Menschen haben schon immer davon geträumt, durch den Weltraum zu reisen, fasziniert von unbekannten Welten und dem Wunsch, entfernte Galaxien zu erkunden. Das größte Hindernis für die Raumfahrt sind die riesigen Entfernungen. In diesem Artikel befassen wir uns mit den immensen Distanzen im Weltraum und der Zeit, die benötigt wird, um entfernte Sterne und Objekte mit Raumfahrzeugen unterschiedlicher Geschwindigkeiten zu erreichen. Um zu veranschaulichen, wie groß der Weltraum ist, haben wir berechnet, wie lange es dauern würde, einige Himmelsobjekte mit einem Auto und dem schnellsten Raumfahrzeug, das die Menschheit gebaut hat, zu erreichen. Wir haben auch berechnet, wie weit wir mit Lichtgeschwindigkeit reisen könnten. Obwohl die Lichtgeschwindigkeit nicht ausreicht, um weit ins All zu reisen, haben wir uns auf die Science-Fiction-Serie Star Trek bezogen, in der Raumfahrzeuge Geschwindigkeiten erreichen, die weit über Lichtgeschwindigkeit liegen, indem sie den fiktiven Warp-Antrieb nutzen.
Ein Auto, das konstant mit 130 km/h (80 mph) fährt
Stellen wir uns vor, wir könnten im Weltraum mit einem Auto reisen. In vielen Ländern der Welt beträgt die maximal erlaubte Geschwindigkeit auf Autobahnen 130 km/h oder 80 mph, daher haben wir diese Geschwindigkeit für unsere Berechnungen verwendet. Mit einem Auto könnte man schließlich den Mond erreichen, was etwa 123 Tage dauern würde. Nach Mars würde die Reise lange 48 Jahre in Anspruch nehmen, wenn er der Erde am nächsten ist, und bis zu 352 Jahre, wenn er sich in der größten Entfernung befindet. Die Raumsonde New Horizons benötigte 9,5 Jahre, um Pluto zu erreichen, einen Zwergplaneten am Rand des Sonnensystems. Mit einem Auto würde diese Reise mindestens 3.750 Jahre dauern. Proxima Centauri ist der nächste Stern zur Erde, der 4,24 Lichtjahre entfernt ist. Es würde 35 Millionen Jahre dauern, um diesen Stern mit einem Auto zu erreichen.
Pluto Bunte Komposition. Credits: NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Southwest Research Institute
Voyager 1 – Das schnellste von Menschenhand geschaffene Raumfahrzeug im Weltraum
Voyager 1, das bereits 1977 gestartet wurde, ist das schnellste Raumfahrzeug, das jemals von der Menschheit geschaffen wurde, und reist mit einer Geschwindigkeit von etwa 61.000 km/h (ca. 38.000 Meilen pro Stunde) durch den Weltraum. Allerdings ist Voyager 1 nicht das schnellste Raumfahrzeug, das je gebaut wurde. Die Parker Solar Probe erreicht Geschwindigkeiten von 700.000 km/h (ungefähr 430.000 Meilen pro Stunde), aber diese Geschwindigkeit wird nur erreicht, wenn sie der Sonne am nächsten kommt und die Schwerkraft der Sonne zur Beschleunigung nutzt. Voyager 1 hingegen reist durch den Weltraum und ist derzeit das am weitesten entfernte von Menschenhand geschaffene Objekt.
Voyager 1 betritt den interstellaren Raum, Künstlerische Darstellung. Credits: NASA/JPL-Caltech
Wie schnell ist also Voyager 1 und wie lange würde es dauern, große kosmische Distanzen zu überwinden? Voyager 1 könnte den Mond in etwa 6 Stunden mit seiner aktuellen Geschwindigkeit erreichen. Von der Erde zum Mars würde es akzeptable 37 Tage dauern, wenn der Mars der Erde am nächsten ist, und die Reise zum fernen Pluto würde acht Jahre in Anspruch nehmen. Um Proxima Centauri, den nächstgelegenen Stern zur Erde, zu erreichen, würde es erstaunliche 75.000 Jahre dauern. Aus diesen Berechnungen geht hervor, dass unsere aktuellen technologischen Fähigkeiten kaum ausreichen, um das Sonnensystem zu erkunden, und das auch nur ohne eine menschliche Besatzung. Vielleicht können wir in absehbarer Zukunft eine Crew zum Mars, dem der Erde nächstgelegenen Planeten, senden. Für den Moment ist unsere Technologie nicht fortschrittlich genug, um Sonden zu den nächstgelegenen Sternen zu schicken.
Reisen mit Lichtgeschwindigkeit
Die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum beträgt ungefähr 299.792 km/s (etwa 186.282 Meilen/s), was ungefähr 1,08 Milliarden km/h (etwa 671 Millionen Meilen pro Stunde) entspricht. Laut den Gesetzen der Physik, wie sie in Einsteins Relativitätstheorie beschrieben sind, ist dies die höchstmögliche Geschwindigkeit.
Ein Kessel aus Sternen im Galaxiezentrum. Quelle: NASA/JPL-Caltech
Nach der Relativitätstheorie ist es theoretisch unmöglich, dass Objekte mit Masse, wie Raumfahrzeuge oder Menschen, mit Lichtgeschwindigkeit reisen. Wenn die Geschwindigkeit eines Objekts steigt, wächst seine Masse effektiv, was immer mehr Energie erfordert, um weiter zu beschleunigen. Um ein massives Objekt auf Lichtgeschwindigkeit zu beschleunigen, wäre unendliche Energie erforderlich, was solche Reisen gemäß dem aktuellen wissenschaftlichen Verständnis unmöglich macht.
Lasst uns für einen Moment die Gesetze der Physik außer Acht lassen und annehmen, dass Reisen mit Lichtgeschwindigkeit möglich ist. Wenn die Menschheit über ein Raumfahrzeug verfügen würde, das mit Lichtgeschwindigkeit reisen kann, wie weit könnten wir dann im Weltraum reisen? Wäre das gesamte Universum dann innerhalb unserer Reichweite? Hier ist, was wir berechnet haben.
Mit Lichtgeschwindigkeit würde es nur 1,28 Sekunden dauern, um den Mond zu erreichen, 3 Minuten, um zum Mars zu gelangen, und 4 Stunden, um Pluto zu erreichen. Die Lichtgeschwindigkeit wäre ideal für schnelle Reisen innerhalb des Sonnensystems. Aber ist Lichtgeschwindigkeit ausreichend für interstellare Reisen? Proxima Centauri, der uns nächstgelegene Stern, ist 4,24 Lichtjahre entfernt. Das bedeutet, dass das Licht 4,24 Jahre benötigt, um Proxima Centauri zu erreichen, und die Rückreise würde die gleiche Zeit in Anspruch nehmen. Solche Reisen könnten mit menschlichen Besatzungen möglich sein, aber die Passagiere auf einem solchen Raumfahrzeug müssten einen erheblichen Teil ihres Lebens im Weltraum verbringen.
Es gibt ungefähr 50 Sterne innerhalb eines Radius von etwa 15 Lichtjahren von der Erde. Ein Raumfahrzeug, das mit Lichtgeschwindigkeit reisen kann, würde die Erkundung dieses Teils des Weltraums ermöglichen, höchstwahrscheinlich mit unbemannten Sonden. Wir können schließen, dass Lichtgeschwindigkeit ausreicht, um zu den nächstgelegenen Sternen zu reisen, aber Reisen zu den entlegenen Regionen unserer Milchstraße oder anderer Galaxien wären aufgrund der Zeit, die solche Reisen in Anspruch nehmen würden, unmöglich.
Zum Beispiel ist das nächste schwarze Loch, V616 Monocerotis, 3.300 Lichtjahre von der Erde entfernt, sodass wir genau so viele Jahre brauchen würden, um es mit Lichtgeschwindigkeit zu erreichen. Offensichtlich ist eine solche Reise nicht machbar oder sinnvoll.
Um das Zentrum unserer Galaxie zu erreichen, würden wir 26.000 Jahre benötigen, und eine Reise zur Andromeda, der nächstgelegenen Spiralgalaxie, würde unglaubliche 2,537 Millionen Jahre in Anspruch nehmen.
Schneller-als-Licht-Reisen
Im weltweit berühmten Science-Fiction-Franchise Star Trek reisen Raumschiffe mit Geschwindigkeiten, die weit über der Lichtgeschwindigkeit liegen. Dies wird durch den fiktiven Warp-Antrieb möglich gemacht. Der Warp-Antrieb in Star Trek ermöglicht es Raumschiffen, schneller als das Licht zu reisen, indem er eine "Blase" erzeugt, die die Raum-Zeit um das Schiff herum verformt. Auf diese Weise verstößt das Schiff nicht gegen das Gesetz, schneller als das Licht im Raum zu reisen, sondern bewegt die Raum-Zeit um sich herum. Obwohl dieser Antrieb fiktiv ist, haben Wissenschaftler ein theoretisches Modell eines Antriebs entwickelt, das auf einer ähnlichen Idee basiert.
Der Alcubierre-Antrieb ist ein theoretisches Konzept, das eine Methode für Reisen schneller als das Licht durch Verformung der Raum-Zeit vorschlägt. Laut dieser Idee würde ein Raumschiff nicht tatsächlich schneller als das Licht reisen, sondern eine "Blase" um sich herum erzeugen, die die Raum-Zeit vor dem Schiff kontrahiert und dahinter erweitert. Auf diese Weise würde das Schiff effektiv durch die Raum-Zeit reisen, während es relativ zum Raum innerhalb der Blase stationär bleibt. Damit dies funktioniert, schlägt die Theorie die Notwendigkeit von exotischer Materie mit negativer Energie vor, die Wissenschaftler bisher noch nicht gefunden oder geschaffen haben. Sie können mehr über den Alcubierre-Antrieb hier lesen.
Star Trek und Warp-Antrieb
Während Wissenschaftler die Hindernisse zum Bau eines Alcubierre-Antriebs noch nicht vollständig gelöst haben, kehren wir zu Star Trek und der Warp-Geschwindigkeit zurück. In Star Trek reisten Raumschiffe mit Warp-Antrieben. Mit dem Fortschritt der Technologie wurden die Warp-Geschwindigkeiten schneller. Warp 1 entspricht der Lichtgeschwindigkeit, Warp 2 ist zehnmal schneller als die Lichtgeschwindigkeit, Warp 3 ist 39-mal schneller und so weiter. Wir haben drei berühmte Raumschiffe aus Star Trek ausgewählt, für die Daten zu ihrer maximalen Geschwindigkeit verfügbar sind. Obwohl die Raumschiffe in der Serie nicht kontinuierlich mit maximaler Warp-Geschwindigkeit reisen konnten, verwenden wir für unsere Berechnungen die maximalen Geschwindigkeiten, die sie erreichen können.
Das Raumschiff von Captain Jonathan Archer aus Star Trek: Enterprise
Dieses Schiff trägt die Bezeichnung NX-01. Es ist das erste Schiff der Enterprise-Serie, das entscheidend für die Erforschung des Weltraums und den Grundstein für die zukünftige Föderation gelegt hat. Seine Höchstgeschwindigkeit beträgt Warp 5, was 214 Mal schneller ist als die Lichtgeschwindigkeit. Mit dieser Enterprise würde die Reise von der Erde nach Pluto nur eineinhalb Minuten dauern. Es würde sieben Tage dauern, um den nächsten Stern, Proxima Centauri, zu erreichen, und 15 Jahre, um das nächste schwarze Loch, V616, zu erreichen. Der Weg zum Zentrum unserer Galaxie würde unglaubliche 121 Jahre in Anspruch nehmen, und es würde erstaunliche 11.853.271 Jahre dauern, um nach Andromeda zu reisen.
Dieses Schiff würde in 30 Tagen etwa 17 Lichtjahre mit Höchstgeschwindigkeit zurücklegen. In einem Umkreis von 17 Lichtjahren von der Erde gibt es etwa 50–60 Sternensysteme mit etwa 100 Sternen.
Das Raumschiff von Captain Jean-Luc Picard aus Star Trek: The Next Generation
Das Raumschiff von Captain Jean-Luc Picard aus Star Trek: The Next Generation hieß USS Enterprise (NCC-1701-D). Es war das fünfte Schiff in der Reihe, das den Namen Enterprise trug, und ist eines der berühmtesten Schiffe im Star Trek-Franchise. Seine Höchstgeschwindigkeit beträgt Warp 9.6, was 1.909 Mal schneller ist als die Lichtgeschwindigkeit.
Picards Enterprise würde Proxima Centauri in nur 19 Stunden und 28 Minuten erreichen, und es würde etwa ein Jahr und neun Monate dauern, um das schwarze Loch V616 Monocerotis zu erreichen. Der Weg zum Zentrum unserer Galaxie würde 13 Jahre und sieben Monate in Anspruch nehmen, und die Reise nach Andromeda würde 1.328 Jahre dauern.
In 30 Tagen könnte dieses Schiff 156 Lichtjahre zurücklegen. In einem Umkreis von 156 Lichtjahren von der Erde gibt es etwa 40.000 bis 60.000 Sterne.
Das Raumschiff von Captain Kathryn Janeway aus Star Trek: Voyager
Das Raumschiff von Captain Kathryn Janeway aus Star Trek: Voyager heißt USS Voyager (NCC-74656). Es ist ein Schiff der Intrepid-Klasse, das für seine Mission im Delta-Quadranten bekannt ist. Seine Höchstgeschwindigkeit beträgt Warp 9.975, was 5.126 Mal schneller ist als die Lichtgeschwindigkeit. Voyager würde Proxima Centauri in nur 7 Stunden erreichen. Es würde sieben Monate dauern, um das schwarze Loch V616 zu erreichen, und fünf Jahre, um das Zentrum unserer Galaxie zu erreichen. Andromeda ist nach wie vor unerreichbar, und es würde diesem Raumschiff 495 Jahre dauern, um dorthin zu gelangen.
Bei Höchstgeschwindigkeit könnte dieses Raumschiff in 30 Tagen 421 Lichtjahre zurücklegen. In einem Umkreis von 421 Lichtjahren von der Erde gibt es etwa 1,25 Millionen Sterne.
Die Zukunft der Raumfahrt
Die Weite des Weltraums ist ein begrenzender Faktor für die Raumfahrt. Die Raumfahrzeuge, die wir derzeit bauen, können entfernte Teile des Sonnensystems und Objekte wie Pluto in 10 oder mehr Jahren erreichen. Interstellare Reisen sind derzeit nicht machbar, da es 150.000 Jahre dauern würde, bis unser schnellstes Raumfahrzeug den nächsten Stern erreicht und zurückkehrt. Für den Moment sind wir darauf beschränkt, innerhalb unseres Sonnensystems zu reisen. Für interstellare Reisen müsste unsere Technologie mindestens 20 % der Lichtgeschwindigkeit erreichen, damit eine Sonde den nächsten Stern in etwa 20 Jahren erreichen könnte. Es gibt Pläne, ein solches Raumfahrzeug zu bauen, das mit leistungsstarken Lasern von der Erde beschleunigt werden würde, aber wir müssten weitere vier Jahre warten, um die Daten zu erhalten, die eine solche Sonde sammeln würde.
Milchstraße und die benachbarte Andromeda-Galaxie. Quelle: NASA Goddard
Um die nächstgelegenen Sterne erfolgreich zu erkunden, bräuchten wir eine Geschwindigkeit nahe der Lichtgeschwindigkeit. Dies würde etwa 50 Sterne innerhalb von 15 Lichtjahren von der Erde für wissenschaftliche Forschung zugänglich machen, obwohl solche Reisen sehr lang wären und es mehrere Jahrzehnte dauern würde, um Daten von den Sonden zu erhalten. Der Weltraum ist so riesig, dass selbst Raumfahrzeuge, die mit Lichtgeschwindigkeit reisen können, uns nur erlauben würden, die nächstgelegenen Sterne zu erkunden.
Wenn die Lichtgeschwindigkeit unerreichbar ist und Reisen schneller als das Licht nicht machbar sind, ist die Wahrscheinlichkeit, jemals einer fortgeschrittenen extraterrestrischen Zivilisation zu begegnen, extrem gering. Das Universum mag ein Ganzes des Lebens sein, aber die immensen Entfernungen im Weltraum machen den Kontakt zwischen Zivilisationen nahezu unmöglich, zumindest in unserem Teil des Universums. Die Ausnahme könnten Sterne innerhalb von Sternhaufen sein, wie z.B. Kugelsternhaufen, wo Sterne bis zu 0,1 Lichtjahre voneinander entfernt sein können. Selbst eine so kleine Distanz ist jedoch unglaublich groß für eine Zivilisation wie unsere. Voyager 1 würde etwa 1.769 Jahre benötigen, um einen Stern zu erreichen, der 0,1 Lichtjahre entfernt ist.
Sind Reisen schneller als das Licht möglich?
Theoretisch ist das Reisen schneller als das Licht faszinierend, aber gemäß den aktuellen wissenschaftlichen Gesetzen, insbesondere Einsteins Relativitätstheorie, ist es unmöglich für Objekte mit Masse, schneller als das Licht zu reisen. Es gibt jedoch mehrere theoretische Ideen, die die Möglichkeit vorschlagen, diese Einschränkung zu "umgehen":
Alcubierre-Antrieb
Dieses Konzept, das 1994 vom Physiker Miguel Alcubierre vorgeschlagen wurde, basiert darauf, eine "Blase" um ein Raumfahrzeug zu schaffen, innerhalb derer die Raum-Zeit intakt bleibt. Die Blase würde den Raum vor dem Schiff zusammenziehen und ihn dahinter ausdehnen, was effektiv Reisen schneller als das Licht ermöglichen würde. Das Raumfahrzeug würde tatsächlich nicht schneller als das Licht durch den Raum bewegen, sondern der Raum um es herum wäre verzerrt. Das Problem ist, dass dies die Verwendung von exotischer Materie mit negativer Energie erfordern würde, die bisher nicht bewiesen oder entdeckt wurde.
Wurmlöcher
Wurmlöcher sind hypothetische Tunnel durch die Raum-Zeit, die entfernte Punkte im Universum verbinden könnten. Das Reisen durch ein Wurmloch könnte eine effektive "Abkürzung" durch den Raum ermöglichen, was bedeutet, dass ein Reisender nicht die gesamte Distanz zwischen zwei Punkten zurücklegen müsste.
Obwohl Wurmlöcher mathematisch innerhalb der allgemeinen Relativitätstheorie möglich sind, gibt es keine Beweise dafür, dass sie existieren oder lange genug stabil bleiben würden, um praktisch genutzt zu werden. Darüber hinaus könnte ihre Erhaltung exotische Materie erfordern.
Tachyonen
Nach der Theorie sind Tachyonen hypothetische Teilchen, die immer schneller als das Licht reisen. Ihre Existenz wurde jedoch nicht bewiesen. Wenn Tachyonen existieren würden, würden sie einige grundlegende Gesetze der Physik verletzen, wie z. B. die Kausalität, was zu Paradoxien führen könnte, wie z. B. dem Reisen in die Vergangenheit.
Warp-Antrieb
In Star Trek verwendet der Warp-Antrieb ein Konzept, das dem Alcubierre-Antrieb ähnelt, bei dem das Raumschiff nicht schneller als das Licht im traditionellen Sinne reist, sondern stattdessen die Raum-Zeit um sich herum krümmt. Obwohl fiktiv, hat diese Idee reale Physiker inspiriert, die Möglichkeiten der Krümmung der Raum-Zeit zu erforschen.
Quasikristallräume oder höhere Dimensionen
In einigen Theorien, wie der Stringtheorie, hat das Universum mehr Dimensionen, als wir wahrnehmen können. Das Reisen durch höhere Dimensionen könnte "Abkürzungen" im dreidimensionalen Raum ermöglichen. Diese Idee ist nach wie vor hochspekulativ, aber theoretisch faszinierend.
Obwohl diese Ideen interessant sind, befinden sich die meisten von ihnen noch im Bereich der Theorie und Science-Fiction. Derzeit haben wir nicht die Technologie oder die Materialien, die erforderlich sind, um Reisen schneller als das Licht zu realisieren, aber laufende Forschungen zu exotischer Materie, Raum-Zeit und Quantenphysik bieten weiterhin neue Möglichkeiten für die Zukunft.