Umsturz der Theorie eines statischen Universums

    Dunkle Energie: eines der ganz grossen –wenn nicht das grösste- Thema der modernen Kosmologie. Dass es eine Energie gibt, die die von Edwin Hubble 1929 gefundene Ausdehnung des Weltalls bewirkt, war von Anfang an klar. Die Erkenntnis führte sofort nach der Entdeckung der Ausdehnung zum Zusammenbruch der seinerzeit für unumstösslich gehaltenen Theorie eines statischen Universums. Einer seiner letzten prominenten Befürworter, auch Jahrzehnte nach Hubble, war der berühmte britische Astronom Sir Fred  Hoyle. Einstein dagegen liess diese Theorie sofort fallen, für die er seine berühmte „kosmologische Konstante“ in die Allgemeine Relativitätstheorie eingefügt hatte. Deren Zweck war es, die aus der Allgemeinen Relativitätstheorie hervorgehende Dynamik des Weltalls  zu kompensieren und sie mit der akzeptierten statischen Theorie in Einklang zu bringen.

Der Wegfall der kosmologischen Konstante führte im Einklang mit Hubble’s Entdeckung zu einem dynamischen Universum, das aus heutiger Sicht eine feine, pointierte Ironie enthält. Aufgrund der in Form von Sternen, Galaxien und Galaxieclustern sichtbaren Materie ging man davon aus, dass der Grund für die Dynamik die Gravitation ist, die durch ihre Dominanz zu einer kontinuierlichen Kontraktion des Weltalls führt. Danach muss es einen –sehr fernen-Zeitpunkt geben, an dem es zum Zusammensturz (engl.: big crunch) des Weltalls in seinen  Anfangszustand kommt. Mit anderen Worten: wir würden demnach in einem zyklischen Universum leben.

Mehr als 2/3 des Inhalts des Universums besteht aus Dunkler Energie

Dies war kein Widerspruch zu Hubble’s Entdeckung der Ausdehnung des Universums, da man annahm, dass diese sich gravitationsbedingt kontinuierlich verlangsamt. In unseren Tagen wurde nun durch die Erforschung der kosmischen Hintergrundstrahlung, vor allem durch die WMAP (Nasa) und Planck (Esa) Satelliten gefunden, dass die anfangs erwähnte Energie, die die Ausdehnung vorantreibt 69,2% des gesamten Materie-und Energieinhalts des Universums beträgt. Diese enorme Zahl legt es nun nahe in der Dunklen Energie, wie sie mittlerweile ihres rätselhaften Charakters wegen genannt wird (Namensgeber: Michael Turner, University of Chicago) , nicht nur eine die Ausdehnung des Universums treibende, aber abnehmende Kraft zu sehen, sondern eine direkt antigravitative Energie – mithin das Gegenteil von Einsteins Annahme.

Beschleunigung der Expansionsgeschwindigkeit des Universums

  Aber es sollte noch dramatischer kommen: Im Jahr 1998 fanden zwei Arbeitsgruppen unabhängig – und in Konkurrenz zueinander –, dass sich die Expansionsgeschwindigkeit des Universums nicht – wie festzustehen schien – mit der Zeit verringert, sondern im Gegenteil beschleunigt. Es waren die Gruppen am Lawrence Berkeley National Laboratory unter Saul Perlmutter und an der Australian National University unter Leitung von Brian Schmidt.

Supernovae vom Typ Ia als „Standardkerzen“ zur Entfernungsmessung

Die Methodik war in beiden Fällen gleich, nämlich die Suche nach Supernovae vom Typ Ia über große kosmische Entfernungen von vielen Milliarden von Lichtjahren. Supernovae vom Typ Ia entstehen immer in einem binären Sternsystem, wobei einer der Doppelsterne ein Weißer Zwerg sein muss. Wie wir  wissen, haben Weiße Zwerge aufgrund ihrer ungeheuren Dichte ein sehr starkes Gravitationsfeld. Sie sind in der Lage, von einem nicht so komprimierten Partner, vor allem wenn er in alterndem Zustand seine äußere Hülle abstößt, Masse anzuziehen, die spiralförmig auf den Weißen Zwerg stürzt. Dieser wird dadurch immer massereicher – bis er das sog. Chandrasekar-Limit von 1,4 Sonnenmassen erreicht und sodann in Sekundenbruchteilen zusammenstürzt, in einer Supernova explodiert und dabei völlig zerstört wird. Eine solche Supernova wird als Typ Ia bezeichnet, im Gegensatz zu Supernovae, die aus einem überschweren Einzelstern entstehen, dem Typ II. Eine künstlerische Darstellung dieses Ereignisses zeigt das obige Beitragsbild.

Supernovae Ia sind über diese Entfernungen aufgrund ihrer enormen Leuchtkraft sichtbar. Aber nicht nur das: Sie sind sehr gut untersucht, ihr immer (fast!) gleichbleibender Mechanismus ist bekannt, und vor allem ihre Lichtkurve zeigt für alle den gleichen Verlauf. Man kennt daher auch ihre intrinsische, das heißt absolute Leuchtkraft. Supernovae des Typs Ia wurden damit zu sogenannten »Standardkerzen« für die Entfernungsmessung im kosmologischen Maßstab.

Rotverschiebung als unabhängige Entfernungsmessung

Indem man diese ins Verhältnis mit ihrer beobachteten, von der Erde aus gemessenen Leuchtkraft setzt, erhält man ihre Entfernung und damit – jeder Blick in den Sternhimmel ist ein Blick in die Vergangenheit – auch die kosmische Epoche, in der sie explodiert sind. Man findet diese Supernovae des Typs Ia, indem man ihre Lichtkurven analysiert. Gleichzeitig wird die spektrale Rotverschiebung gemessen, die ja ein Maß für die Ausdehnung des Universums während der Zeit ist, die das Licht seit der Explosion der Supernova bis zur Entdeckung durch irdische Teleskope gebraucht hat. Auch aus der Rotverschiebung(z) lässt sich die Entfernung eines Objektes bestimmen.

Bei einer gleichmäßigen Expansion des Universums, die bisher zugrunde gelegt wurde, müssten diese beiden Entfernungsmessungen in etwa übereinstimmen. Das sensationelle Ergebnis, das unabhängig von beiden Arbeitsgruppen gefunden wurde, ist, dass die optische Helligkeit der Supernovae deutlich schwächer war, als nach der Rotverschiebung zu erwarten gewesen wäre. Mit anderen Worten: Die Supernovae sind weiter entfernt als angenommen. Dieses Ergebnis ist nur so zu interpretieren, dass sich das Universum seit einer gewissen Zeit schneller ausdehnt als davor. Die Expansion hat sich beschleunigt. Diese Erkenntnis schlug wie eine Bombe ein und ist seither an Hunderten von Supernovae des Typs Ia bestätigt und verfeinert worden. Inzwischen wird sie als eine der größten Entdeckungen der Kosmologie gefeiert. Die Autoren erhielten (zusammen mit Adam Riess, Johns Hopkins University, Baltimore) 2011 den Physik-Nobelpreis.

 

Was aber treibt die beschleunigte Ausdehnung des Universums? Dies ist eine spektakuläre Umkehrung der bisher bekannten Verhältnisse. In der Frühphase des Kosmos überwog die gravitative Anziehung, sonst gäbe es keine Sterne, Galaxien und Galaxiencluster – und kein Leben. Der Kosmos war zu dieser Zeit und lange danach durch die Kraft der Gravitation geprägt. Natürlich bewirkte die Ausdehnung eine kontinuierliche Abnahme der Gravitationskraft. Um dies zu erkennen, reicht das Newton’sche Gravitationsgesetz.  Damit ist jetzt der »Kältetod« des Universums das wahrscheinliche Szenario. Hierbei geht die Ausdehnung kontinuierlich – möglicherweise sogar noch beschleunigter – weiter. Alles würde sich von allem entfernen, Gravitation hätte nur noch lokale Bedeutung,  bis nach Äonen alles einschließlich aller Moleküle und Atome zerfällt.

Die gravitationsdominierte Phase des Universums wird durch die antigravitative Dunkle Energie abgelöst

Klar ist der Befund, dass sich die gravitationsdominierte Phase des Kosmos schon vor Milliarden von Jahren in eine geändert hat, in der eine antigravitative Kraft seither die beschleunigte Expan- sion treibt. Basierend auf immer genaueren Untersuchungen von Supernovae des Typs Ia in verschiedenen meist gigantischen Entfernungen und damit frühesten Epochen, die unvermindert weiter- geht, können wir heute zumindest in etwa den Zeitraum definieren, innerhalb dessen die Umkehr stattfand. Sie ist natürlich eng verknüpft mit einerseits der kontinuierlichen Expansion des Universums und andererseits mit der deshalb kontinuierlichen Abnahme der Gravitationskraft. Diese Vorgänge führten zu einer anhaltenden Abnahme der Materiedichte, zu ihrer Verdünnung, bis der Punkt erreicht war, an dem sie die Größenordnung der ebenfalls von Anfang an existierenden abstoßenden, quasi antigravitativen Kraft erreichte. Dies geschah als der Kosmos etwa halb so alt war wie heute, also etwa knapp sieben Milliarden Jahren nach dem Urknall. Eine Reihe beobachtbarer Phänomene, die im gleichen Zeitrahmen liegen, stützt diese Annahme. Dazu zählen u.a.: Die Verschmelzungsrate von Galaxien nimmt deutlich ab; Galaxiencluster werden kaum noch gebildet; die Sternentstehungsrate geht stark zurück; die Aktivität Schwarzer Löcher tendiert gegen Null.

All dies ist durch eine beschleunigte Ausdehnung des Universums und der einhergehenden Abnahme der Materiedichte gut zu erklären. Nicht zu erklären ist bis heute, was diese beschleunigte Expansion hervorgerufen hat. Auf der Hand liegt nur, dass es sich um eine Kraft- beziehungsweise Energieform handelt, die ein Abstossungspotential besitzt, das der Gravitation entgegenwirkt.

Mit dieser treibenden Kraft, der Dunklen Energie, werden wir uns in den folgenden blogposts ausführlich beschäftigen (https://cosmoblog.space/dunkle-energie-teil-2-eigenschaften-und-wirkung/)

 

Headerbild: Spinnenetzstruktur des Universums; Würfel mit Kantenlänge 1 Milliarde Lichtjahre; Bolshoi Simulation. Credit: NASA, ESA and E. Hallman, University of Colorado; Boulder

Beitragsbild:  Künstlerische Darstellung einer Supernova vom Typ Ia; ein weisser Zwerg saugt Materie von seinem alternden Begleitstern ab. Credit: ESO

Verantwortlich: Peter H. Jacobi (Autor von „Cosmoblog. Kosmologie: Über die Grundlagen zur Spitzenforschung von heute und morgen“; K.Fischer Verlag, September 2017)