”Quintillion kilometers”, “billions of light years” – flicking through text books, how on earth are we meant to compute the size of the universe? Is it possible to visualise our cosmic home without getting befuddled by numbers ending with a ridiculous number of zeros?

We know today the universe is not only huge (the working assumption until fairly recently) but utterly gigantic. Where better to imagine it than my favourite earthly place to get perspective on the immensity of time and space: The former Tempelhof Airport in central Berlin. Yes, that same place where we strolled back to the beginning of time – where a thousand years squeezed into the breadth of a single hair.

So let’s make ourselves comfortable bang in the centre of the airfield, Berlin’s sprawling answer to Central Park. It’s a massive, nearly round, green area with a diameter of two kilometres – full of kite skaters and picnickers, with skylarks tweeting overhead in summer. Just the spot to put our human pains and pleasures into their grand context…

But business before pleasure: First, we need to undertake a mental feat, shrinking the whole universe to the size of the airfield – compressing it until it’s a giant ball with a radius of one kilometre. Sitting in the centre of the airfield, we can imagine ourselves right in the middle of this spherical miniature universe. It stretches in all directions to the edge of the field, and arches above our heads as if someone had covered the whole airport with a massive salad bowl.

Did it work out? Excellent – then let’s zoom in some more. How much of this mini-universe can we normally see with the naked eye? How far does our view of the night sky reach into the depth of the cosmos?

Well, it turns out our romantic sky gazing is short-sighted at best. In our airport universe, every single twinkling star we can see in the night sky is contained in a space with the size of a tiny grain of sand.

At this scale, our entire home galaxy, the Milky Way, would be the size of a lentil. Our island of suns is awash with hundreds of billions of stars. But the naked eye can only usually see around 1,000 of them, those which are relatively close to Earth. We can perceive the light from all the other stars in the Milky Way but only as a hazy strip across the night sky – they are simply too far away for us to percieve them individually.

Seen from “above”, the Milky Way would look like the following image. We’re still blurry on the detail – mainly because we’re stuck inside it and can’t  inspect it from the outside.

Galaxy image: Nick Risinger

If you get the rare joy of looking at the night sky from a truly dark spot – somewhere untainted by artificial light, maybe a remote campsite or mountain-side hut – then it’s quite easy to make out the bright centre of the Andromeda Galaxy as a small milky patch in the sky. This is what Andromeda would look like if its light was a little brighter (with the moon for size comparison):

(Composite photo by Tom Buckley-Houston; original pictures by Stephen Rahn and NASA/JPL-Caltech)

In our mini-universe, Andromeda is another lentil floating in space around five centimetres away from our Milky Way – more or less like this:

Milky Way on the right and Andromeda on the left (Or was it the other way round?) Anyway, the whole universe stretches all the way to the horizon.

We can’t see anything further away with our naked eye because our eyes are not sensitive enough. With the help of a small telescope, the nearest significant collection of galaxies can be seen. It’s called the Virgo Cluster, because it’s way behind the stars of the constellation Virgo. It contains galaxies of all shapes and sizes. In our mini-universe, it’s around one metre away from the Milky Way and looks more or less like this:

What could we see if our eyes were much more discerning? What’s to be found behind the really black spots on the firmament, the ones without any nearby stars or galaxies? Thankfully, we have a much more sensitive eye at our command. It’s much higher than any kite, with pupils dilated to more than two metres: The Hubble Space Telescope which is orbiting Earth. Undisturbed by the lights of civilisation, it has stared for days on end at one single pitch black area of the sky for us and registered the following image:

This is the view towards the edge of the universe. Every single speck of light in the image is a galaxy like our Milky Way – each one an island of billions of suns.

The photo shows a minuscule slice of the heavens – the area covered is equal to the size of a tennis ball seen from 100 meters away. To scan the whole sky in this fashion, we would need to take 30 million pictures, all of which would look pretty much like the image above – regardless in which direction the camera swivels.

In our mini-universe on Tempelhof Airport, many of those galaxies are also lentil-sized; others resemble grains of sand, rice or corn. Their distance to us varies greatly: The ones which appear largest and brightest, with clearly defined forms, are in the foreground of the picture. They are around 70 metres away from us. All others are much further away.

The above image, which made astronomy history when it was beamed back to earth, is called Hubble Ultra Deep Field. A major scientific talking point are the reddish dots which are barely visible. Those are up to 950 metres away, meaning their distance to the edge of our under-the-salad-bowl universe is a mere 50 metres.

But the Hubble image does not only take us to the edge of the cosmos, but also deep into its past. This is because the light year, a yardstick for cosmic distance, also, as it’s name suggests, contains time itself: It’s the distance light travels within a year.

There is nothing faster than light, but within the cosmic context, it moves incredibly slowly. It takes a beam of light 100,000 years only to cross our little Milky Way lentil. The light we see from the Andromeda Galaxy set off for its long journey 2.5 million years ago – back when our distant ancestors down here on Earth, living in Africa, discovered that stones can be used as tools.

The light from the reddish points in the image took even more than 13 billion years to reach us – the photo has captured them as they looked like more than 13 billion years ago – not even a billion years after the beginning of time itself.

No matter in which direction we gaze into the depths of space, we invariably peer backwards along a timeline stretching from the present into the past, to the Big Bang.

The same is true for anyone looking from out there towards our Milky Way. If hypothetical aliens in one of those distant galaxies spotted the Earth through their gigantic alien telescope, they might, in this very moment, observe “live” the first multi-cellular beings on Earth, or even the formation of our humble but beautiful home planet – all depending how far away they live.

I guess now is the time to come clean and admit that the universe doesn’t really end at the edge of the airfield. It stretches on further, and we haven’t got the slightest clue how much further. But light from beyond the airfield simply didn’t have enough time since the Big Bang to reach us. This is why there is absolutely no way we can see what’s beyond and also why strictly speaking, we only find the “observable universe” within our airport sphere.

Those were the days: When everything still revolved around us

Why do we find ourselves exactly at the centre of this observable universe? Our situation resembles a ship at high sea: From our vantage point at the top of the mast, the distance to the horizon is the same in all directions. The ship is always at the centre of its “observable sea” – but of course that doesn’t mean it’s at the centre of the ocean.

We had to kiss goodbye to the beloved idea that we are at the centre of anything a long time ago. But it took time for us to drop our self-centred thinking. Renaissance mathematician Nicolaus Copernicus realised that Earth wasn’t the centre of the Universe around 500 years ago. Then it took until about 250 years ago for it to dawn on people that the sun doesn’t hold this privileged position either. Up to a century ago, people still believed that the Milky Way (our humble lentil) was the extent of the cosmos.

Copernicus degraded the earth to a satellite of the Sun. But that was not the end of the story.

Over the last decade, we also realised the planetary system surrounding our sun, where our Earth dwells, is anything but special. Instead, it now seems likely that the majority of all stars also have planets. And who knows what is still to come: At present, physicists and astronomers are hotly debating the question whether, perhaps, there might even be many universes out there…

The writer Novalis couldn’t have known how correct he was when he wrote in the 18th century “We dream of journeys through the universe – but isn’t the universe within us?

The sheer thought of a, perhaps endless, sequence of universes beyond our Tempelhof airport thought adventure, is mind-boggling, or scary, or both. If you too are in shock and awe at the vastness of it all, it’s worth taking on board the words of astronomer Neil deGrasse Tyson: “When I look up at the night sky, and I know that, yes, we are part of this universe, we are in this universe, but perhaps more important than both of those facts is that the universe is in us. When I reflect on that fact, I look up – many people feel small, because they’re small and the universe is big. But I feel big because my atoms came from those stars.”

Moreover, we couldn’t ponder any of these questions if the universe were much smaller and its history much shorter. Because in that case, we simply wouldn’t exist – there would not have been enough time for our evolution. We can even phrase it this way: The universe must be gigantic in space and time because we are so complex. An immense cosmos is the prerequisite for us to be able to marvel at it right now.

And even if we are tiny and our life ephemeral: The mere fact that we can rack our brains about the universe and our place within it might well rank among its outstanding miracles.

Unser Sternenhimmel in einem Sandkorn

 ”Trillionen Kilometer”, “Milliarden Lichtjahre” – Wie um Himmels Willen soll man sich mit solchen Zahlen die Größe des Universums vorstellen? Kann man sich auch ein Bild von unserem kosmischen Zuhause verschaffen, ohne dabei über ganze Kolonnen von Nullen zu stolpern?

Wir wissen heute, dass das Universum nicht nur immens ist (wie bis vor einigen Jahrzehnten angenommen), sondern gigantisch. Aber das heißt noch lange nicht, dass es deshalb auch unvorstellbar ist. Mein Lieblingsort, um riesige Zeiträume und Entfernungen verständlich zu machen, ist der ehemalige Flughafen Tempelhof mitten in Berlin. Das weite Feld hat sich ja schon bei unserem Spaziergang zum Anfang der Zeit als nützlich erwiesen,  als tausend Jahre in eine Haaresbreite passten.

Machen wir es uns also in der Mitte des Flugfeldes bequem. Ihr werdet sehen: Unsere Alltagssorgen spielen sich in einer grandiosen Arena ab…

Aber erst die Arbeit, dann das Vergnügen…zunächst einmal müssen wir das gesamte Universum gedanklich auf die Ausmaße des Flughafens zusammenschrumpfen – eine Kugel mit einem Radius von einem Kilometer. Im Zentrum des Flugfeldes befinden wir uns jetzt auch genau im Mittelpunkt dieses kugelförmigen Miniatur-Weltraums. Dieser erstreckt sich bis zum Rand des Feldes und wölbt sich über unsere Köpfe, als hätte jemand eine immense Salatschüssel über den Flughafen gestülpt.

“Langsam kommen lassen!”

Hat’s geklappt? Sehr schön – dann lasst uns mal sehen, was wir jetzt vor uns haben. Was können wir normalerweise mit bloßem Auge von unserem neuen Mini-Universum sehen? Wie weit reicht unsere Aussicht in den nächtlichen Sternenhimmel?

Unser Blick in die “Weiten des Alls” ist bestenfalls als kurzsichtig zu beschreiben: Wäre das Universum so groß wie das Tempelhofer Feld, befänden sich alle Sterne, die am vertrauten Nachthimmel funkeln, in einem Raum von der Größe eines Sandkorns.

In diesem Maßstab hätte unsere Milchstraße etwa die Größe einer Linse. Von ihren Hunderten von Milliarden Sternen können wir in einer sternklaren Nacht mit dem bloßen Auge nur rund 1000 in direkter Nachbarschaft der Erde sehen. Das Licht der übrigen Sterne unserer Heimatgalaxie können wir nur als streifenförmigen Lichtschleier erkennen –  sie sind zu weit entfernt, als dass wir sie einzeln wahrnehmen können.

Ungefähr so wie auf dem folgenden Bild dürfte die Milchstraße “von oben” gesehen aussehen. So genau wissen wir das nicht, weil wir ja mitten drin stecken und deshalb nicht von außen drauf gucken können! In dem roten Kreis befindet sich die Erde und der gesamte Anblick unseres Nachthimmels.

Galaxy image: Nick Risinger

Befinden wir uns nachts an einem wirklich stockdunklen Ort fernab von künstlicher Beleuchtung (zum Beispiel beim Zelten), dann können wir mit bloßem Auge auch noch das helle Zentrum unserer Nachbargalaxie Andromeda als milchigen Fleck am Firmament erkennen. So würde Andromeda am Himmel aussehen, wenn sie nur etwas heller erstrahlen würde – mit Mond zum Größenvergleich:

(Composite photo by Tom Buckley-Houston; original pictures by Stephen Rahn and NASA/JPL-Caltech)

In unserem Mini-Universum ist Andromeda eine weitere Linse, die fünf Zentimeter von der Milchstraße entfernt im Raum schwebt – etwa so:

Rechts die Milchstraße, links Andromeda – Oder war es jetzt andersrum? Das Universum reicht jedenfalls bis zum Horizont.

In noch größerer Entfernung können wir mit bloßem Auge nichts sehen, weil das Licht von weiter weg einfach zu schwach ist. Milchstraße und Andromeda befinden sich abgesehen von einigen deutlich kleineren Galaxien allein auf weiter Flur. Die nächste bedeutende Ansammlung von Galaxien verschiedenster Formen ist der sogenannte Virgo-Haufen. Er ist mit einem recht einfachen Teleskop zu erspähen. In unserem Mini-Universum ist er rund einen Meter entfernt und sieht ungefähr so aus:

Was könnten wir am Abendhimmel sehen, wenn unsere Augen noch viel besser wären? Was liegt hinter den wirklich dunklen Flecken am Firmament, wo keine nahen Sterne oder Galaxien den Ausblick versperren? Zum Glück verfügen wir über ein viel lichtempfindlicheres Auge mit einer Pupille von mehr als zwei Metern Durchmesser: Das um die Erde kreisende Hubble Space Teleskop. Dieses hat für uns ungestört von irdischem Licht tagelang auf eine wirklich pechschwarze Stelle im All gestarrt und dabei folgenden Anblick registriert:

Dies ist die Aussicht zum Rand des Universums am Ende des Flugfeldes. Jeder einzelne Lichtfleck ist eine Galaxie ähnlich unserer Milchstraße – eine Sterneninsel aus Milliarden von Sonnen.

Das Bild zeigt einen Teil des Nachthimmels, der in Wirklichkeit etwa so groß ist wie ein Tennisball aus 100 Metern Entfernung. Der Ausschnitt ist so winzig, dass 30 Millionen solcher Fotos nötig wären, um den gesamten Himmel abzulichten. Jedes einzelne dieser Bilder würde einen ähnlichen Anblick bieten — ganz egal, in welche Richtung wir im Weltall schauen.

In unserem Mini-Universum sind viele dieser Galaxien ebenfalls so groß wie Linsen, andere ähneln eher Mais-, Reis- oder Sandkörnern. Ihre Entfernungen von uns sind sehr unterschiedlich: Die größten und hellsten mit deutlichen Formen befinden sich eher im Vordergrund des Bildes. Sie sind rund 70 Meter von uns entfernt; die übrigen sind deutlich weiter weg. Eine besondere Attraktion des Bildes, das unter dem Namen Hubble Ultra Deep Field Astronomie-Geschichte geschrieben hat, sind die eher lichtschwachen rötlichen Punkte: Sie sind bis zu 950 Meter weit weg und damit nur noch etwa 50 Meter vom Rand unseres Mini-Universums auf dem Flugfeld entfernt.

Aber der Anblick auf dem Foto reicht nicht nur bis zum Rand des Kosmos, sondern auch tief in seine Vergangenheit. Das “Lichtjahr” ist zwar eine Einheit für astronomische Entfernungen. Aber es beinhaltet auch eine Zeitangabe — es ist die Strecke, die Licht in einem Jahr zurücklegt.

Es gibt zwar nichts schnelleres als das Licht – aber in unserem Mini-Universum bewegt es sich unfassbar langsam. Allein um unsere kleine Milchstraßen-Linse zu durchqueren, benötigt es 100.000 Jahre. Um von der Andromeda-Galaxie bis zu uns zu gelangen, sind 2,5 Millionen Jahre erforderlich. Das Licht, dass wir heute von Andromeda sehen, machte sich auf seine lange Reise, als unsere entfernten Vorfahren in Afrika zum ersten mal Steine als Werkzeuge nutzten.

Das Licht der rötlichen Punkte auf dem Bild hat sogar gut 13 Milliarden Jahre zu uns gebraucht. Wir sehen diese Galaxien deshalb so, wie sie vor mehr als 13 Milliarden Jahren aussahen — wenige hundert Millionen Jahre nach der Geburt des Kosmos. Egal wohin wir im Universum blicken: Wir schauen dabei unausweichlich  einen Zeitstrahl entlang, der sich in jeder Blickrichtung von der Gegenwart in die Vergangenheit bis zum Urknall erstreckt.

Gleiches gilt natürlich auch für die entgegengesetzte Blickrichtung: Falls in einer dieser Galaxien in dieser Sekunde Wesen mit einem Super-Teleskop auf die Erde blicken, so könnten sie dort “live” die ersten Mehrzeller beobachten, oder sogar die Entstehung unseres Heimatplaneten – abhängig von ihrer Entfernung.

Jetzt muss ich wohl auch endlich einräumen, dass das Universum hinter dem Ende des Flugfeldes noch viel weiter geht und wir keinen blassen Schimmer haben, wie weit. Das Licht hatte seit dem Urknall schlicht noch nicht genug Zeit, um von dort bis zu uns zu gelangen. Deshalb befindet sich auf dem Flugfeld streng genommen nur das “beobachtbare Universum” – was dahinter liegt, bleibt für uns unsichtbar.

Das waren noch Zeiten, als sich alles um uns drehte

Das wir uns genau im Mittelpunkt unseres Mini-Universums befinden, bedeutet deshalb auch nicht, dass wir uns im Mittelpunkt des Kosmos befinden — geschweige denn, dass es einen solchen überhaupt gibt.

Man kann unsere Situation mit einem Segelschiff auf hoher See vergleichen: Vom Ausguck auf dem Mast aus gesehen ist der Horizont in alle Richtungen gleich weit entfernt. Man befindet sich dort immer im Mittelpunkt des “beobachtbaren Meeres” – kann aber deshalb noch lange nicht behaupten, sich auch am Mittelpunkt des Ozeans aufzuhalten.

Von der Idee, der Mittelpunkt von irgendetwas zu sein, mussten wir uns schon vor langer Zeit verabschieden. Dass die Erde nicht der Mittelpunkt des Universums ist, verstand Kopernikus vor rund 500 Jahren. Dass die Sonne diese privilegierte Position ebenfalls nicht inne hat, dämmerte Immanuel Kant und anderen vor rund 250 Jahren. Dass es im Universum noch mehr gibt als unsere Milchstraße, ging Wissenschaftlern erst vor knapp hundert Jahren auf.

Kopernikus degradierte die Erde zu einem Trabanten der Sonne. Das sollte aber noch lange nicht das Ende vom Lied sein.

Erst in den letzten zehn Jahren haben wir zudem herausgefunden, dass das Planetensystem um unsere Sonne – inklusive Erde – alles andere als eine Besonderheit ist. Stattdessen ist wohl die Mehrzahl aller Sterne ebenfalls von Planeten umgeben. Und wer weiß, was noch auf uns wartet: Derzeit reden sich Physiker und Astronomen die Köpfe über die Frage heiß, ob es vielleicht unendlich viele Universen geben muss…

Der Schriftsteller Novalis konnte im 18. Jahrhundert noch gar nicht wissen, wie recht er hatte.

Ist der Gedanke an die gewaltigen Ausmaße von Raum und Zeit etwas deprimierend? Der Astronom Neil deGrasse Tyson sagte dazu einmal: “Wenn ich in den Nachthimmel schaue, dann weiß ich, dass wir Teil dieses Universums sind und dass wir uns in diesem Universum befinden. Aber vielleicht noch wichtiger als diese Tatsachen ist, dass das Universum in uns ist. Viele Menschen fühlen sich bei diesem Anblick sehr klein, weil wir klein sind und das Universum so riesig. Aber ich fühle mich sehr groß, weil meine Atome aus diesen Sternen kamen.”

Außerdem gilt: Wir könnten uns über all diese Fragen gar keine Gedanken machen, wenn das Universum viel kleiner und seine Geschichte viel kürzer wäre. In diesem Fall würden wir gar nicht existieren, weil die Zeit für unsere Evolution nicht ausgereicht hätte. Man kann es sogar so formulieren: Das Weltall muss gigantisch groß und uralt sein, weil wir heute so komplex sind. Ein gewaltiger Kosmos ist nötig, damit wir ihn in dieser Sekunde bestaunen können.

Und mögen wir noch so winzig und kurzlebig sein: Die Tatsache, dass wir uns über das Universum und unsere Existenz darin den Kopf zerbrechen können, zählt möglicherweise zu seinen größten Wundern.