Phantom-Energie zerreisst das Weltall - wissenschaft.de
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Phantom-Energie zerreisst das Weltall

Das Schicksal des Universums hängt von der mysteriösen Dunklen Energie ab.

„Mich erstaunen Menschen, die das Universum begreifen wollen, wo es doch schon schwierig genug ist, sich in Chinatown zurechtzufinden“, lautet ein Bonmot von Woody Allen. Obwohl Chinatown nicht wesentlich unübersichtlicher wurde, hat der US-amerikanische Schauspieler und Regisseur inzwischen noch mehr Grund zum Staunen. Denn die Kosmologen erzielten zwar in den letzten fünf Jahren im universalen Verständnis bahnbrechende Fortschritte, doch sie mussten auch erfahren, dass sie weniger verstehen als jemals zuvor: Über 95 Prozent der Masse und Energie des Universums liegen buchstäblich im Dunkeln. Aber wenn man weiß, was man nicht weiß, ist man schon auf dem Weg, sein Wissen zu erweitern.

Noch vor fünf Jahren war die Kosmologie für viele Forscher hauptsächlich die Suche nach zwei Zahlen: der Ausdehnungsrate des Weltraums (Hubble-Konstante) und der mittleren Dichte seiner Materie. Überschreitet letztere einen kritischen Wert, stoppt die kosmische Expansion und kehrt sich um, so dass das All in einem Endknall vergehen muss, den die Astronomen – passend zum Big Bang (Urknall) – augenzwinkernd auch Big Crunch (Großes Knirschen) nennen. Erreicht die Dichte den kritischen Wert nicht, wird sich das Universum immer weiter ausdehnen. Dann erlöschen die Sterne, die Materie zerfällt und sogar Schwarze Löcher verdampfen (bild der wissenschaft 6/1999, „Bis in alle Ewigkeit“). Diesen kosmischen Katzenjammer haben die Forscher daher Big Whimper (Großes Wimmern) genannt.

Dank der Messungen der Kosmischen Hintergrundstrahlung, der Galaxienhaufen-Verteilung, der Hubble-Konstanten und anderer Indikatoren steht inzwischen eindeutig fest, dass sowohl die sichtbare als auch die ominöse Dunkle Materie bei weitem nicht ausreichen, um das Universum zum Kollaps zu bringen. Und doch ist seine Zukunft ungewisser denn je.

Schuld daran ist die verflixte Dunkle Energie, die fast drei Viertel der Gesamtenergiedichte – und somit auch Gesamtmasse gemäß Albert Einsteins Formel E = mc2 – ausmacht (bild der wissenschaft 7/2001, „Die mysteriöse Dunkle Energie“). „Sie hat fast alles verändert, was wir über das Universum denken – von seinem Beginn bis zu seiner ultimativen Zukunft“, sagt Lawrence M. Krauss, Physik-Professor an der Case Western Reserve University in Cleveland, Ohio. „Die Dunkle Energie ist wohl das wichtigste Problem der gesamten Physik“, stimmt Michael Turner zu. „Die große Herausforderung der neuen Kosmologie ist es, sie zu verstehen. Und: Die Dunkle Energie ist der Schlüssel zum Verständnis unseres Schicksals!“ Damit hat der für seine griffigen Formulierungen bekannte Physik-Professor von der University of Chicago nicht übertrieben. Denn von der Natur der Dunklen Energie hängt es ab, ob der Weltraum eines Tages in sich zusammenstürzt oder endlos weiter expandiert (bild der wissenschaft 4/2002, „Finstere Zukunft“) oder – diese dritte Möglichkeit ist neu – sogar förmlich zerrissen wird.

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Um das herauszufinden, muss man die Natur der Dunklen Energie besser verstehen. Da sie ein diffuses niederenergetisches Phänomen und so extrem fein und gleichförmig verteilt ist, dass Experimente mit Hochenergie-Teilchenbeschleunigern oder -Detektoren nicht weiterhelfen, sind die Physiker hier auf die Astronomen angewiesen. „Das Universum selbst ist das – vielleicht einzige – Labor, in dem wir die Dunkle Energie erforschen können“ , sagt Turner. Denn immerhin macht sich die Dunkle Energie als eine kosmische Antigravitation bemerkbar, die die Ausdehnung des Weltraums gegenwärtig nachweislich beschleunigt – und das schon seit mindestens zehn Milliarden Jahren. Fast ist es, als würde ein kosmischer Poltergeist die Galaxien davonschnipsen. Ihre Fluchtgeschwindigkeit können Astronomen mithilfe ungefähr gleich heller und somit als kosmische Entfernungsanzeiger dienender Sternexplosionen messen. „Es ist, als ob man herausfinden wollte, wie viele Zylinder ein Motor hat, indem man beobachtet, wie das Auto beschleunigt“, sagt Peter Garnavich von der University of Notre Dame, Indiana, der auf der Jagd nach solchen Supernovae ist. Noch schwieriger: Es lässt sich nicht einmal ausschließen, dass sich die Dunkle Energie im Lauf der Zeit ändert – dass also, um in der Analogie zu bleiben, unter der Motorhaube des expandierenden Universums manche Zylinder an- oder abgeschaltet werden. Trotzdem ist die kosmische Dynamik einfach zu beschreiben, sogar ohne genaue Kenntnisse der zugrunde liegenden Physik – schlicht mit der Zustandsgleichung der Dunklen Energie. Sie lautet p = r w. Darin spielt der Parameter w, die „repulsive Kraft“, die entscheidende Rolle. w bezeichnet das Verhältnis des Drucks p der räumlich homogen verteilten Dunklen Energie zu ihrer Energiedichte r. Es gilt also: w = p /r. Wenn es gelingt, w genau zu messen, wird sich der Dunkle Schleier des neuen Weltenäthers zu lüften beginnen.

Das seit langem vertraute Szenario ist w = –1. Dafür steht die bereits von Albert Einstein eingeführte und Lambda genannte Kosmologische Konstante. Später hat er sie irrtümlich als die „ größte Eselei“ seines Lebens widerrufen – „doch ist der Geist einmal aus der Flasche, kriegt man ihn nicht wieder rein“, sagt der Kosmologe Hans-Joachim Blome. „Die Kosmologische Konstante ist ein nicht ohne weitere physikalische Argumente eliminierbarer Teil der Einstein-Gleichungen, worauf bereits der Kosmologe George Lemaître in den zwanziger Jahren hingewiesen hat“, erläutert der Professor an der Fachhochschule Aachen. „Die Frage ist nur, welchen Wert sie hat. Das muss man messen.“

Unklar ist freilich, wofür Lambda mit seinem negativen, wie Antigravitation wirkenden Druck genau steht. Viele Forscher bringen sie mit der Energie des Vakuums in Verbindung. Das Problem dabei: Die Quantentheorie sagt dafür einen Wert voraus, der um den Faktor 10120 größer ist, als es die Beobachtungen erlauben. Das ist die gewaltigste Diskrepanz in der gesamten Theoretischen Physik. „Für viele Physiker ist die Kosmologische Konstante das letzte Rückzugsgebiet für Halunken“, karikiert Alexei V. Filippenko, Astronom an der University of California in Berkeley. Doch möglicherweise wird die Quantenvakuum-Energie von einer anderen Größe fast völlig ausgeglichen, so dass der geringe Überschuss uns heute als eine effektive Kosmologische Konstante erscheint. „Aber wie kommt es zu der Kompensation?“, fragt Blome. In einem Übersichtsvortrag an der Sternwarte der Universität Göttingen diskutierte er im Mai zahlreiche Optionen – mit dem ernüchternden Fazit: „Das Problem der Kosmologischen Konstante ist ungelöst.“

Trotzdem geht Blome wie die meisten Physiker davon aus, dass eine positive Kosmologische Konstante Lambda den Raum für immer auseinander treibt. Doch nicht einmal das ist mehr zwingend. Alexander Vilenkin zufolge kann Lambda nämlich in einigen Billionen Jahren gleichsam„umkippen“ (w würde dann +1), weil sich das von ihm postulierte Feld dahinter ändert und das Universum zum Big Crunch treibt. „Diese Vorhersage lässt sich freilich nicht so schnell überprüfen“, schmunzelt der Kosmologe an der Tufts University in Medford, Massachusetts.

Die Kosmologische Konstante ist nicht der einzige Kandidat für die Dunkle Energie. „Ist w nicht gleich –1, muss die Dunkle Energie noch etwas viel Seltsameres sein“, sagt Michael Turner. „ Das Problem der Kosmologischen Konstante führt zu einer Weggabelung: Der eine Pfad heißt, darauf zu warten, dass die Theoretiker die richtige Antwort finden. Der andere Pfad ist anzunehmen, dass nicht das Quantenvakuum, sondern etwas anderes mit negativem Druck die kosmische Expansion beschleunigt. Selbstverständlich befolgen wir Theoretiker den Rat des Baseballspielers Lawrence Peter (Yogi) Berra: Wenn Du an eine Weggabelung kommst, nimm sie!“

Einer dieser Wege könnte zu den so genannten topologischen Defekten führen: Verwerfungen in der Raumzeit, die sich schon in der Frühphase des Universums gebildet haben, als sich die elektroschwache Kraft in die heute getrennte schwache und elektromagnetische Wechselwirkung aufspaltete. Dabei könnten unterschiedliche Objekte entstehen:

• punktförmige magnetische Monopole,

• eindimensionale kosmische Strings,

• zweidimensionale Domänengrenzen oder

• dreidimensionale beziehungsweise delokalisierte Texturen.

Domänengrenzen beispielsweise kann man sich als gewaltige Mauern zwischen weit entfernten Raumregionen vorstellen, wobei diese Wälle aus „falschem Vakuum“ bestehen und eine extrem hohe Spannung besitzen. Topologische Defekte haben den Wert w = –2/3. Sie scheinen, wenn sie überhaupt existieren, sehr selten zu sein, denn sonst hätten Astrophysiker ihre Signaturen in der Kosmischen Hintergrundstrahlung wohl bereits entdeckt. „Das Modell wirkt gekünstelt“, kommentiert Christof Wetterich von der Universität Heidelberg. „Aber wir wissen so wenig, dass es im Augenblick sicherlich vernünftig ist, möglichst viele Modelle in Betracht zu ziehen.“

Unter Teilchenphysikern besonders populär sind „Quintessenz“ -Modelle mit w-Werten zwischen –1/3 und –1. Den Namen haben die amerikanischen Physiker Paul Steinhardt, Robert R. Caldwell und Rahul Dave in Anlehnung an den Äther gewählt, das fünfte Element in der Naturphilosophie des Aristoteles. Die Idee einer zeitlich veränderlichen Kosmologischen Konstante ist aber schon älter und geht auf den russischen Physiker Matvei P. Bronstein (1933) zurück. 1987 hatte sie Christof Wetterich neu in die Diskussion gebracht, um zu erklären – oder zu umgehen – warum die Kosmologische Konstante so klein ist. Er postulierte die Existenz eines neuen physikalischen Feldes, das er Kosmon nannte (im Rahmen der Stringtheorie heißt es inzwischen auch Dilaton oder Radion).

Die Quintessenz wirkt heute ähnlich wie die Kosmologische Konstante, nur nimmt ihre Energiedichte im Lauf der Zeit mit der kosmischen Expansion ab, war also früher höher. Über die Eigenschaften der aristotelischen Nachgeburt kann man im Augenblick nur Vermutungen anstellen, und Physiker haben bereits allerhand Varianten ersonnen – hypothetische rollende, drehende oder kinetische Skalarfelder mit Namen wie Eich-Quintessenz, Spintessenz und k-Essenz. Das alles ist noch ein ziemlich unbekanntes Land für die Physik – aber nicht völlige Spekulations-Spielwiese. „Immerhin sind einige Quintessenz-Modelle vor dem Hintergrund der heutigen Daten bereits in Ungnade gefallen“, sagt Christof Wetterich.

Wenn die Dunkle Energie nichts anderes als die Quintessenz sein sollte, dann ist das Schicksal des Universums vorläufig ungewiss. Beschleunigt sie die Expansion immer weiter, ist das Große Wimmern unvermeidlich. Doch sie könnte auch zerfallen und das All mit neuer Materie füllen. Oder sie ist die Erscheinungsform bislang unbekannter, sehr kleiner Dimensionen. Und wenn diese sich plötzlich aufblähen, wie Steven B. Giddings von der University of California in Santa Barbara überlegt, würde alles, was wir kennen, schlagartig zerstört sein.

Eine weitere Möglichkeit ist, dass das Quintessenz-Feld das Universum wieder in sich zusammenstürzen lässt. Vielleicht ist der Big Crunch sogar bloß eine Übergangsphase in einem ewigen Kreislauf aus Werden und Vergehen. Ein solches Zyklisches Universum favorisieren Paul Steinhardt und seine Mitstreiter (bild der wissenschaft 5/2002, „Ewige Wiederkehr“). Oder der Kollaps geschieht nur einmal und bedeutet das absolute, unwiderrufliche Ende von allem. Auf diese lange Zeit aus der kosmologischen Mode gekommene Möglichkeit sind Andrei Linde und seine Frau Renata Kallosh, beide Professoren an der kalifornischen Stanford University, gestoßen. Sie analysierten die Dunkle Energie im Rahmen von Theorien der Supergravitation, die eine einheitliche Beschreibung aller Naturkräfte anstreben und die Schwerkraft in die Quantentheorie zu integrieren versuchen. Das verblüffende Ergebnis: Unser Universum könnte schon in 20 Milliarden Jahren kollabieren. „Vor wenigen Jahren hätte niemand ernsthaft über das Ende des Universums in den nächsten 10 oder 20 Milliarden Jahren nachgedacht – und schon gar nicht nach der Entdeckung der beschleunigten Expansion“, sagt Linde. „Das ist die größte Überraschung: Wir könnten uns schon in der Mitte des kosmischen Lebenslaufs befinden, nicht an seinem Anfang. Wir mögen unfähig sein, unser Schicksal zu ändern – aber kennen wollen wir es doch.“ Wer weiß: Vielleicht kontrahiert das Universum bereits, aber wir merken es nicht, weil sich die Zeitrichtung umgedreht hat (bild der wissenschaft 12/2002, „Wenn die Zeit rückwärts läuft“).

Doch möglicherweise hat die Natur einen noch viel brachialeren Weltuntergang vorgesehen. Robert R. Caldwell vom Dartmouth College in Hanover, New Hampshire, sowie Marc Kamionkowski und Nevin K. Weinberg vom California Institute of Technology in Pasadena haben dieses Szenario erst vor ein paar Monaten entdeckt und sprechen melodramatisch vom „Big Rip“, dem „Großen Zerreißen“ . Auch dabei spielt die Dunkle Energie die Hauptrolle. Wenn in ihrer Zustandsgleichung der Wert w kleiner ist als –1, dann gibt es buchstäblich kein Halten mehr. Caldwell hat diese Form der Dunklen Energie – „einen ziemlich verrückten Stoff“ – Phantom-Energie genannt. Im Gegensatz zur Kosmologischen Konstante oder der Quintessenz, die die Ausdehnung des Universum beschleunigen – aber mit konstanter oder sogar abnehmender Rate –, lässt die Phantom-Energie die Expansionsrate immer weiter nach oben schnellen. „Die Ausdehnung wird so rasant, dass sie buchstäblich alles auseinander reißt.“ Denn die Energiedichte der Phantom-Energie wird in endlicher Zeit unendlich und übertrifft alle anderen Naturkräfte. Nichts kann ihr Paroli bieten, alles muss explodieren – von der größten Galaxie bis zum kleinsten Atomkern.

„Die Phantom-Energie ist nichts, was die Theoretiker erwartet haben. Doch bei unserem beschränkten Wissen ist es vernünftig zu fragen, mit welchen Folgen wir rechnen müssen“, sagt Caldwell. Und dies hat er mit seinen Kollegen inzwischen auch beantwortet. Wenn beispielsweise w den Wert –1,2 hat, dann verbleiben – bei dem gegenwärtig favorisierten Wert der Hubble-Konstante von etwa 70 Kilometer pro Sekunde und Megaparsec – noch 53 Milliarden Jahre bis zum Big Rip. Der Fahrplan der Vernichtung sähe dann folgendermaßen aus:

• Zunächst verschwinden die fernen Galaxienhaufen hinter unserem Beobachtungshorizont.

• In 52 Milliarden Jahren, eine Jahrmilliarde vor dem Big Rip, werden alle Galaxienhaufen auseinander gerissen.

• 60 Millionen Jahre vor dem Big Rip löst sich die Milchstraße auf. Ihre Sterne zerstreuen sich in der Unendlichkeit. Der Beobachtungshorizont beträgt aber noch immer über 200 Millionen Lichtjahre, so dass künftige Astronomen nicht nur das Ende ihrer eigenen Galaxie, sondern auch den Zerfall von benachbarten Sterneninseln studieren können.

• Drei Monate vor dem Big Rip verlieren die Planetensysteme ihren Zusammenhalt. Wenn die Erde dann noch um die tote Sonne kreist (was unwahrscheinlich ist – siehe bild der wissenschaft 11/2000, „Wenn die Sonne die Erde frisst“), wird sie durch die Phantom-Energie losgekettet. Und alle anderen Stern-Trabanten geraten ebenfalls in die kosmische Einsamkeit.

• Selbst Schwarze Löcher bleiben vom Big Rip nicht verschont. „ Alles, was noch nicht das Zentrum erreicht hat, wird herausgerissen“, sagt Caldwell. „Aber es gibt keine Rettung, denn anschließend wird die Materie selbst zerstückelt.“

• 30 Minuten vor dem Big Rip explodieren die Planeten. Alsbald gibt es keine makroskopischen Körper mehr. Doch die Saat der Vernichtung ist noch nicht vollständig aufgegangen.

• 10-19 Sekunden vor dem Big Rip bersten die Moleküle, dann die Atome, die Atomkerne und schließlich sogar die Bestandteile der Atomkerne: die Protonen und Neutronen. Vermutlich kommen schließlich neue physikalische Effekte ins Spiel – etwa die spontane Entstehung von Partikeln oder Extradimensionen sowie exotische String- und Quantengravitationseffekte.

„Jeder Beobachter sieht das Universum um sich herum immer schneller zusammenschrumpfen, letztlich bis zu einem Punkt“, schildert Caldwell lakonisch den Exitus. „Das sichtbare Universum erscheint kleiner und kleiner.“ Die Phantom-Energie ist mit allen bisherigen kosmologischen Daten vereinbar – ebenso wie die Quintessenz und die Kosmologische Konstante. Lawrence M. Krauss hat aus den Resultaten der Raumsonde WMAP (siehe vorigen Artikel) und dem Alter von Kugelsternhaufen errechnet, dass der wahrscheinlichste Wert von w zwischen –1,2 und –0,8 liegt. Das passt gut zu einer unabhängigen WMAP- und Supernovae-Datenanalyse von Caldwell und seinem Mitarbeiter Michael Doran. Die alles entscheidende Herausforderung besteht also darin, w präziser zu bestimmen. Messungen ferner Sternexplosionen mit Hilfe eines Forschungssatelliten namens SNAP (Supernova/ Acceleration Probe), dessen Start für das Jahr 2009 geplant ist, sollen dies in den nächsten zehn Jahren auf 5 Prozent genau schaffen. Vielleicht gelingt es bis dahin ja auch Woody Allen, sich besser in Chinatown zurecht zu finden.

KOMPAKT

• Es gibt drei Arten des Weltuntergangs: Kollaps (Big Crunch), Ausklang (Big Whimper) oder Explosion (Big Rip).

• Verantwortlich dafür ist eine kosmische Antigravitation, der Astrophysiker allmählich auf die Schliche kommen.

Rüdiger Vaas

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