Warum sich das Universum so schnell ausdehnt

 Superinstrument für Astronomen: Die Dark Energy Camera. (Foto: DES Collaboration)
Superinstrument für Astronomen: Die Dark Energy Camera. (Foto: DES Collaboration)
Ein internationales Team von Astrophysikern hat die leistungsfähigste Digitalkamera der Welt in Betrieb genommen. Sie soll helfen, eines der größten Rätsel der Kosmologie zu lösen ? die Frage, was sich hinter der ominösen Dunklen Energie verbirgt.
Seit letztes Jahr der Physik-Nobelpreis für die Entdeckung der beschleunigten Expansion des Weltraums verliehen wurde, kann eigentlich kein wissenschaftlich orientierter Zeitgenosse mehr ignorieren, dass wir in einem seltsamen All leben. Denn eigentlich sollte die Ausdehnung des Raums seit dem Urknall immer langsamer werden, weil die Schwerkraft der Materie den ursprünglichen ?Schwung? gleichsam abbremst. Das war zunächst auch der Fall. Doch seit fünf bis sechs Milliarden Jahre nimmt die Expansionsrate wieder zu. Es scheint, dass eine unbekannte Kraft den Weltraum immer schneller auseinander treibt.

Was sich hinter dieser ominösen ?Dunklen Energie? verbirgt, wie Kosmologen das Rätsel nennen, ist bis heute unklar. Es gibt zahlreiche konkurrierende Erklärungsversuche ? der einfachste ist die bereits 1917 von Albert Einstein postulierte Kosmologische Konstante ?, aber keinen Konsens. Dabei mangelt es nicht an Theorien. Doch die Messdaten sind noch zu ungenau. Das aber wird sich bald ändern.

570 Megapixel pro Aufnahme

Vor wenigen Tagen ging die Dark Energy Camera am 4-Meter-Blanco-Teleskop des Cerro-Tololo Inter-American Observatory auf dem 2200 Meter hohen Berg Cerro Tololo in Chile erfolgreich in Betrieb. Sie wurde im Lauf von acht Jahren am Fermi National Accelerator Laboratory im US-amerikanischen Batavia, Illinois, geplant und gebaut und ist die stärkste Digitalkamera der Welt. Die ersten Fotos erfüllen die hohen Erwartungen der Forscher bereits.

Nach der Testphase wird die Kamera im Dezember mit einer systematischen Himmelsdurchmusterung beginnen. Sie enthält 62 Charged-Coupled Devices (CCDs) mit insgesamt 570 Megapixel pro Aufnahme. Sie ist besonders im tiefroten Wellenlängen-Bereich empfindlich und kann mit jedem Schnappschuss über 100.000 Galaxien in bis zu acht Milliarden Lichtjahren Entfernung ablichten.

Die Kamera ist das Herzstück des nun anlaufenden Dark Energy Survey (DES). Damit wollen die Astronomen der Ursache der seltsamen Expansionsbeschleunigung auf die Spur kommen. Innerhalb von fünf Jahren sollen im Bereich von einem Achtel des Himmels bis zu 300 Millionen Galaxien, 100.000 Galaxienhaufen und 4.000 Supernovae beobachtet werden. Als willkommener Nebeneffekt werden auch viele neue Planetoiden im Sonnensystem entdeckt werden.

München vorne mit dabei

Am DES sind Forscher, Ingenieure und Techniker von drei Kontinenten beteiligt. Darunter auch mehrere Wissenschaftler der Ludwig-Maximilians-Universität München und des ebenfalls in München angesiedelten Exzellenzcluster ?Origin and Structure of the Universe? beteiligt. Dazu gehören Joseph Mohr, der das Projekt 2003 mitinitiierte und zusammen mit seinem Team die Galaxienhaufen im Fokus hat, sowie Jochen Weller, Ralf Bender, Andreas Burkert und weitere Astronomen.

?Das Besondere am Dark Energy Survey ist, dass versucht wird, der Dunklen Energie mit verschiedenen Methoden auf die Spur zu kommen?, sagt Jochen Weller, der eine der beiden Arbeitsgruppen leitet, die an der Kombination und theoretischen Interpretation der DES-Daten arbeiten wird. ?Da ist zum einen die Vermessung des Wachstums der großräumigen Strukturen im Universum mit Hilfe des Gravitationslinseneffekts der Dunklen Materie. Zweitens wird die statistische Verteilung der Galaxien vermessen, die eine sehr genaue Charakterisierung der Geometrie des Universums erlaubt. Außerdem wird die Verteilung von Galaxienhaufen und Supernovae beobachtet. All diese Methoden sind komplementär, und zusammengenommen werden sie es erlauben, verschiedene Modelle der Dunklen Energie zu testen.?

Eine solche Daten- und Methodenvielfalt ist wichtig, um systematische Fehler zu reduzieren und die konkurrierenden Modelle zu präzisieren und zu falsifizieren. ?Die größten Schwierigkeiten bestehen ? wie immer ? darin, die systematischen Fehler zu verstehen. Dies ist eine Herkulesaufgabe im Daten-Management?, seufzt Weller. Denn es kommt nicht nur darauf an, genau zu messen ? man muss auch wissen, dass man richtig misst und mit welcher Präzision.

?Wir hoffen, dass wir mit den DES-Daten die Dynamik der Dunklen Energie wesentlich besser verstehen lernen. Außerdem wird DES spekulative Szenarien überprüfen, die auf großen Entfernungen die Allgemeine Relativitätstheorie modifizieren?, sagt Weller. Er könnte nämlich auch sein, dass die Dunkle Energie eine Chimäre ist und gar nicht real ? dass sie also von einem anderen Effekt nur vorgetäuscht wird. Das könnte der Fall sein, wenn die Allgemeine Relativitätstheorie nicht exakt gilt. Dazu gibt es verschiedene ? noch unbestätigte ? Hypothesen, die beispielsweise mit der Existenz zusätzlicher winziger Raum-Dimensionen zusammenhängen, wie sie von der Stringtheorie gefordert werden.

Nächster Schritt in Vorbereitung

Auch für die Zeit nach DES ist bereits gesorgt. Letztes Jahr hat die die Europäische Raumfahrtagentur den Bau der Forschungssonde EUCLID beschlossen. Er soll mit einer Sojus-Rakete vom ESA-Raumflughafen in Kourou, Französisch-Guyana, ins All geschossen werden. Vom Lagrange-Punkt L2 aus wird das 1,2-Meter-Weltraumteleskop dann sechs Jahre lang Myriaden ferne Galaxien und Galaxienhaufen genau ins Visier nehmen und aus den Messungen auf die Eigenschaften der Dunklen Energie schließen helfen. Zum einen werden winzige Gravitationslinseneffekte (?Weak Lensing?) in bislang unerreichter Genauigkeit vermessen werden. Zum anderen die sogenannten Baryonischen Akustischen Oszillationen: Schallwellen im Urgas des frühen Universums haben in der Bildung der Galaxienhaufen einen charakteristischen ?Abdruck? hinterlassen, der das einstige Wechselspiel von Schwerkraft und Strahlungsdruck widerspiegelt. Diese Wellen lassen sich heute noch in Form einer charakteristischen kosmischen Längenskala der großräumigen Strukturen von etwa 500 Millionen Lichtjahren feststellen. Sie wäre ohne die Annahme von Dunkler Materie und Energie nicht verständlich.

?EUCLID wird das ultimative Instrument sein, um die Fragen der Dunklen Energie zu beantworten?, sagt Weller, der auch an dieser Mission beteiligt ist. ?Aber EUCLIDs Methoden sind sehr ähnlich wie beim DES ? nur eben genauer. EUCLID kann tiefer in den Weltraum spähen, wird aber nicht vor 2019 fliegen. DES beginnt dagegen jetzt mit den Messungen.?

Gute Zeiten also für die Kosmologen: Wenn die Natur mitspielt, werden die Wissenschaftler in den nächsten zehn oder zwanzig Jahren vielleicht Licht ins Dunkel der Dunklen Energie bringen ? oder etwas noch viel Revolutionäreres entdecken.
Rüdiger Vaas

Der Autor ist bdw-Redakteur für Astronomie und Physik sowie Verfasser des Buchs Hawkings Kosmos einfach erklärt ? Vom Urknall zu den Schwarzen Löchern


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