Ausgabe: 4/2010, Seite 42 - Erde & Weltall

WELTALL IN DER SCHOCKSTARRE
Die mysteriöse Dunkle Energie bestimmt das Schicksal des Universums. Das brachiale Ende könnte schon in zehn Millionen Jahren kommen.
von Rüdiger Vaas
„Das Universum ist nicht nur seltsamer, als wir es uns vorstellen, es ist auch seltsamer, als wir es uns vorstellen können“, schrieb der schottische Forscher John Burdon Sanderson Haldane bereits 1927 – in jenem Jahr, in dem der belgische Kosmologe Georges Lemaître das Urknall-Modell formulierte, auch wenn es damals noch nicht so genannt wurde. Seither hat das Universum nichts an seiner Seltsamkeit verloren – im Gegenteil. 95 Prozent von allem darin ist unbekannt. Mehr noch: Dieses Unbekannte bestimmt die Dynamik und das ferne Schicksal des Alls. Nun haben Kosmologen zu ihrem größten Erstaunen entdeckt, dass dadurch der Weltraum schockgefroren oder aber radikal ausgebremst werden könnte – und zwar kosmologisch betrachtet schon sehr bald. Die Seltsamkeit des Universums kennt anscheinend keine Grenzen.
Was sich innerhalb weniger Jahre als kosmisches Standardmodell etablierte, begann erst 1998. Damals machten zwei internationale Astronomenteams unabhängig voneinander eine überraschende Entdeckung. Seit den Messungen des amerikanischen Astronomen Edwin Powell Hubble 1929 sind fast alle Kosmologen von der Ausdehnung des Weltraums überzeugt. Doch diese Ausdehnung verlangsamt sich nicht, wie bisher angenommen, sondern wird im Gegenteil immer schneller. Ferne Sternexplosionen, so schlossen die beiden Astronomengruppen aus ihren Daten, sind lichtschwächer und somit weiter entfernt, als sie es eigentlich sein dürften. Dafür machten die Wissenschaftler den Effekt einer unbekannten Kraft verantwortlich. Auf großen Raumskalen sollte sie der Schwerkraft Paroli bieten, die Sonnensysteme, Galaxien und Galaxienhaufen zusammenhält und die kosmische Expansion bremst. Diese antigravitativ wirkende „Dunkle Energie“ muss den Weltraum also regelrecht auseinandertreiben. Diese Entdeckung, die eine Sensation war, wurde seither durch weitere genauere und fernere Supernova-Beobachtungen erhärtet.
EINE TASSE CAPPUCCINO
Völlig unvorbereitet kam sie nicht, denn die Möglichkeit eines antigravitativen Effekts hatte Albert Einstein schon 1917 erwogen (siehe Kasten „Gut zu wissen: Dunkle Energie“). Gibt es die Dunkle Energie wirklich, so ist sie der Hauptbestandteil unserer Welt. Die Materie spielte dagegen nur eine Nebenrolle. Und von der wiederum wären die uns vertrauten Protonen, Neutronen und Elektronen nur ein kleiner Bruchteil. Das fordert das heutige Standardmodell der Kosmologie. Vergleicht man das, woraus unser Universum besteht, mit einer Tasse Cappuccino, dann entspricht die mysteriöse Dunkle Energie des Vakuums dem Kaffee, die ebenfalls noch rätselhafte Dunkle Materie dem Milchschaum – und die bekannte Materie bloß dem Schokoladenpulver. Mit anderen Worten: Kosmologen verstehen fast alles von allem nicht einmal ansatzweise.
Die Zahlen sprechen für sich: Nur gut ein Viertel von allem ist Materie, doch die meiste davon dunkel. Gewöhnliche Atome, überwiegend Wasserstoff, sind in der Minderheit: Sie schaffen mit nur 4,4 Prozent der Gesamtenergiedichte noch nicht einmal die 5-Prozent-Hürde im All. (Masse und Energie sind gemäß der Relativitätstheorie äquivalent, deshalb können Physiker sie auch direkt vergleichen.) Heiße Dunkle Materie in Form von Neutrinos macht etwa 0,3 Prozent aus, Kalte Dunkle Materie dagegen 23 Prozent. Woraus diese Kalte Dunkle Materie besteht, ist ungewiss. Die Hauptkandidaten sind unbekannte Elementarteilchen, die nicht der elektromagnetischen Wechselwirkung unterliegen.
Eine Fülle astronomischer Daten haben inzwischen die Annahme der Dunklen Energie bestätigt. Daher ging der Paradigmenwechsel erstaunlich rasch vonstatten. Ein gewichtiges Argument sind die nur wenige Hunderttausendstel Grad kleinen Temperaturschwankungen der Kosmischen Hintergrundstrahlung. Diese Mikrowellen sind das Restleuchten der heißen Urknallphase, das noch immer den gesamten Weltraum durchflutet. Im Verteilungsmuster der Temperaturschwankungen stecken Informationen zur Gesamtenergiedichte des Alls. Sie ist demnach viel höher als die Summe der sichtbaren und der Dunklen Materie – erst die Annahme der unsichtbaren Energie des Vakuums gleicht die Bilanz aus. Hinzu kommen zahlreiche Daten von der großräumigen Verteilung der Galaxien und Galaxienhaufen, die mit den Resultaten anderer Messungen in Widerspruch geraten würden, wenn es keine Dunkle Energie gäbe.
Ein weiteres unabhängiges Indiz für die seltsame Dunkle Energie veröffentlichte letztes Jahr ein Astronomenteam um Alexey Vikhlinin vom Smithsonian Astrophysical Observatory in Harvard (bild der wissenschaft 8/2009, „Gebremste Entwicklung“). In der Februar-Ausgabe 2010 des amerikanischen Magazins „Astronomy“ wurde es sogar zu einer der zehn wichtigsten Entdeckungen des letzten Jahres gekürt. Mit den Röntgensatelliten-Teleskopen Chandra und Rosat hatten die Astrophysiker 86 Galaxienhaufen aus unterschiedlichen kosmischen Epochen ins Visier genommen. Sie ermittelten sowohl die Masse als auch die Zahl der Haufen in bestimmten Himmelsregionen. Einerseits wurden über fünf Milliarden Lichtjahre ferne Haufen ausgewählt, andererseits solche in einer Distanz von weniger als einer Milliarde Lichtjahren. Wenn sich der Weltraum beschleunigt ausdehnt – wenn also die Dunkle Energie wirkt –, dann muss sich das Wachstum der Galaxienhaufen in den letzten Milliarden Jahren verlangsamt haben, weil der antigravitative Effekt der Schwerkraft entgegenwirkt. Diese Voraussage haben die Röntgendaten bestätigt: Die Entstehung der Galaxienhaufen ging in den letzten fünf Milliarden Jahren tatsächlich schleppender voran als zuvor. „Das ist eine unmissverständliche Signatur der Dunklen Energie“, sagt Alexey Vikhlinin. Da diese Messungen nicht von Entfernungsabschätzungen abhängen, sind sie ein von den anderen Daten komplett unabhängiger Hinweis für die Existenz der Dunklen Energie – ein großer Erfolg.
Phantomenergie zerreisst das all
Bei der Suche nach einer Erklärung, was sich denn hinter dieser rätselhaften Kraft des Vakuums verbirgt, haben die Forscher im letzten Jahrzehnt freilich kaum Fortschritte gemacht. Im Gegenteil: Die Situation wurde von Jahr zu Jahr verwirrender, weil immer mehr Hypothesen vorgeschlagen wurden. Das ist nicht verwunderlich, denn große Geheimnisse beflügeln die Fantasie, auch die von Forschern. Und eine Aufgabe der Theoretiker besteht ja genau darin, Hypothesen auszuarbeiten, die überprüfbare Voraussagen machen, bevor die entsprechenden Messdaten vorliegen. Währenddessen sind die beobachtenden Astronomen nicht faul. In mehreren großen Projekten studieren sie gegenwärtig die Eigenschaften und Auswirkungen der Dunklen Energie. Für die nächsten Jahre ist sogar ein eigens zu diesem Zweck gebauter Forschungssatellit geplant.
Inzwischen sind weit über 1000 wissenschaftliche Artikel zur Dunklen Energie publiziert worden. Unter diesem Oberbegriff konkurrieren verschiedene Hypothesen darum, die beschleunigte Ausdehnung des Weltalls zu erklären: neben der Kosmologischen Konstante auch Quintessenz-Felder, eine ominöse Phantomenergie sowie Effekte der spekulativen Stringtheorie mit ihren zusätzlichen Raumdimensionen. Sie alle stehen mit den bisherigen Messdaten im Einklang. Bei der Quintessenz handelt es sich um ein unbekanntes Skalarfeld. Skalarfelder haben nur eine Größe wie die Temperatur, also einen Wert an jeder Stelle im Raum, nicht aber eine Richtung wie Vektorfelder, etwa das Magnetfeld. In der Teilchenphysik sind Skalarfelder weit verbreitet. Die Quintessenz könnte sich im Lauf der Zeit ändern und vielleicht mit Neutrinos oder der Kalten Dunklen Materie interagieren.
Noch bizarrer ist eine andere Idee. Ihr zufolge könnte eine „Phantomenergie“ hinter der Dunklen Energie stecken. Sie hat die katastrophale Eigenschaft, dass der Weltraum durch sie künftig gleichsam zerrissen würde. Seine Ausdehnungsrate würde unendlich werden, und selbst die Atomkerne würden bersten (bild der wissenschaft 8/ 2003, „Phantomenergie zerreißt das Weltall“). Auch eine Doppelwirkung von Quintessenz und Phantomenergie ist denkbar. Welche der theoretischen Möglichkeiten zutrifft, und ob überhaupt eine, können Forscher nur mithilfe astronomischer Beobachtungen entscheiden. Dazu muss zum einen die „Zustandsgleichung“ der Dunklen Energie bestimmt werden und zum anderen, ob und wie sie sich mit der Zeit ändert – bei der Kosmologischen Konstante tut sie das nicht.
NEUER NUTZEN EINER ALTEN FORMEL
Noch eine andere Beschreibung der mysteriösen Hauptingredienz des Alls findet zunehmend Beachtung: das „generalisierte Chaplygin-Gas“ (GCG). Die Bezeichnung ist etwas missverständlich, da es eher eine Art „perfekte Flüssigkeit“ ist als ein Gas. Die GCG-Idee haben Alexander Y. Kamenshchik vom Landau-Institut für Theoretische Physik und der Russischen Akademie der Wissenschaften in Moskau und seine Kollegen erstmals 2001 in die Kosmologie eingebracht. Doch die von ihnen verallgemeinerte Gleichung hat eine fast hundertjährige Tradition. Sie geht auf den russischen Physiker und Mathematiker Alexeyevich Chaplygin zurück. Er war Mitbegründer des Zentralen Aerodynamischen Instituts in Moskau, dem noch immer wichtigsten Institut für Luftfahrtforschung. Mit einer vereinfachten Form der GCG-Formel hat Chaplygin 1904 Luftbewegungen unter und jenseits der Überschallgrenze beschrieben und deren Kräfte auf die Tragflächen von Flugzeugen. Es ist schon erstaunlich, dass sich seine Arbeit nun in einem völlig anderen Zusammenhang als nützlich erweist. Doch solche Modellübertragungen haben immer wieder Erfolg in der Physik. Inzwischen ist das GCG sogar als Konkurrent zu Schwarzen Löchern im Gespräch (siehe Kasten „Das Rätsel der Schwerkraft-Fallen“).
Kamenshchiks nichtlineare partielle Differenzialgleichung zum GCG ist so kurz, dass sie sich mühelos auf eine Briefmarke drucken ließe: p = –A/ra. Dabei steht p für den Druck und r für die Dichte der Dunklen Energie. A und a sind zwei positive Konstanten. A kann Werte von 0 bis 1 annehmen – bei Chaplygin war A exakt 1. Die Dunkle Energie, so lautet also der Vorschlag, gehorcht der Zustandsgleichung des GCG. Dies mag als theoretische Spielerei erscheinen – ist es aber nicht. Denn auch die seit 2001 genauer gewordenen Messdaten stimmen mit dem GCG- Modell überein. Die beiden Konstanten A und a erlauben Forschern freilich einige Flexibilität. Das ist einerseits ein Nachteil, weil es strikte überprüfbare Vorhersagen erschwert. Aber es könnte auch von Vorteil sein: Wenn nämlich die einfacheren Kandidaten für die Dunkle Energie – die Kosmologische Konstante oder das Quintessenz-Feld – durch künftige kosmologische Beobachtungen in Schwierigkeiten geraten sollten, bleibt das GCG weiter im Rennen.
Dunkle Vereinigungen
Das GCG-Modell hat noch weitere Stärken: Es kommt ohne die Annahme von unbekannten Feldern aus und kann Dunkle Materie und Dunkle Energie vereinigen. Wenn die Dichte r nämlich viel größer als A ist, wird A/r klein – und das repräsentiert Materie, wie sie im frühen Universum vorherrschte („Staub“ mit p = 0). Wenn r hingegen viel kleiner als A ist, wird p negativ, und das beschreibt eine beschleunigte Ausdehnung des Alls. Mit anderen Worten: Das GCG-Modell erlaubt ein dynamisches Modell eines Universums, das einst von Dunkler Materie beherrscht wurde und später von Dunkler Energie. Vielleicht sind Dunkle Materie und Dunkle Energie sogar nur verschiedene Zustände ein und derselben „Substanz“, abhängig von der Größe des Weltraums. Manche Kosmologen haben das GCG daher bereits als „Quartessenz“ bezeichnet: als „vierten Stoff“ neben normaler Materie, elektromagnetischer Strahlung und Heißer Dunkler Materie (Neutrinos). Eine Quintessenz würde dann entfallen.
Überdies sind manche Physiker auf eine Verbindung zur Stringtheorie gestoßen. Auch dies ist erstaunlich, denn die Stringtheorie ist ein heißer Kandidat für eine „Weltformel“. Sie beansprucht, alle Naturkräfte zu vereinheitlichen und sämtliche Elementarteilchen als Anregungen von eindimensionalen Saiten oder Schleifen – den Strings – zu erklären. Noch gibt es keine experimentellen Indizien für die Richtigkeit dieser ehrgeizigen Theorie. Aber vielleicht findet der große Teilchenbeschleuniger LHC (Large Hadron Collider) bei Genf, der letzten November seinen Betrieb aufgenommen hat, bald erste Hinweise.
Für Kosmologen ist das GCG-Modell noch aus einem anderen Grund hochinteressant: Es eröffnet ganz neue Möglichkeiten für die ferne Zukunft des Universums. Vor der Entdeckung der Dunklen Energie gab es nur zwei Alternativen:
- Wenn die mittlere Materiedichte im Weltall von vornherein einen bestimmten kritischen Wert überschreitet – entsprechend etwa der Masse von drei Protonen pro Kubikmeter – dann wird die Ausdehnung des Alls in einigen Dutzend Jahrmilliarden enden. Der Weltraum wird sich zusammenziehen, immer schneller kollabieren und sich dann in einem Endknall selbst verschlingen.
- Wenn die Materiedichte geringer ist, dann wird sich das All bis in alle Ewigkeit immer weiter ausdehnen, wenn auch langsamer. Dann werden die Sterne erlöschen, die Protonen zerfallen und schließlich sogar die Schwarzen Löcher zerstrahlen. Übrig bleibt eine kalte finstere Einöde – eine langweilige Leere, in der sich nach Äonen vielleicht irgendwo ein paar der restlichen Photonen, Elektronen oder Neutrinos begegnen.
Die Entdeckung der beschleunigten Ausdehnung des Alls hat die Szenarien vom Hitze- und Kältetod um weitere Möglichkeiten bereichert. Wenn die Dunkle Energie existiert, bestimmt sie – und nicht die Materiedichte – das Schicksal des Alls. Im einfachsten Fall, wenn hinter der Dunklen Energie die Kosmologische Konstante steckt, hört die Ausdehnung nie auf, wird aber auch nicht langsamer. Der Kältetod tritt also noch viel früher ein, und das Leben hat langfristig keine Chance. Wenn sich hinter der mysteriösen Antigravitation jedoch ein neues Energiefeld verbirgt – oder sogar zwei davon –, gibt es ein Potpourri von Möglichkeiten: Der Weltraum könnte ewig expandieren – verlangsamt oder beschleunigt. Er könnte wieder kollabieren. Die Ausdehnung könnte oszillieren – oder aber so brachial anwachsen, dass alles zerrissen würde, selbst die Atomkerne. Es wäre sogar möglich, dass das Energiefeld zerfällt und sich aus seiner Energie neue Materie und daraus vielleicht wieder Sterne bilden – ein kosmisches Recycling. Diese Vielfalt ist reichlich verwirrend – auch für Kosmologen. Doch wenn sich die Dunkle Energie nicht als Illusion herausstellt (siehe folgender Beitrag), dann können nur Fortschritte in der Theorie und den astronomischen Beobachtungen für mehr Klarheit sorgen. Wäre die Dunkle Energie hingegen eine Illusion, weil entweder die Allgemeine Relativitätstheorie falsch ist oder sich die Materie im Universum nicht so gleichförmig verteilt, wie angenommen, dann hätten kosmologische Zukunftsspäher noch schlechtere Karten: Dann könnten sie vermutlich überhaupt nicht herausfinden, ob das Universum ewig expandiert oder irgendwann wieder kollabiert.
hinter dem Vorhang des skurrilen
Mit dem GCG hat sich das Spektrum der Möglichkeiten noch mehr aufgefächert. Völlig neue, bizarre Effekte sind dadurch denkbar, die die Wissenschaftler jetzt fasziniert ausloten. Erstmals hinter den Vorhang dieser kosmischen Skurrilitäten blickten unabhängig voneinander 2004 John Barrow von der University of Cambridge und 2005 Mariusz Dabrowski vom Institut für Physik der polnischen Universität von Stettin. Dabei stießen sie auf plötzliche Zukunftssingularitäten. Das sind „schwache“ Singularitäten, weil hier das Volumen nicht verschwindet und Dichte, Temperatur und Krümmung nicht unendlich werden wie bei den „starken“ Singularitäten, die gemäß der Allgemeinen Relativitätstheorie im Zentrum Schwarzer Löcher und beim Urknall auftauchen. Dennoch sind die „schwachen“ Zukunftssingularitäten keineswegs harmlos. Im Gegenteil, sie kommen einem kosmischen Todesurteil gleich. Denn bei ihnen wird der Druck der Dunklen Energie (oder dessen mathematische Ableitung) unendlich – und zwar überraschend schnell. Unendliche Gezeitenkräfte wären die Folge, obwohl die Ausdehnungsrate des Alls endlich bliebe. Alle makroskopischen Körper und sogar die Moleküle würden zerquetscht. Nichts hielte dem universellen Druck stand.
Ein wichtiger Unterschied zu den starken Singularitäten in Schwarzen Löchern ist, dass die schwachen nicht an einem einzigen singulären Punkt stattfinden, sondern überall im Universum. Kein Ort bliebe verschont. Alle ausgedehnten Objekte würden zerrissen – mit Ausnahme vielleicht der Strings, denn diese nur etwa 10–32 Zentimeter großen Gebilde sind nicht unendlich dehnbar.
Barrow und Dabrowski arbeiteten nicht im Rahmen des GCG-Modells. Inzwischen haben aber die portugiesischen und spanischen Physiker Mariam Bouhmadi-Lopez, Pedro González-Díaz und Prado Martín-Moruno gezeigt: Solche plötzlichen Zukunftssingularitäten tauchen auch bei bestimmten Werten der Parameter und Konstanten der GCG-Gleichung auf. Und im Rahmen dieses Modells droht noch weiteres Ungemach. Das Universum kann in einer Art Schockstarre einfrieren oder aber buchstäblich „auf die Bremse treten“. Beides wäre das Ende der Welt, wie wir sie kennen.
SCHON IN 10 MILLIONEN JAHREN
Wenn der Druck (oder dessen mathematische Ableitungen) des GCG unendlich würde und die Energiedichte gegen Null strebt, droht eine Zukunftssingularität. Die Forscher haben sie „Big Brake“ genannt – die große Bremse. Die Dynamik des Weltraums käme dann jäh zum Stillstand. Die Expansion würde gleichsam durch eine Vollbremsung gestoppt. Die resultierenden Gezeiten- oder Beharrungskräfte würden alles in einen Brei aus Elementarteilchen verwandeln. Der Aufprall eines Formel-1-Rennfahrers, der mit Vollgas gegen eine Betonwand rast, wäre nichts dagegen. Ähnlich katastrophal würde es, wenn sowohl Druck als auch Energiedichte des GCG unendlich werden. Auch hier würde die Ausdehnung des Alls abrupt stoppen, und nichts bliebe von den unendlichen Gezeitenkräften verschont. Kosmologen sprechen vom „Big Freeze“, denn das Universum wäre dann buchstäblich schockgefroren. Alles würde in einer universellen Leichenstarre verharren. „In gewissem Sinn ist ein Big Brake ein Spezialfall eines Big Freeze“, sagt Claus Kiefer. Der Physik-Professor, der an der Universität Köln über Quantenkosmologie forscht, hat in den letzten Jahren die Zukunftssingularitäten genauer analysiert. „Das Universum würde in beiden Fällen erstarren.“
Diese Vorstellung mag abwegig erscheinen, aber sie ist es nicht. „Solche künftigen Singularitäten sind durch kosmologische Messungen bislang nicht nur nicht ausgeschlossen“, betont Dabrowski. „Sie könnten in kosmischen Maßstäben betrachtet sogar recht bald auftreten – bereits innerhalb der nächsten zehn Millionen Jahre. Deshalb heißen sie auch ,plötzliche Zukunftssingularitäten‘.“ Zehn Millionen Jahre sind ein kosmischer Wimpernschlag – auch auf die Erde bezogen. Vor zehn Millionen Jahren streiften bereits unsere menschenaffenartigen Ahnen durch den afrikanischen Dschungel, und in zehn Millionen Jahren hat sich noch nicht einmal das Antlitz unseres Planeten infolge der Bewegungen der tektonischen Platten wesentlich verändert. Zum Vergleich: Das Ende der Erde erwarten Astronomen unter normalen Bedingungen erst in 7,59 Milliarden Jahren, wenn sie in die aufgeblähte, sterbende Sonne stürzt (bild der wissenschaft 11/2007, „Das feurige Ende der Welt“).
Selbstverständlich ist Skepsis angebracht. Die Szenarien der Zukunftssingularitäten sind sehr spekulativ: mathematische Möglichkeiten zwar, aber deshalb noch lange nicht real. Vielleicht wird hier auch die Allgemeine Relativitätstheorie über ihre Gültigkeitsgrenzen hinaus strapaziert – ähnlich wie bei den Singularitäten des Ur- und Endknalls und in den Schwarzen Löchern. Quanteneffekte, die die Welt des Allerkleinsten regieren, könnten sie verhindern. Ebenso die Zukunftssingularitäten: Das hat Claus Kiefer zusammen mit seiner Doktorandin Barbara Sandhöfer sowie Mariam Bouhmadi-Lopez und Paulo Vargas Moniz letztes Jahr nachgewiesen. Sie benutzten dazu ein vereinfachtes Modell der Quantenkosmologie, aber schon dafür war ein großer mathematischer Aufwand nötig. Die Forscher sind überzeugt, dass dieses Ergebnis auch in komplexeren Situationen gilt. Mehr noch: Die umgekehrten Vorgänge seien ebenfalls denkbar – ein plötzliches Auftauen oder eine Art Kickstart des Universums, quasi eine Superbeschleunigung aus dem Stand heraus. Das wäre dann eine neue Variante unter den zahlreichen Versuchen, den Urknall zu erklären. Für Kiefer & Co. ist das zunächst freilich nur ein rechnerisches Resultat. Denn wieso es eine tiefgefrorene Raumzeit gegeben haben soll, womöglich seit Ewigkeiten, die dann plötzlich in Bewegung geriet, würde mehr Fragen aufwerfen als beantworten. Ein Big Freeze in der Zukunft erscheint da schon realistischer.
Das universelle todesurteil bleibt
Dass Quantengravitationseffekte die Singularitäten in der Natur wahrscheinlich verhindern, ist eine gute Nachricht – jedenfalls für die Physiker, weil Singularitäten eine nicht akzeptable Eigenschaft einer Theorie darstellen. Für die Zukunft eines GCG- dominierten Universums ändert sich hingegen wenig, denn das universelle Todesurteil haben die Wissenschaftler nicht aufgehoben. Und für die Materie macht es kaum einen Unterschied, ob sie in einer unendlichen kosmischen Vollbremsung oder in einer Schockstarre endet – oder sich kurz vorher auflöst. 99,999 Prozent Big Brake oder Big Freeze sind genauso verheerend wie 100 Prozent.
Auch ohne echte Singularitäten sind die GCG-Aussichten also katastrophal. Die klassische Welt, wie wir sie kennen, würde bei den physikalischen Extremen nicht fortbestehen, sondern ein seltsamer, gespenstischer Quantenzustand würde das gesamte All regieren. Auch wenn das Universum in diesen Szenarien nicht verschwände, würde es doch in alle Ewigkeit als eingefrorenes Gebilde verharren. Gefangen in statischer Starre wäre in ihm vielleicht sogar die Zeit zu Ende – oder hätte zumindest ihre Richtung verloren. ■
| GUT ZU WISSEN: DUNKLE ENERGIE |
„Dunkle Energie“ ist ein 1998 von dem amerikanischen Kosmologen Michael Turner geprägter Sammelbegriff für ein Naturphänomen, das so rätselhaft wie dominant ist: 72,3 Prozent der gesamten Energiedichte des Weltalls werden von der Dunklen Energie geliefert. Nur ein gutes Viertel entfällt auf die Materie.
Die einfachste Erklärung für die Dunkle Energie ist die Kosmologische Konstante, abgekürzt mit dem griechischen Buchstaben Lambda (L). Sie steckt in den Feldgleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie und wurde 1917 von Albert Einstein als eine Naturkonstante eingeführt. Allerdings dachte er bereits einige Jahre später, dass der Wert von L Null ist.
Seither gab es viele theoretische Überlegungen zur Kosmologischen Konstante. Nicht zuletzt Wolfgang Priester, Astrophysik-Professor an der Universität Bonn, und seine Kollegen haben ab Ende der 1980er-Jahre immer wieder betont, dass L nicht von vornherein auf Null gesetzt werden darf, sondern eine empirische Größe ist, also gemessen werden muss. Der amerikanische Physiker und Kosmologe Craig Hogan hatte das noch Mitte der 1990er-Jahre als „outrageous“ attackiert, als haarsträubend. Heute gehört er zu den führenden Verfechtern der Dunklen Energie.
L hat eine besondere Eigenschaft: Ihr Wert ist in Raum und Zeit stets derselbe. Und der stellt Physiker seit Jahrzehnten vor ein großes Rätsel. Zum einen müsste er nach allgemein akzeptierter Abschätzung etwa 10120 Mal größer sein, als er tatsächlich ist – (1010 Gigaelektronenvolt)4 statt (10–3 Elektronenvolt)4. Das ist die größte Diskrepanz in der Geschichte der Theoretischen Physik. Wenn die Kosmologische Konstante allerdings so groß wäre, müsste sich der Weltraum so schnell ausdehnen, dass Galaxien niemals hätten entstehen können. Sehr seltsam – und äußerst unwahrscheinlich – ist aber auch, dass L heute gerade die Größenordnung der Materiedichte hat.
Obwohl es noch wesentlich exotischere Kandidaten als L zur Erklärung der Dunklen Energie gibt, sind die bisherigen Messungen sehr gut mit der Kosmologischen Konstanten vereinbar. Ihre Einführung hat Albert Einstein 1931 als „die größte Eselei“ seines Lebens bereut – ziemlich voreilig aus heutiger Sicht.
|
| VIELE WEGE DES SCHICKSALS – KONTROVERSEN UM DIE ZUKUNFT DES ALLS |
Bis 1998 dachten die meisten Kosmologen, das Schicksal unseres Universums hinge allein von seiner Geometrie ab (links): Ist diese „flach“ oder „hyperbolisch“ („offen“), ist der Raum unendlich und dehnt sich in alle Ewigkeit aus. Ist sie dagegen „sphärisch“ („geschlossen“), ist der Raum endlich und wird in einigen Dutzend Milliarden Jahren in einem Endknall kollabieren.
Dann stellte sich heraus, dass sich unser Universum beschleunigt ausdehnt. Viele Kosmologen führen das auf die Energiedichte des Vakuums zurück. Die einfachste Erklärung für diese Dunkle Energie ist die Kosmologische Konstante (Mitte). Ist sie positiv, dehnt sich der Weltraum ewig aus. Ist oder wird sie negativ, kommt es zu einem Endknall. Auch andere Modelle – beispielsweise ein Quintessenz-Feld – erlauben diese beiden Möglichkeiten, und fast alle sind unabhängig von der Geometrie des Raums. Wenn hinter der Dunklen Energie aber eine „Phantomenergie“ steckt, zerreißt diese das All förmlich – diesen „Big Rip“ könnten nicht einmal Atome überstehen.
Heute werden noch verrücktere Möglichkeiten diskutiert (rechts). Bestimmte Kombinationen von Quintessenz und Phantomenergie könnten eine oszillierende Expansion bewirken. Eine andere Art von Dunkler Energie („generalisiertes Chaplygin-Gas“) lässt dagegen vielleicht das All plötzlich erstarren („Big Freeze“).
Welche der vielen Möglichkeiten zutrifft, könnten kosmologische Messungen schon in wenigen Jahren entscheiden.
|
| DAS RÄTSEL DER SCHWERKRAFT-FALLEN |
Die Dunkle Energie ist nicht nur der finstere „Star“ der Kosmologen, sondern könnte in kompakter Form auch den größten Finsterlingen im All auf den Leib rücken – den Schwarzen Löchern.
Diese Schwerkraftfallen sind die Relikte des Kerns implodierter Sterne, die ihre äußeren Regionen als Supernova in den Weltraum gesprengt haben. Dass es solche Masse-Ansammlungen gibt, ist unbestritten. Und Schwarze Löcher sind die einfachste Erklärung, lässt sich ihre Existenz doch schon aus der Allgemeinen Relativitätstheorie ableiten. Allerdings ist ihre äußere Grenze ein „Ereignishorizont“ – ein Ort ohne Wiederkehr für alles, was hinter ihm verschwindet –, und in ihrem Zentrum lauert eine Krümmungssingularität. Beides bereitet Physikern Kopfzerbrechen. Zudem ist der direkte Nachweis für Schwarze Löcher unmöglich. Daher haben manche Wissenschaftler über Alternativen nachgedacht, die mit der Relativitätstheorie ebenfalls vereinbar sind (bild der wissenschaft 2/2007, „Angriff auf die Schwarzen Löcher“).
Ein Kandidat ist der „Gravastar“, ein Kunstwort aus englisch „gravitation“, „vacuum“ und „star“. In seinem Inneren verbirgt sich unter einer heißen Plasma-Schale eine Blase aus Dunkler Energie. Wie Gary B. Tupper und Raoul D. Viollier von der Universität Kapstadt zusammen mit dem kroatischen Physiker Neven Bilic gezeigt haben, könnte es sich dabei um ein „generalisiertes Chaplygin-Gas“ (GCG) handeln – eine exotische Form der Dunklen Energie. Es ist sogar denkbar, dass das Innere von „Wurmlöchern“ durch das exotische Gas stabilisiert wird. Wurmlöcher sind – ähnlich wie die Schwarzen Löcher – hypothetische Tunnel durch die Dimensionen der Raumzeit.
|
| VON DER ERDE ZUM URKNALL |
Das ganze Universum auf einer Doppelseite – das klingt vermessen. Erst recht, wenn Milliarden Lichtjahre ferne Galaxienhaufen und die Verhältnisse in unserem provinziellen Sonnensystem gleichermaßen deutlich gezeigt werden sollen. Doch es gibt einen mathematischen Trick, der dieses Problem genial löst: den Logarithmus. Die Idee stammt von Richard Gott III, Astrophysik-Professor an der Princeton University. Er regte eine logarithmische Darstellung an, um die fernen Gefilde gleichsam zusammenzustauchen und die näheren zu vergrößern – ohne dass es zu Sprüngen oder unregelmäßigen Verzerrungen kommt.
Die „Breite“ der Karte unseres Universums hat polare Koordinaten (Winkelangaben), die Länge verschiedene Einheiten (Kilometer bis Megaparsec), stets im logarithmischen Maßstab zur Basis 10. Da die Breite sehr schmal im Vergleich zur Länge ist, hat bild der wissenschaft die Karte in drei Abschnitte unterteilt. Sie kann also „dreispaltig“ von links unten bis rechts oben gelesen werden. Die Karte ist geozentrisch – eine Art Fortsetzung des Mittelalters mit anderen Mitteln. Denn die Erde (genauer: ihr Mittelpunkt) steht im Zentrum, hier: im linken Streifen ganz unten. Von dort aus geht es bis zum Urknall, hier: im Streifen rechts ganz oben. Er markiert nicht nur den Anfang unserer Zeit, sondern aufgrund der Endlichkeit der Lichtgeschwindigkeit gleichsam auch das prinzipielle Ende des beobachtbaren Raums. Weiter als bis zu der Zeit, zu der die Kosmische Hintergrundstrahlung freigesetzt wurde, können wir nicht blicken. Das entspricht einer Entfernung von fast 50 Milliarden Lichtjahren, wie sich aufgrund der ständigen – durch die Dunkle Energie immer schneller werdenden – Ausdehnung des Weltraums seit dem Urknall errechnen lässt.
Für die Karte hat bdw eine winkeltreue Darstellung eines vier Grad breiten Bands um den Himmelsäquator gewählt. Ergänzt wurde sie mit prominenten Objekten außerhalb davon. Die Positionen der Planetoiden, Sterne und fernen Galaxien entspricht astronomischen Messungen, wobei die Strukturen der Galaxienhaufen (oben rechts) in diesem Maßstab kaum auflösbar sind. Die Oort-Kometenwolke (etwa in der Mitte des mittleren Streifens) ist noch nicht direkt beobachtet worden und daher nur schematisch eingezeichnet. Die Reichweite der irdischen Radiosignale (im oberen Drittel des mittleren Streifens) bezieht sich auf die ersten Signale der starken Sender, die in den 1930er-Jahren in Deutschland in Betrieb gingen.
Freilich ist diese Karte nur ein winziger Ausschnitt von allem. Denn einerseits geht es hinter dem Horizont der Beobachtbarkeit weiter, auch wenn wir aufgrund der Endlichkeit der Lichtgeschwindigkeit wahrscheinlich nie von den jenseitigen Regionen des Alls erfahren werden. Andererseits ist unser Universum vielleicht nur eines von Myriaden. Und diese anderen Weltenräume könnten völlig unterschiedlich beschaffen sein.
Rüdiger Vaas
|
| MEHR ZUM THEMA |
LESEN
Über die Dunkle Energie und die Zukunft des Alls halten wir Sie stets auf dem Laufenden: bild der wissenschaft 6/1999, 7/2001, 4/2002, 8/2003, 6/2006, 11/2006, 11/2007, 8/2009
Aktuelle Einführungen in die moderne Kosmologie und die Rätsel des Vakuums von bdw-Redakteur Rüdiger Vaas:
HAWKINGS NEUES UNIVERSUM Kosmos, 5. aktualisierte Auflage 2010, € 17,95
TUNNEL DURCH RAUM UND ZEIT Kosmos, wesentlich erweiterte, aktualisierte Neuausgabe 2010, € 19,95
INTERNET
Dunkle Energie und die Zukunft des Alls: arxiv.org/abs/physics/0703183
Homepage von Claus Kiefer: www.thp.uni-koeln.de/gravitation/ mitarbeiter/kiefer.html
Homepage von David Wiltshire: www2.phys.canterbury.ac.nz/~dlw24/0
|
« zurück