08: Dunkle Energie

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Wie entwickelt sich das gesamte Universum im Laufe der Zeit? Ist es immer gleich groß, wächst es oder fällt es in sich zusammen? Tausende Jahre lang wurde diese Frage von den Menschen gleich beantwortet, doch während der letzten 100 Jahre hat sich unsere Vorstellung davon mehrfach geändert.

Das ganze fing mit Albert Einstein und seiner Allgemeinen Relativitätstheorie an. Bis zum Anfang des 20. Jahrhunderts dachte man, das Universum wäre „statisch“, es würde sich also im Großen und Ganzen nicht verändern. Die Gleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie, die Albert Einstein 1915 veröffentlichte, ergaben jedoch, dass das Universum entweder in sich zusammenstürzen oder sich ausdehnen muss. Da ihm das aber völlig absurd erschien, versuchte er, die Gleichungen irgendwie so zu ändern, dass sie doch ein Universum ermöglichten, das immer gleich groß blieb.

Daher fügte er mit viel Mühe einen neuen Wert in die Gleichungen ein, der genau diesen Zweck erfüllte: die Kosmologische Konstante. Diese wirkte der Schwerkraft dagegen und verhinderte in der Theorie so, dass das Universum immer kleiner wird. Mit der kosmologischen Konstante blieb das Universum also immer gleich groß.

Etwa 10 Jahre später jedoch entdeckte der Astronom Edwin Hubble, dass sich fast alle Galaxien von uns entfernen. Je weiter sie von uns entfernt sind, desto schneller entfernen sie sich. Das deutet darauf hin, dass sich in Wahrheit wirklich das ganze Universum ausdehnt – genau wie es aus den Gleichungen der Relativitätstheorie hervorging. Durch die Einführung der Kosmologischen Konstante hat Albert Einstein also eine seiner größten wissenschaftlichen Leistungen verpasst: er hätte vorhersagen können, dass sich das Universum entweder ausdehnt oder in sich zusammenfällt. Später soll er die Kosmologische Konstante daher als die „größte Eselei“ seines Lebens bezeichnet haben.

Dass sich das Universum ausdehnt, merken wir daran, dass sich fast alle Galaxien von uns entfernen. Das heißt jedoch nicht, dass wir im Zentrum stillstehen und sich die anderen Galaxien von uns fortbewegen, sondern es ist vergleichbar mit einem Luftballon, der noch nicht aufgeblasen wurde und auf den Sie nun Punkte malen. Jeder Punkt stellt eine Galaxie dar. Wenn Sie den Ballon nun aufblasen, werden Sie feststellen, dass sich die Punkte voneinander entfernen, wobei man aber keinen von ihnen als Zentrum dieser Bewegung bezeichnen kann. So verhalten sich die Galaxien auch ungefähr.

Für das restliche 20. Jahrhundert lautete die gängige Theorie: Das Universum dehnt sich immer weiter aus, wird aber von der Schwerkraft, die die Galaxien aufeinander ausüben, immer mehr abgebremst. Die Zukunft des Universums war aber noch offen. Möglicherweise würde die Gravitation die Expansion des Universums irgendwann anhalten und dann dafür sorgen, dass das Universum wieder in sich zusammenfällt. Es war jedoch auch denkbar, dass die Anziehungskraft dafür zu schwach war und das Universum sich ewig weiter ausdehnen würde.

Die Frage nach der Zukunft des Universums wollte Saul Perlmutter mit seinem Team sowie eine Forschergruppe um Brian Schmidt und Adam Riess Anfang der 1990er-Jahre beantworten. Doch das Ergebnis, dass 1998 vorgestellt wurde, stellte die gesamte Kosmologie auf den Kopf: Das Universum dehnte sich nicht immer langsamer aus, die Expansion beschleunigte sogar!

Nun wissen wir alle auch aus der Alltagsphysik: Nichts beschleunigt einfach so grundlos. Damit etwas schneller wird, muss irgendeine Kraft darauf einwirken, die die Beschleunigung verursacht. So verhält es sich auch mit dem Weltall: Irgendeine Kraft muss der Schwerkraft entgegen wirken und so dafür sorgen, dass sich das Universum immer schneller ausdehnt – und da wir nicht die geringste Ahnung haben, worum es sich bei dieser Kraft handeln könnte, haben wir sie kurzerhand „Dunkle Energie“ getauft. Für die Entdeckung der beschleunigten Expansion erhielten Saul Perlmutter, Brian Schmidt und Adam Riess 2011 den Nobelpreis für Physik.

Doch worum handelt es sich bei dieser mysteriösen Dunklen Energie? Warum dehnt sich das Universum immer schneller aus? Dazu wurden in den letzten 20 Jahren mehrere Theorien aufgestellt.

In einer davon taucht eine alte Bekannte wieder auf, von der man in der Physik lange nichts gehört hat: die Kosmologische Konstante, die Einstein einst als „Eselei“ bezeichnet hat. Wenn man in der Allgemeinen Relativitätstheorie nämlich von der Möglichkeit ausgeht, dass das Universum expandiert, und dann wieder die Kosmologische Konstante in die Gleichung einfügt, könnte dies eine beschleunigte Expansion ergeben!

Doch es gibt noch viele weitere Theorien, was die Dunkle Energie eigentlich sein könnte: Eine Möglichkeit wäre die Vakuumenergie. Normalerweise sieht man ein Vakuum als Ort an, an dem sich absolut keine Materie oder Energie befindet. Doch tatsächlich herrscht auch dort eine kleine Energie aufgrund von Quantenfluktuationen. Ständig entstehen in diesem Vakuum Paare von Teilchen und Antiteilchen und zerstören sich einen Sekundenbruchteil später gegenseitig wieder. Da die Vakuumenergie an jedem Punkt gleich stark ist und sich auch mit der Zeit nicht ändert, kann man sie wie die Kosmologische Konstante als Eigenschaft des Raumes selbst auffassen und sie könnte nach Ansicht einiger Physiker dafür sorgen, dass dieser sich ausdehnt – nichts anderes tut die Dunkle Energie!

Doch Ende 2019 stellte Subir Sarkar, Physikprofessor an der Oxford University, eine neue Theorie auf, die die Kosmologie auf den Kopf stellte. Er setzte sich lange mit den Daten auseinander, aus denen Astrophysiker auf die beschleunigte Expansion des Universums schlossen. Doch Sarkar sieht das eher skeptisch. Seiner Meinung nach wurde zu schnell zu viel in die Daten hineininterpretiert. Schließlich kann man die Entfernung zu anderen Objekten und damit auch, wie schnell sie sich noch weiter entfernen, nur indirekt messen.

Subir Sarkar kam auf ein ganz anderes Ergebnis als Perlmutter, Schmidt und Riess: Die Beschleunigung gibt es zwar, aber nur in eine Richtung! Er vermutet, dass wir von einer gigantischen Masse hinter dem Shapley-Galaxienhaufen, der 650 Millionen Lichtjahre entfernt ist, angezogen werden.

Damit widerspricht seine Theorie einem weiteren Grundprinzip unserer Vorstellung des Universums: Alle Theorien der letzten Jahrhunderte bauen darauf auf, dass das Universum isotrop ist. Das heißt, dass keine Richtung „bevorzugt“ wird, das All, betrachtet man die größeren Strukturen, sich an unterschiedlichen Orten nicht großartig unterscheidet und die Materie gleichmäßig verteilt ist. Nach Sarkars Theorie hingegen wird das gesamte beobachtbare Universum, also alles, was wir kennen, in eine Richtung angezogen!

Doch in der Fachwelt stieß seine Theorie wie zu erwarten auf sehr viel Kritik. Viele Forscher zeigten, dass ihr Modell der Dunklen Energie besser zu den gemessenen Daten passt als Sarkars Vermutungen. Dieser hingegen verwies auf eine andere statistische Sichtweise, der zufolge sein Modell besser abschneide.

„Außergewöhnliche Behauptungen erfordern außergewöhnliche Beweise. Die sehe ich hier in keinster Weise.“

Dragan Huterer, University of Michigan, über Subir Sarkars Theorie

Letztendlich wissen wir nicht, was es mit der Dunklen Energie auf sich hat. Hat sich Einstein mit seiner Kosmologischen Konstante doch nicht so sehr getäuscht, wie er selbst vermutet hat? Sorgt die Vakuumenergie für eine Ausbreitung des Raumes? Oder ist die Dunkle Energie nur eine Illusion und das Universum sieht ganz anders aus, als wir denken? Ich denke, als sicher kann nur eines zählen: In Zukunft wird es gewiss noch einige Überraschungen geben.

Quellen: