Dunkle Energie

Um manche irritierenden astronomischen Daten zu erklären, musste neben der Dunklen Materie und der „kosmischen Inflation“ auch die Dunkle Energie eingeführt werden.

2. Dunkle Energie

Messungen der kosmischen Hintergrundstrahlung und präzise Beobachtungen von Supernovae in fernen Galaxien haben deutliche Hinweise auf eine systematische Abweichung vom Hubble’schen Gesetz erbracht, demzufolge je zwei Galaxien mit einer Geschwindigkeit auseinanderfliegen, die proportional zu ihrem gegenseitigen Abstand ist: So sehen ferne Sternexplosionen mit gegebener Rotverschiebung schwächer aus als erwartet, müssen also weiter entfernt sein. Außerdem haben Röntgendaten ergeben, dass die Entstehung der Galaxienhaufen im Laufe der Zeit immer schleppender vorangegangen ist. Die Beobachtungen deuten auf eine mit der Zeit schnellere Expansion des Universums hin.

Im Moment haben Theoretiker noch die unterschiedlichsten konkurrierenden Vorstellungen, welche Kraft die schnell wachsende Ausdehnung des Weltraums antreiben könnte. Es existieren zwei grundlegend verschiedene Erklärungsansätze: Der erste geht davon aus, wir verstünden die Gesetze der Schwerkraft noch nicht richtig. Vielleicht ändert sie bei sehr großen Entfernungen ihren Charakter und wirkt schließlich sogar abstoßend. (siehe unten)

Die zweite Idee postuliert die Existenz von einer bislang unbekannten, unsichtbaren Substanz, die der Gravitation entgegenwirkt, also eine abstoßende Kraft ausübt, und die Hubble-Expansion allmählich beschleunigt. Sie steht für den fehlenden Wert der Materiedichte (von sichtbarer und Dunkler Materie), die nach den Beobachtungen von Supernovae und Galaxienhaufen lediglich einem Wert (Omega) von 0,3 entspricht. Nach den gemessenen Werten der euklidischen Geometrie ist unser Universum aber „flach„, d. h. die gesamte Masse- und Energiedichte erreicht im Rahmen der Messgenauigkeit den kritischen Wert 1. Es muss also neben der Materiedichte eine weitere Komponente geben, die für das Defizit steht.

Diese Energiedichte, von deren Existenz die meisten Wissenschaftler überzeugt sind, hat merkwürdige Eigenschaften: Sie krümmt den Raum ganz ähnlich, wie es Materie tut, aber zugleich übt sie einen negativen Druck aus. Sie stellt also eine Kraft dar, die zusätzlich zum Urknall das Universum auseinander treibt und so die kosmische Expansion quasi ständig nachbeschleunigt. Man kann sie aber nicht als Gravitation mit umgekehrtem Vorzeichen betrachten, denn anders als die Gravitation nimmt diese Kraft mit der Entfernung zu. Es ist also eine „frei im Raum schwebende“ Kraft, eher der expandierende Raum selbst, wobei der ferne Raum stärker betroffen ist als der nahe.

Diese ominöse Kraft soll also den fehlenden weitaus größten Teil der kritischen Dichte (ca. 70% der Masse und Energie des Universums) liefern. Unser Universum wäre demnach nicht von Materie, sondern dieser abstoßenden Kraft dominiert. Für sie hat sich der Name „Dunkle Energie“ eingebürgert – eine unglückliche Bezeichnung, denn seit Einstein wissen wir, dass Materie und Energie eigentlich dasselbe sind; Dunkle Materie und Dunkle Energie haben aber nichts miteinander zu tun haben.

Ohne den antigravitativen Effekt dieser Kraft würde sich der Weltraum heute halb so schnell ausdehnen. Viele Galaxien wären schon verschmolzen und das Universum enthielte viel mehr massereiche Galaxien mit Populationen alter Sterne. Massearme Galaxien wären hingegen seltener, genauso Spiralgalaxien wie unser Milchstraßensystem, denn die vermehrten galaktischen Kollisionen hätten die Spiralgalaxien zerstört. Die Milchstraße wäre vielleicht schon mit dem Andromedanebel verschmolzen – ein Prozess, der tatsächlich erst in zwei Milliarden Jahren beginnt – und beide Galaxien würden in den Virgo-Haufen eindringen (was aber niemals geschehen wird).

Was die Dunkle Energie für Kosmologen so attraktiv macht, ist ihre Dynamik. Es gibt gute Gründe für die Annahme, dass sich die Expansion des Universums nicht immer beschleunigt hat. Wenn ihre Dichte, wie es scheint, immer konstant geblieben ist, war ihr prozentualer Anteil an der Gesamtdichte kurz nach dem Urknall wegen der stärkeren Gravitationsanziehung der damals enger beieinander liegenden Materieregionen verschwindend gering. Die Gravitation wirkte also in der Frühzeit des Universums der Expansion noch recht effektiv entgegen und ließ die großräumigen, filamentartigen Strukturen im Universum entstehen. Sie führte auch zur Bildung gravitativ gebundener Objekte – von Galaxien bis zu gewaltigen Galaxienhaufen. (Wäre die kosmische Expansion dagegen immer beschleunigt verlaufen, hätte sie das Entstehen dieser Strukturen schon von vorneherein verhindert.)

Die Dichte der Dunklen Materie nahm fortan durch die Raumexpansion zunehmend ab, diejenige der Dunklen Energie blieb dagegen – jedenfalls nach dem Standardmodell – immer konstant, da in dem durch die Expansion frisch geformten Raum neue Dunkle Energie entsteht. Ihre Gesamtmenge wuchs also im Verhältnis zur Dunklen Materie. Ab einer gewissen Ausdehnung des Alls war die Materie so stark ausgedünnt, dass dann die von der Entfernung unabhängige, gravitativ abstoßende Kraft allmählich die Gravitationsanziehung überwand und damit die Beschleunigung der Expansion über die Schwerkraft die Oberhand gewann.

Heute geht man davon aus, dass unser Universum seit etwa sechs Milliarden Jahren beschleunigt expandiert. Die Galaxienhaufen hatten damals bereits ihre heutige Masse erreicht. Die weitere Strukturbildung wurde auf großer Skala gestoppt und sie wuchsen seither kaum noch weiter an. Die hauptsächlich von der Dunklen Energie angetriebene Expansion aber beschert dem Universum eine unendliche Zukunft.

Die Natur der Dunklen Energie

Wie schon erwähnt, handelt sich bei der Dunklen Energie um ein diffuses, über den gesamten Raum verteiltes, niedrigenergetisches Phänomen. Ihre Dichte beträgt überall nur 10-26 kg/m2. Die in unserem Sonnensystem enthaltene Dunkle Energie entspricht dabei höchstens der Masse eines kleinen Asteroiden. Spürbare Auswirkungen hat sie hier nicht – diese sind erst auf viel größeren Strecken und langen Zeitspannen erkennbar.

Das Rätsel, um was es sich physikalisch bei der neuen Energieform eigentlich handelt, ist aber noch lange nicht gelöst. Die einfachste Erklärung für die Dunkle Energie – und sogar die einzige im Rahmen der etablierten Physik (dem Lambda-CDM-Modell) – ist die bereits 1917 von Albert Einstein in die Allgemeine Relativitätstheorie und Kosmologie eingeführte Kosmologische Konstante, abgekürzt mit dem griechischen Buchstaben Lambda. Physikalisch lässt sich Lambda als Eigenschaft der Raumzeit interpretieren. Der Name „Kosmologische Konstante“ deutet schon darauf hin, dass ihr Wert überall der gleiche ist und sich über Raum und Zeit hinweg nicht ändert.

Wie die meisten Astronomen um 1915 hielt Einstein damals das Universum für statisch – gleichförmig, unendlich und unveränderlich. Aber er konnte die Lösungen der Allgemeinen Relativitätstheorie drehen und wenden, wie er wollte, es kam partout kein statisches Universum heraus. So fügte er seinen Gleichungen einen Zusatzterm („eine nahe liegende, mit dem Relativitätspostulat vereinbare Erweiterung“) ein, der wie eine Anti-Schwerkraft wirkte: die Kosmologische Konstante (Lambda). Sie ergibt bei geeigneter Wahl genau die Abstoßung.

Fünf Jahre später, als sich gezeigt hatte, dass die Kosmologische Konstante kein wirklich stabiles Universum herbeiführen konnte und sich vor allem das Bild vom expandierenden Kosmos durchgesetzt hatte, verwarf er die Kosmologische Konstante wieder. Er soll dem amerikanischen Astrophysiker George Gamow gegenüber ihre Einführung als „die größte Eselei seines Lebens“ bezeichnet haben. Die Physiker jedenfalls waren froh, auf diesen ungeliebten Zusatzterm verzichten zu können. Seither wurde Lambda von den meisten Astronomen kurzerhand gleich Null gesetzt. Einfach streichen ließ sie sich aber nicht, weil sie bei einer strengen Herleitung der einsteinschen Feldgleichungen aus physikalischen Grundprinzipien folgt, wie später erkannt wurde.

Heute sind die meisten Astrophysiker überzeugt, dass die Beschleunigung der Expansion des Universums durch eine positive Kosmologische Konstante verursacht wird, die in kosmischem Maßstab wie eine Art Anti-Schwerkraft wirkt. Sie kann heute in der Teilchenphysik als eine Eigenschaft des Vakuums – physikalisch ausgedrückt: Energiedichte des Vakuums – betrachtet werden. Diese mysteriöse Vakuumenergie ist ein besonders eleganter und daher von vielen Physikern bevorzugter Kandidat für die Dunkle Energie. Es handelt sich dabei letztlich um die Energie von Quantenteilchen, die quasi aus dem Nichts entstehen und blitzschnell wieder zerfallen. Ihre Allgegenwart im Universum könnte letztlich für dessen beschleunigte Expansion verantwortlich sein.

Das Vakuum müsste dann eine negative Energie und negative Dichte haben. Anders als Masse kann Energie auch einen negativen Druck ausüben, der statt zu einer anziehenden zu einer abstoßenden Kraft wird. (Auch elastische Gegenstände – z. B. ein Gummituch – haben einen negativen, d. h. nach innen gerichteten Druck. ) Zumindest hypothetisch könnte damit der leere Raum das Universum auseinandertreiben. Allerdings verhält sich die Vakuumenergie gar nicht wie eine Konstante! Als unser Universum in seiner Frühphase während der Expansion abkühlte, veränderten sich auch die Felder und Quantenfelder, die es erfüllten: Sie machten einen Phasenübergang durch (ähnlich wie gefrierendes Wasser oder kondensierender Dampf) und damit auch die mit ihnen verbundene Vakuumenergie.

Hinzu kommt ein weiteres Problem: Die Dunkle Energie ist eine Substanz, die noch nie direkt gemessen wurde. Die Standardtheorie der Elementarteilchen kann zwar eine solche Energie erklären, liefert aber für ihre Größe einen um den Faktor 10120 zu hohen Wert im Vergleich zu den astronomischen Messwerten – ein eklatanter Widerspruch zwischen Theorie und Experiment. Es ist wohl die größte Unstimmigkeit in der gesamten Physik und lässt sich beim besten Willen nicht erklären. Zu diesem Problem gesellen sich weitere unbehaglich erscheinende Zufälle.

Daher stellt die Dunkle Energie eines der grundlegenden Probleme der modernen Physik dar, vielleicht sogar das wichtigste Problem. Möglicherweise ist aber hier auch etwas völlig unverstanden in der Physik. Obwohl die Dunkle Energie eine Säule des heutigen Standardmodells der Kosmologie darstellt, werden vermutlich neuartige physikalische Theorien nötig sein, um ihr Wesen zu deuten.

Alternativen

Es könnte sein, dass die Dunkle Energie gar nichts mit der Energie des Quantenvakuums zu tun hat. Sie könnte auch eine Täuschung wahrhaft kosmischen Ausmaßes sein. Theoretiker haben vielerlei Vorschläge gemacht, was denn sonst die Expansion beschleunigen könnte. Das Spektrum reicht von Energiefeldern (sogenannten Skalarfeldern), die man als eine bisher unbekannte Teilchenart deuten könnte, über höhere Raumdimensionen (ein Effekt der spekulativen Stringtheorie) bis zu gänzlich neuen Gravitationstheorien.

Manche Theoretiker machen Energiefelder verantwortlich, die Bruchteile von Sekunden nach dem Urknall entstanden sein könnten und den gesamten Kosmos erfüllen. Diese könnten jeden Punkt des Universums mit einer Eigenschaft versehen, die der anziehenden Gravitation entgegenwirkt. Paul M. Steinhardt, einer der Hauptverfechter dieser Hypothese, nennt diese neue Art von Energie augenzwinkernd „Quintessenz„, nach dem Namen, den Aristoteles in seiner Naturphilosophie vor über 2300 Jahren für den von ihm vermuteten alles durchdringenden Äther prägte, und den er für das feinste und wichtigste Element (neben Erde, Wasser, Luft und Feuer) hielt. Kurioserweise hat Einstein Lambda als den „neuen Äther der Relativitätstheorie“ bezeichnet.

Allerdings ist die Annahme der Theoretiker, dass das Minimum der potenziellen Energie des Feldes sehr niedrig liege und daher nur eine sehr kleine Menge Dunkler Energie über das Universum verteilt sei (was zu den Beobachtungen passen würde), im Rahmen der Theorie recht willkürlich. Außerdem darf die Dunkle Energie in diesen Modellen – abgesehen von ihrer abstoßenden Wirkung – mit allen anderen Bestandteilen des Universums nur sehr wenig wechselwirken, was ebenfalls schwer zu erklären ist.

Noch bizarrer ist die Idee, dass eine „Phantomenergie“ hinter der Dunklen Materie steckt. Sie hat die katastrophale Eigenschaft, dass sie den Weltraum künftig regelrecht zerreißt, da die Ausdehnungsrate mit der Zeit unendlich werden würde. Auch eine Doppelwirkung von Quintessenz und Phantomenergie halten manche Theoretiker für denkbar.

Eine andere Theorie beschreibt die Dunkle Energie durch das CGC-Modell (CGC = „generalisiertes Chaplygin-Gas“), dessen grundlegende Gleichung auf den russischen Physiker und Mathematiker Sergej Chaplygin zurückgeht. Das Modell kommt ohne die Annahme von unbekannten Feldern aus und stimmt mit den Messdaten überein. Damit ließe sich sogar die Dunkle Materie mit der Dunklen Energie vereinigen. Das Universum könnte danach einst von Dunkler Materie beherrscht gewesen sein und später von Dunkler Energie.

Überzeugend sind diese Vorschläge aber nicht. Alle Ideen über das Wesen der Dunklen Energie bleiben pure Spekulation. Ob es sich bei ihr tatsächlich um eine Energieform handelt, bleibt trotz ihres suggestiven Namens unklar. Vielleicht ist die Dunkle Energie ein Artefakt der in der Kosmologie üblichen mathematischen Näherungen und sie existiert in Wirklichkeit gar nicht. Auch gänzlich andere Phänomene könnten das „kosmische Energiebudget“ verändern und eine beschleunigte Expansion vortäuschen.

Die wohl radikalste Idee besagt, dass wir von einem falschen physikalischen Verständnis von Gravitation ausgehen. Die Allgemeine Relativitätstheorie müsse modifiziert werden, weil sie noch keine ganz korrekte Beschreibung der Schwerkraft liefert oder unvollständig ist. Zwar hat sie sich auf kleineren Skalen stets als korrekt erwiesen, aber über weite kosmische Distanzen hinweg ist ihre Gültigkeit streng genommen nur eine unüberprüfte, wenn auch plausible Vermutung. Auf den extremen Skalen, die wir inzwischen beobachten, könnte die Anziehungskraft unter Massen anders funktionieren, als wir heute denken. Wir können daher nicht ausschließen, dass die Messdaten, aus denen wir auf die Existenz Dunkler Energie schließen, letztlich nur ein Artefakt aus der Verwendung eines noch nicht endgültigen Gravitationsgesetzes sind, das uns in die Irre führt.

[Der indische Physiker Thanu Padmanabhan erklärt die Schwerkraft gleichsam thermodynamisch, sie ist für ihn eine abgeleitete Größe wie die Temperatur. (Auch aus der Perspektive der Stringtheorie wird dafür plädiert, dass die Gravitation ein emergentes Phänomen sei. ) Befindet sich ein System im Gleichgewicht, ist seine Entropie (eine thermodynamische Zustandsgröße) maximal. Analoges gelte für gravitative Systeme. Eine Raumzeit erfüllt Einsteins Gleichungen, weil die „Atome der Raumzeit“ die Entropie maximieren – so wie ein Gas den Gasgesetzen gehorcht, weil seine Atome die Entropie maximieren. Padmanabhan ist überzeugt: Weil man die Atome der Raumzeit noch nicht identifiziert und mit einer neuen Quantentheorie beschrieben hat, waren die jahrzehntelangen Versuche, die Schwerkraft zu quantifizieren, von vornherein zum Scheitern verurteilt. Im Rahmen von Padmanabhans Ansatz lässt sich auch die Dunkle Energie erklären. Wenn seine Ideen richtig sind, ergibt sich eine kleine Kosmologische Konstante fast zwingend als ein Relikt der Quantengravitation.]

Obwohl es nach dem Kosmologischen Prinzip undenkbar erscheint, dass wir einen besonderen Ort im Universum bewohnen, ziehen einige Physiker diese Idee seit Kurzem in Betracht. Fällt das Kosmologische Prinzip, löst das einen Domino-Effekt aus – mit unabsehbaren Folgen, zuerst für die Dunkle Energie. Wenn die Materieverteilung nämlich ungleichmäßiger wäre, als bislang gedacht, würde die kosmische Expansionsrate je nach Ort variieren. Es sei demnach durchaus möglich, dass sich der Galaxienhaufen, zu dem die Milchstraße gehört, in einer gewaltigen Region mit unterdurchschnittlicher Materiedichte befindet. Dann wäre das Standardmodell womöglich unhaltbar und die ominöse Dunkle Energie vielleicht nur eine Illusion.

Eine Gruppe von Forschern um Edward M. Kolb und Antonio Riotto nehmen sogar an, dass das gesamte beobachtbare Universum eine unterdurchschnittliche Dichte hat – geringer als seine für uns aufgrund der endlichen Lichtgeschwindigkeit und Beobachtungszeit nicht einsehbare weitere Umgebung. Diese würde gleichsam einen „Sog“ auf die unterdichte Blase des beobachtbaren Universums ausüben – und somit in ihr eine beschleunigte Expansion bewirken. Dass sich solche weiträumigen Dichteunterschiede im gesamten, womöglich unendlich großen All ausbilden konnten, wird als Konsequenz der kosmischen Inflation gedeutet. Den Kosmologen bleibt allerdings die schwierige Aufgabe, herauszufinden, ob die Rückwirkung tatsächlich ein vollwertiger Ersatz für die rätselhafte Dunkle Energie ist.

Die meisten Forscher bezweifeln aber die Annahme, wir würden nicht in einem typischen Teil des Universums leben. Selbst führende Theoretiker betrachten die unterschiedlichen Theorien, die eine Änderung vorhersagen, als Versuche, die überraschende Entdeckung der Dunklen Energie ad hoc zu erklären, ohne dass die Physik dazu wirklich verstanden wäre. Auch sprechen neue Röntgendaten gegen eine alternative Erklärung der beschleunigten Expansion, derzufolge die Allgemeine Relativitätstheorie über große Räume und Zeiten nicht gelte.

Fazit

Für keinen der Einwände gegen die Dunkle Energie gibt es also derzeit eine gute Begründung. Es haben sich zwar interessante Ansätze ergeben, aber sie alle kranken daran, dass keine zur Gesamtheit der verschiedenen Messdaten passt. Im Moment räumen Kosmologen daher dem Konzept der Dunklen Energie deutlich bessere Erfolgschancen ein als anderen Ideen. Nach bisheriger Datenlage ist die Kosmologische Konstante die einfachste und wahrscheinlichste Erklärung für die Dunkle Energie, sehr gut vereinbar mit den bisherigen Messdaten. Sie stellt wohl tatsächlich den Löwenanteil der Gesamtenergie des heutigen Universums und bewirkt die beschleunigte Expansion. Es bleibt aber das Unbehagen über die genannten „Zufälle“, etwa über die von ihre beigesteuerte Energiedichte. Und es bleibt ein Rätsel, warum diese Dunkle Energie überhaupt vorhanden ist und warum sie gerade jetzt die kosmische Expansion bestimmt.

Ist die Dunkle Energie also eine wissenschaftliche Sackgasse oder ein Höhepunkt der gegenwärtigen Erkenntnis? Die endgültige Beantwortung dieser Frage hat weitreichende Folgen für die Kosmologie und eine ausschlaggebende Bedeutung für zukünftige Theorien, mit denen man die Naturkräfte in einheitlicher Weise beschreiben will. Und erst wenn wir das geheimnisvolle Wesen der Dunklen Energie enträtselt haben, sind Prognosen über unsere kosmische Zukunft realistisch möglich.

REM

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