis und wenn Sie die Arme anziehen, drehen Sie sich schneller. Je schneller Sie sich drehen, desto mehr spüren Sie eine Fliehkraft, die sie nach außen zieht. Irgendwann erreichen Sie die Kreisbahn, auf der Schwerkraft und Fliehkraft sich die Waage halten. Auf diesem Ring kreisen Sie dann um das Zentrum. Die Summe aller Ringe führt zur protoplanetaren Scheibe.

Ist die Zusammensetzung des Materials zufällig? Es ist eine faszinierende Entwicklung: In der Urphase des Universums gab es nur die Urbausteine Wasserstoff und Helium – und keinen Sternenstaub. Erst im Laufe der Jahrmilliarden hat sich immer mehr Sternenstaub als Abfallprodukt angesammelt im interstellaren Gas, herausgeschleudert von explodierenden Sternen. Und irgendwann einmal war dann die Konzentration in den protoplanetaren Scheiben hoch genug, dass sich auch Planeten bilden konnten. Doch wo sind die ersten Planeten entstanden? Und wo ist der Ursprung der Sonne? Die Sonne ist relativ weit, etwa 26.000 Lichtjahre, vom galaktischen Zentrum der Milchstraße entfernt, aber sie ist wahrscheinlich weiter drinnen entstanden, dort, wo vor 4,5 Milliarden Jahren die Konzentration an Sternenstaub größer war, und dann langsam nach außen gedriftet. Und eine weitere Frage, die uns umtreibt: Wo sind die Bedingungen dafür am besten, dass Planeten und unter Umständen auch Leben entstehen kann? Wie wahrscheinlich ist es überhaupt, dass auch an anderen Orten im Universum Leben entstehen konnte? Ist Leben unvermeidlich im Universum? Und welche Biomarker, etwa in Form von spektroskopischen Signaturen gibt es, die Indizien für Leben in den Atmosphären der Planeten liefern? Ozon ist ein Beispiel dafür. Das Ozonmolekül erzeugt ein charakteristisches spektroskopisches Signal, das man sehr gut messen kann. Wenn man also Ozon in irgendeiner Planeten-Atmosphäre findet, dann hat man schon einmal eine sehr gute Spur, dass da Leben entstanden sein könnte.

Gibt es andere Grundbedingungen, die sich für das Entstehen von Leben definieren lassen? Wir haben immer gedacht, Planetensysteme müssten so aufgebaut sein wie unseres. Die Natur belehrt uns eines Besseren. Es ist wesentlich vielfältiger und komplexer, als man es sich so vorstellt. Wovon man im Moment ausgeht: Für die Entstehung des Lebens braucht man einen Planeten mit flüssigem Wasser, er muss daher so weit von der Sonne entfernt sein, dass das Wasser nicht verdunstet, aber auch nahe genug, dass es nicht gefriert. Der Planet muss in der sogenannten habitablen Zone liegen. Man hat bereits Tausende von Sternen mit Planetensystemen angeschaut, und einige davon haben auch Planeten in der habitablen Zone. Diese haben auch einen wahrscheinlich gesteinsförmigen Körper, so wie die Erde, sind vielleicht etwas größer. Das wären die Kandidaten, auf denen man nach Leben suchen könnte. Unsere Milchstraße hat 100 Milliarden Sterne. Und allein im sichtbaren Bereich des Universums wiederum gibt es 100 Milliarden Milchstraßen. Wenn man sich das vor Augen hält, dann ist es doch sehr wahrscheinlich, dass irgendwo da draußen Leben ist, selbst wenn wir es bisher noch nicht gefunden haben.

Der biologischen Evolution ist ja eine chemische vorausgegangen. Bereits im interstellaren Gas finden sich etwa komplexere Kohlenstoffverbindungen, die über die protoplanetaren Scheibe auf die Erde gelangt sind. Wie man von solchen Stoffen zu den ersten lebenden Objekt kommt – diese Frage wollen wir in den kommenden Jahren in München weiter untersuchen. Es geht um chemische Bausteine, die in einem Nicht-Gleichgewichts-Kreislauf sich selbst zu reproduzieren beginnen. Wir wollen zeigen, dass es möglich ist, über einen solchen Kreislauf zu sich selbst replizierenden und vor allem informationserhaltenden Molekülen zu kommen. Das Leben hat es ja über 4,5 Milliarden Jahre geschafft, die Information zu speichern und nicht durch die enorme Zahl von Kopiervorgängen zu zerstören. Sonst würden wir ja laufend als Fehlervariante untergehen. Nein, sie bleibt erhalten, wird stets repariert und dank der Evolution sogar noch optimiert und verbessert. Und nach den für eine solche chemische Evolution geeigneten Orten sucht man jetzt in Bereichen, die sehr weit weg sind von einem Gleichgewicht, etwa hydrothermalen Feldern am Meeresboden, wo aus Schloten heißes Gas austritt. Dort, so sagen Biophysiker der LMU, könnten Prozesse ablaufen die zu den Vorläufern biologischen Lebens führen. Im Zuge eines großen Forschungsverbundes wollen wir in den kommenden Jahren auch ein kleines Labor aufbauen, in dem wir solche Prozesse nachstellen.

Die Verbindung also von All und Anthropos? Wenn Sie so wollen. Was wir eigentlich verstehen wollen, ist ein fundamentales Phänomen, das wir als Emergenz bezeichnen: Das Ganze ist mehr als die Summe seiner Teile. Sie haben unendlich viele Bausteine, die miteinander interagieren. Und aus dieser Interaktion entsteht ein übergeordneter Organismus, den man in den Bausteinen noch gar nicht erkennt. Nehmen Sie mich. Ich bestehe aus rund 100 Billionen Zellen, aber den Andreas Burkert, den erkennen Sie in der einzelnen Zelle nicht. Wie emergente Strukturen entstehen können – und warum das Universum das Potenzial hat, aus einer Summe von Bausteinen etwas völlig Neues, übergeordnetes zu bauen, das ist eigentlich die spannende Frage. Ebenso spannend ist, dass wir vielleicht knapp vor der Entdeckung außerirdischen Lebens stehen. Das wäre vielleicht eine ähnliche Situation wie die, in der Christoph Kolumbus steckte, bevor er den amerikanischen Kontinent entdeckte. Eines steht fest: Wenn wir eindeutige Spuren für fremdes Leben finden, dann sind wir Menschen nicht unbedingt mehr der Höhepunkt der Schöpfung. Dann gehören wir nur dazu. Ich denke, wir sind dann immer noch einzigartig, aber nicht die einzigen.

Prof. Dr. Andreas Burkert ist Inhaber des Lehrstuhls für Theoretical and Computational Astrophysics an der Universitätssternwarte (USM) der LMU.

11.12.2017, 18.30, Podiumsdiskussion mit Prof. Dr. Andreas Burkert und Prof. Dr. Harald Lesch, moderiert von Professor Dieter Braun: Urknall – Entstehung allen Seins?

Die Podiumsdiskussion wird am Montag ab 18.30 Uhr auf dem Twitter-Kanal des CAS als Livestream übertragen.