Mysteriöse Kraft im All – Dunkle Energie

Eigentlich sollte die gegenseitige Anziehung der Materie die Ausdehnung des Kosmos langsam abbremsen, doch stattdessen expandiert er immer schneller. Bisher weiß niemand, was dafür verantwortlich sein könnte.

Simulation der Universums-Struktur

Es war irgendwann im Frühling 1998 – ein internationales Forscherteam um Brian Schmidt, australischer Astronom an den Mount Stromlo Observatories, wertete erstmals systematische Beobachtungen ferner Sternexplosionen aus. Astronomen sind noch heute ebenso fasziniert wie verwirrt von den Daten, die buchstäblich die Welt bewegen, erinnert sich Bruno Leibundgut, Schweizer Astronom bei der Europäischen Südsternwarte ESO in Garching bei München, der mit zum Team von Brian Schmidt gehört: „Die Messungen haben darauf hingewiesen, dass siebzig Prozent des Universums in einer Form vorhanden sind, die wir bis dahin nicht gekannt haben. Dieser Anteil des Universums wird oft als Dunkle Energie bezeichnet. Mittlerweile sind viele neue Modelle für die Kosmologie entwickelt worden – und auch die Physik versucht, diese Dunkle Energie zu erklären. Auch für die Dunkle Materie, die schon vorher postuliert wurde, hat die Physik noch keine Erklärung. Dunkle Energie und Dunkle Materie zusammen entsprechen etwa 95 Prozent des Universums.“

Bruno Leibundgut und seine Kollegen halten nach bestimmten Sternexplosionen Ausschau, nach sogenannten Supernovae vom Typ Ia. Hierbei spielen Weiße Zwerge eine entscheidende Rolle – das sind kompakte Sterne, die etwa so viel Masse besitzen wie die Sonne, aber nur so groß sind wie die Erde. Kreist so ein Weißer Zwerg eng um einen Riesenstern, kann er Materie von seinem Begleiter abziehen. Irgendwann hat der Weiße Zwerg so viel Materie aufgesammelt, dass er instabil wird und als Supernova explodiert. Die Grenze, bei der ein Weißer Zwerg instabil wird, ist relativ genau bekannt: Die sogenannte Chandrasekhar-Masse liegt bei 1,44 Sonnenmassen. Weil die Physik bei allen Supernovae vom Typ Ia sehr ähnlich ist, verlaufen auch die Explosionen immer sehr ähnlich. Diese Supernovae leuchten vor Ort immer gleich hell.

Sternexplosionen als Entfernungsmesser

Im Licht der Supernovae ist zudem die Information eingefroren, wie schnell sich das Universum zum Zeitpunkt der Explosion ausgedehnt hat. Seit dem Urknall expandiert der Kosmos und eigentlich sollte die gegenseitige Anziehung der Materie die Ausdehnung langsam abbremsen. Doch sechs oder acht Milliarden Lichtjahre entfernte Sternexplosionen – die also vor sechs oder acht Milliarden Jahren stattgefunden haben – zeigen, dass der Kosmos damals langsamer expandierte als heute.

Supernova in sechs Milliarden Lichtjahren Entfernung

Das Resultat der Gruppe um Brian Schmidt und Bruno Leibundgut wurde recht schnell von einer anderen Gruppe bestätigt. Bis jetzt stützen also alle Beobachtungen den noch Mitte der 1990er Jahre unvorstellbaren Befund: Irgendetwas treibt den Kosmos immer schneller auseinander – und niemand weiß, was das sein könnte. Niemand weiß, was physikalisch dahinter steckt. Eine Idee ist die sogenannte Vakuumenergie, eine zusätzliche Komponente des Universums mit einer abstoßenden Kraft. Wie stark die normale anziehende Materie wirkt, hängt davon ab, wie dicht sie im Kosmos gepackt ist. Dagegen ist die abstoßende Vakuumenergie im Kosmos immer gleich groß – und das hat verblüffende Folgen, erklärt Robert Kirshner vom Harvard-Smithsonian Center for Astropyhsics in den USA und ebenfalls Mitglied im Team von Brian Schmidt: „Wenn man in der Zeit weiter zurück geht, also immer tiefer ins All guckt, dann ist die Materie sehr viel dichter gepackt als heute. Damals dominierte die Materie mit ihrer Anziehungskraft – das Universum dehnte sich zwar aus, wurde aber langsamer. Irgendwann war im ausdehnenden Weltall die Materie so dünn verteilt, dass ihre Anziehung kleiner war als die abstoßende Kraft der Vakuumenergie. Seitdem beschleunigt das Universum. Das Universum hat sozusagen irgendwann umgeschaltet – von Abbremsen auf Beschleunigen!“

Das Rätsel Dunkle Energie

Chandra Deep Field

Eine faszinierende Vorstellung: Ab einer bestimmten Entfernung müssten die Supernovae statt der Beschleunigung noch Spuren der Abbremsung aus der Jugendzeit des Kosmos zeigen. Bisher sind etwa zehn Milliarden Lichtjahre entfernte Exemplare kaum zu beobachten. Aber schon bald könnten Astronomen mithilfe der Supernovae buchstäblich sehen, wie die abstoßende Vakuumenergie im Kosmos die Oberhand gewann und seitdem unser Universum immer schneller auseinander treibt. Bruno Leibundgut und sein Team planen ein neues großes Beobachtungsprogramm: „Wir wollen entscheiden, ob die Beschleunigung des Universums von der kosmologischen Konstante herkommt oder von den sogenannten Quintessenzfeldern. Der Zeitpunkt, zu dem die Beschleunigung über die Abbremsung gewinnt, hängt davon ab, was die Beschleunigung verursacht und wie stark diese Zusatzkomponente ist. Wenn sie sehr stark ist, fängt die Beschleunigung früher an. Wenn sie schwächer ist, ist dieser Übergang später im Universum oder von uns aus gesehen bei einer geringeren Entfernung. Wir brauchen dafür extrem genaue Messungen. Wir denken, dass wir über zweihundert Supernovae in dem entscheidenden Bereich brauchen, um das wirklich machen zu können. Das wird lange dauern. Wir müssen jetzt den Rest der Welt überzeugen, dass die uns die Beobachtungszeit geben, damit wir das machen können.“

Die Astronomen müssen dazu Supernovae in einer Entfernung von vier bis etwa neun Milliarden Lichtjahren finden und genau beobachten. Kein leichtes Unterfangen, aber vom Erdboden aus mit Spitzenteleskopen machbar. Bruno Leibundgut freut sich auf das neue große Omega-Projekt, das klären soll, ob nun kosmologische Konstante, Quintessenz oder vielleicht doch etwas ganz anderes den Kosmos beschleunigt auseinandertreibt. „Das Schöne an der Kosmologie heutzutage ist, dass wir im Vergleich zu vor dreißig oder vierzig Jahren wirklich durch die Daten dominiert werden. Vor dreißig oder vierzig Jahren hat im Wesentlichen alles auf der Theorie basiert. Damals konnten die Theorien im Prinzip wenig mit den Daten überprüft werden. Das hat sich jetzt umgekehrt.“

Daten und Modelle gehen die ganz grundlegenden Fragen unserer Welt an. Woraus besteht das Universum? Was steckt hinter der Dunklen Energie? Wird sich der Kosmos ewig ausdehnen? Das uralte Licht längst verloschener Sternexplosionen liefert die Antworten darauf – auch wenn Forscher bisher all die Antworten und Daten von Supernovae und Hintergrundstrahlung keineswegs in einem großen Bild verstehen. Einen Ausweg schaffen nur weitere Beobachtungen – und gute Ideen! „Wir haben 95 Prozent des Universums, die wir einfach nicht verstehen: 25 Prozent sind Dunkle Materie, von der wir immer noch keine Ahnung haben, was sie ist. Dann haben wir solche Dinge wie Dunkle Energie, kosmologische Konstante oder Quintessenz. Diese machen vielleicht siebzig Prozent der Energiedichte des Universums aus und wir haben auch überhaupt keine Ahnung. Das ist eigentlich eine interessante Situation. Vielleicht haben wir in zehn Jahren eine Theorie, die das alles erklärt – aber einen Durchbruch brauchen wir jetzt schon.“