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Allgemein

Titelthema – Bis in alles Ewigkeit: Neue Beweise für ein explodierendes All

Triumph für Einsteins „Eselei“: Das Universum ist wahrscheinlich unendlich groß, und es wird sich ewig ausdehnen – sogar immer schneller, wie neue Messungen besagen. Das ist eine überraschende Wiedergeburt von Albert Einsteins mysteriöser Kosmologischer Konstante, in der zwei Drittel der Energie des Weltalls stecken soll.

Von zwei Zahlen hängt das Schicksal des Universums ab: von der Hubble-Konstante, die angibt, wie schnell sich das Universum ausdehnt, und von dem Bremsparameter, der die Verlangsamung dieser Expansion im Lauf der Zeit beschreibt. Wird die Ausdehnung des Alls in alle Ewigkeit anhalten oder wird sie von der Schwerewirkung der Materie eines Tages gestoppt und umgekehrt, so daß das Universum in sich zusammenstürzt und in einem Endknall verschwindet?

„Kosmologie: die Suche nach zwei Zahlen“, lautete auch der Titel eines wissenschaftlichen Artikels aus dem Jahr 1970. Verfasser ist Allan Sandage von den Observatorien der Carnegie Institution in Washington im kalifornischen Pasadena und Nachfolger von Edwin Hubble, der 1929 entdeckt hat, daß das Universum expandiert. Sandage hat einen großen Teil seines Forscherlebens diesen beiden Zahlen gewidmet.

Nach Jahrzehnten beharrlicher Arbeit mit den größten Teleskopen, nach der Entwicklung immer raffinierterer Beobachtungsmethoden und einem ständigen Zuwachs an Meßgenauigkeit und -empfindlichkeit zeichnet sich jetzt die Antwort ab: Das Universum wird sich für immer weiter ausdehnen – und es ist wahrscheinlich unendlich groß. Die Sensation aber ist: Die Expansion verlangsamt sich nicht, wie aufgrund der Bremswirkung der Materie zu erwarten wäre, sondern sie beschleunigt sich sogar! Eine unbekannte Kraft, die wie eine Antigravitation wirkt, treibt das Weltall auseinander.

Die ersten Veröffentlichungen zu diesem Ergebnis wurden von bild der wissenschaft (1/1999, „Expansion in die Ewigkeit“) als wichtigste astronomische Entdeckung 1998 gewürdigt und von der amerikanischen Fachzeitschrift Science in einer Cover-Story sogar zum „Durchbruch des Jahres“ erklärt. Neuere Messungen bestätigen diese Einschätzung. Der renommierte Kosmologe Michael Turner von der University of Chicago hat nun sogar einen vielbeachteten, richtungweisenden Fachartikel veröffentlicht, der den kühnen Titel trägt: „Sind die Probleme der Kosmologie gelöst? Gut möglich!“ Die Schlüsselrolle bei den neuen Messungen spielt eine bestimmte Art von Sternexplosionen in fernen Galaxien. Sie heißen Supernovae vom Typ Ia und sind überdimensionale Wasserstoffbomben. Sie zünden, wenn die Masse eines Weißen Zwergsterns über einen kritischen Wert wächst, weil er einem Nachbarstern Materie entreißt. Da die absolute – das heißt entfernungsunabhängige – Leuchtkraft der beobachtbaren Explosionstrümmer kaum schwankt und sich sehr genau messen läßt, können die Supernovae als kosmischer Maßstab verwendet werden. Die Astronomen sprechen von „Standardkerzen“.

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„Standardbomben wäre der treffendere Ausdruck“, meint Sandage, der als erster begonnen hatte, mit den Sternexplosionen den Weltraum zu vermessen. Kennt man nämlich ihre absolute Leuchtkraft, läßt sich anhand ihrer beobachtbaren Helligkeit die Veränderung der Expansionsrate im Lauf der Äonen bestimmen. Und das erlaubt wiederum Rückschlüsse auf die Dichte der im Weltall vorhandenen Materie.

„1988 begannen wir, systematisch nach solchen Supernovae zu suchen“, sagt Gerson Goldhaber vom kalifornischen Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL). Er ist Mitglied des international besetzten Supernova Cosmology Project, das von Saul Perlmutter vom LBNL geleitet wird. Goldhaber hatte lange Zeit als Teilchenphysiker gearbeitet und war unter anderem an der Entdeckung des Charm-Quarks beteiligt, eines der elementaren Bausteine der Materie.

Von der Erforschung des Allerkleinsten hat er sich nun dem Allergrößten zugewandt, dem Universum. „So groß ist der Unterschied zwischen den Themen gar nicht“, schmunzelt er. „In beiden Fällen geht es darum, die entscheidenden Informationen aus großen Datenmengen herauszufiltern.“

1995 hat das Supernova Cosmology Project Konkurrenz bekommen: High-Z Supernova Search nennt sich das andere Astronomenteam (High-Z bedeutet: starke Rotverschiebung – und damit große Entfernung). „Nur im Tandem werden wir Ergebnisse finden, die alle überzeugen können“, meint Brian Schmidt vom Australian National Observatory, der Leiter dieser ebenfalls international besetzten Truppe. „Der zweite zu sein ist in unserem Forschungsgebiet so wichtig wie der erste.“ Beide Forschergruppen setzen die leistungsfähigsten Teleskope für ihre kosmische Spurensuche ein: Observatorien in Chile, Arizona, auf Teneriffa und Hawaii sowie das Hubble-Weltraumteleskop. Der große Aufwand ist notwendig, denn Ia-Supernovae sind sehr selten – nur etwa alle 300 Jahre ereignet sich eine in jeder größeren Galaxie.

Nur wenn man viele Galaxien im Visier hat, ist die Chance groß, immer wieder irgendwo eine zu finden. Deshalb werden in einer Nacht Dutzende von Schnappschüssen zur Supernovae-Suche gemacht. Jeder zeigt mehrere tausend Galaxien auf einer Fläche von ungefähr der Größe des Vollmonds. Jede Region wird eine halbe Stunde später noch einmal fotografiert, um die störenden Effekte von Meßfehlern, kosmischen Strahlen oder durchs Blickfeld gewanderten Planetoiden zu eliminieren. Drei Wochen danach nimmt das jeweilige Teleskop dieselben Himmelsregionen erneut ins Visier. Dann müssen die Bilder rasch mit denen vor drei Wochen verglichen werden, was hauptsächlich Computer erledigen. Supernovae, die in der Zwischenzeit aufgeflammt sind, machen sich als neue Lichtfleckchen bemerkbar.

Erfolgversprechende Kandidaten werden daraufhin vom Hubble-Weltraumteleskop oder von den 10-Meter-Keck-Teleskopen auf Hawaii ins Visier genommen. Jetzt sind Spektroskopie und Photometrie gefordert, um die Rotverschiebung der Sternexplosion und – über Monate hinweg – ihre Helligkeitsentwicklung zu messen. Ein Jahr nach der Entdeckung einer Supernova, wenn ihr Nachleuchten verloschen ist, müssen die Astronomen noch einmal deren Galaxie fotografieren. Die Aufnahme dient als Vergleichsgröße, die subtrahiert wird, um die Helligkeit der Supernova zu errechnen. Die ganze Prozedur ist sehr aufwendig. Doch bis heute konnten die Wissenschaftler Daten von über hundert Supernovae sammeln. Die Hälfte davon ist bereits ausgewertet. Perlmutters Team hat schon begonnen, sie nach Komponisten zu benennen, um nicht die Übersicht zu verlieren. Der Entfernungsrekordhalter wurde erst vor wenigen Monaten entdeckt und „Tomaso Albinoni“ getauft. Seine Distanz: über acht Milliarden Lichtjahre.

Inzwischen haben die Astronomen genügend Indizien für weitreichende Schlußfolgerungen. „Wir sind in heftiger Übereinstimmung“, scherzt Perlmutter mit Blick auf die Konkurrenz. Denn beide Forschungsteams kamen unabhängig voneinander und mit verschiedenen Supernovae zu denselben Ergebnissen: Der Bremsparameter reicht nicht aus, um die Expansion des Universums zu stoppen und umzukehren. Das Universum enthält nicht genug Masse, um irgendwann in sich zusammenzustürzen. Es wird sich also in alle Ewigkeit ausdehnen. Das von vielen Kosmologen aus theoretischen Gründen bevorzugte „Grenzfall“-Modell ist widerlegt. Es nahm an, daß die mittlere Materiedichte des Universums so hoch ist wie die kritische Dichte an der Scheidelinie zwischen Kollaps und ewiger Ausdehnung. Außerdem sprechen die neuen Messungen dafür, daß das Universum unendlich groß ist – und nicht nur grenzenlos, aber räumlich endlich wie beispielsweise die Oberfläche einer Kugel, die einen endlichen Flächeninhalt, aber keine Grenzen hat, weil sie in sich selbst zurückläuft. Doch die Ergebnisse der kosmischen Ermittlung verraten noch mehr: Ferne Sternexplosionen sind lichtschwächer, als sie selbst bei einer konstanten Expansionsrate sein dürften. Das bedeutet: Sie sind weiter entfernt, als angenommen. Daraus folgt, daß die Ausdehnung des Weltraums seit einigen Milliarden Jahren nicht langsamer, sondern schneller geworden ist.

„Als ich das zum ersten Mal aus unseren Meßdaten ablas, wollte es mir keiner glauben“, erinnert sich Gerson Goldhaber. Die Suche nach Sandages beiden Zahlen ist wie ein Weltraumkrimi, in dem es zwar keine Morde aufzuklären, aber sehr wohl Tatbestände zu ermitteln gilt und in dem die kosmischen Kommissare mit viel Geduld, Geschick und nicht selten List versuchen, die Natur zu überführen und ihr Geheimnisse zu entlocken. Und nun tritt eine neue Figur im Detektivspiel auf: der große Unbekannte. Die Beschleunigung der Expansion kann nämlich nur dadurch erklärt werden, daß eine ominöse Größe heute das Universum dominiert und es immer schneller auseinandertreibt: die Kosmologische Konstante.

Sie wurde 1917 von Albert Einstein eingeführt, aber später wieder verworfen (siehe Kasten rechts: „Die Quintessenz: Leben mit Lambda“).

Die neuen Beobachtungen legen jedoch nahe, daß die Kosmologische Konstante einen positiven Wert hat, also nicht Null ist, wie seit Einsteins Rückzieher die meisten Kosmologen angenommen haben. Sie enthält ungefähr doppelt soviel Energie wie die gesamte sichtbare und unsichtbare Masse des Universums und wirkt als eine Art Antigravitation. Sie gibt dem Schwung des Urknalls gleichsam neue Kraft – und zwar überall.

Noch ist das Ergebnis nicht hieb- und stichfest, denn ein systematischer Fehler könnte die Astronomen foppen: Die bisherige Stichprobe könnte nicht repräsentativ sein. Oder vielleicht erscheinen die Supernovae lichtschwächer, als sie wirklich sind, weil eine graue, unbekannte Sorte von Staub ihr Licht verschluckt, oder weil die Masse von Vordergrundobjekten ein Teil ihres Lichts ablenkt – ein Phänomen, das Einstein als Gravitationslinseneffekt beschrieben hat. Außerdem könnten die Supernovae früher weniger hell gewesen sein, falls ihre chemische Zusammensetzung stark von näher gelegenen abwich.

Doch für keinen dieser Einwände gibt es eine gute Begründung. „Selbst wenn wir alle systematischen Fehler großzügig abschätzen und annehmen, sie würden die Messungen durch einen bösen Zufall alle in dieselbe Richtung treiben, können wir nicht ohne die Kosmologische Konstante auskommen“, sagt Peter Nugent vom LBNL. Und so räumen die meisten Forscher inzwischen ein – manche zähneknirschend -, daß die Kosmologische Konstante nicht mehr mit einem Handstreich eliminiert werden kann, wie Albert Einstein noch dachte, sondern den Löwenanteil der Gesamtenergie des heutigen Universums stellt. Charles Lineweaver von der University of New South Wales in Sidney versucht mit einer bodenständigen Metapher eine kosmische Bestandsaufnahme: „Vergleicht man das Universum mit einem Cappuccino, dann ist der Kaffee die seltsame Vakuum-Energie. Die ebenso rätselhafte Dunkle Materie ist die Milch. Und die Planeten, Sterne und Galaxien sind das Schokoladenpulver auf dem Schaum.“

Wie so häufig in der Wissenschaft wird auch hier eine Antwort mit noch schwierigeren Fragen bezahlt. Jetzt müssen die Forscher nämlich herausfinden, was es mit Einsteins ominöser Kosmologischen Konstante physikalisch eigentlich auf sich hat. Wodurch wird diese globale Eigenschaft der Raumzeit erzeugt? „Keine Ahnung“, sagt Gerson Goldhaber und zuckt mit den Achseln. „Ich habe mit vielen Theoretikern gesprochen, aber niemand kennt des Rätsels Lösung.“

Es bleibt also spannend: Zwar scheint ein wesentlicher Tatbestand des Weltraumkrimis aufgeklärt, doch der große Unbekannte hüllt sich in Schweigen. Die kosmischen Detektive haben somit bereits den nächsten – und noch viel schwierigeren – Fall auf dem Schreibtisch.

Fortsetzung folgt.

Die Quintessenz: Leben mit Lambda

Nachdem Albert Einstein 1916 seine Allgemeine Relativitätstheorie publiziert hatte, war das theoretische Werkzeug vorhanden, um das Universum als Ganzes mathematisch zu beschreiben. Das tat er 1917 – und mußte überrascht feststellen, daß der Weltraum ihm gleichsam unter der Hand zusammenzustürzen oder auseinanderzufliegen drohte. Dieses Rechenergebnis paßte nicht ins damalige Weltbild. Entsetzt versuchte Einstein die plötzliche Dynamik zu vermeiden – durch „eine naheliegende, mit dem Relativitätspostulat vereinbare Erweiterung“, wie er schrieb. Er fügte den Gleichungen eine Korrekturgröße an: die Kosmologische Konstante, abgekürzt mit dem griechischen Buchstaben Lambda. Sie hatte die Funktion, „eine quasi-statische Verteilung der Materie zu ermöglichen“ – also den Raum in Ruhe zu halten. Einstein stellte sie sich als geometrische Eigenschaft der Raumzeit vor, die wie eine Art Antigravitation die Schwerkraft der Materie gerade ausglich.

Doch selbst mit der Kosmologischen Konstante kann der Weltraum sich ausdehnen oder zusammenziehen. Das ergaben alsbald Berechnungen von Willem de Sitter und Alexander Friedmann. Und selbst Einsteins statische Lösung erwies sich als instabil – kleinste Störungen wie ein Husten könnten das Kräftegleichgewicht aus der Balance bringen. Die Relativitätstheorie läßt offenbar ein stabiles, unveränderliches Universum nicht zu. „Wenn schon keine quasi-statische Welt, dann fort mit dem kosmologischen Glied“, schrieb Einstein 1923 deshalb verärgert an den Mathematiker Hermann Weyl. Und als Edwin Hubbles Beobachtungen bewiesen, daß der Weltraum gar nicht statisch ist, sondern expandiert, bezeichnete Einstein die Kosmologische Konstante 1931 als „die größte Eselei“ seines Lebens. Seither wurde Lambda von den meisten Astronomen kurzerhand gleich Null gesetzt und von manchen sogar als „häßlich“ verunglimpft. Einfach streichen läßt sie sich zwar nicht, weil sie bei einer strengen Herleitung der Einsteinschen Feldgleichungen aus physikalischen Grundprinzipien folgt, wie später erkannt wurde. „Vom Standpunkt der logischen Ökonomie“ galt sie jedoch als „verwerflich“, wie Einstein noch 1954 schrieb.

Nur wenige Astronomen, beispielsweise Wolfgang Priester von der Universität Bonn, warnten davor, Lambda vorschnell zu verwerfen. Die neuen Beobachtungen geben ihm Recht. „Wir haben jetzt erstmals ein stimmiges Bild“, sagt Michael Turner von der University Chicago (siehe Astronomie heute, „Kosmischer Zahlenpoker“). Doch die Kosmologen freuen sich auf Kosten der Teilchenphysiker. Die haben jetzt den Schwarzen Peter und müssen erklären, was es mit Lambda auf sich hat. Was ist die Natur der Kosmologischen Konstante? Kann sie zeitlich variieren? Und warum liegt ihr Wert heute in derselben Größenordnung wie die mittlere Materiedichte (rund 10-29 Gramm pro Kubikzentimeter)?

Zwar schreibt das Standardmodell der Elementarteilchen dem Vakuum eine Energiedichte zu, bedingt durch ein brodelndes Gewaber von Partikeln, die gemäß der Heisenbergschen Unschärferelation kurzfristig entstehen und sofort wieder vergehen. Aber das macht das Ganze nur noch rätselhafter. Denn das Standardmodell sagt einen Lambda-Wert voraus, der um mindestens 10120 über dem tatsächlichen liegt – „die gravierendste Diskrepanz in der gesamten Geschichte der Naturwissenschaft“, wie der Nobelpreisträger Steven Weinberg lakonisch bemerkt.

„Strecken Sie Ihre Hand aus, und schauen Sie auf Ihre Finger. Der Raum dazwischen würde sich, wenn Lambda so groß wäre, wie es die Quantentheorie nahelegt, so rasch ausdehnen, daß das Licht, das Ihre Hand reflektiert, niemals Ihre Augen erreichen könnte“, verdeutlicht Lawrence Krauss von der University in Cleveland das Dilemma.

Robert Caldwell und Paul M. Steinhardt von der University of Pennsylvania bringen eine ominöse neue Art von Energie ins Spiel, die sie augenzwinkernd „Quintessenz“ nennen – nach dem Namen, den Aristoteles vor über 2300 Jahren für den von ihm vermuteten Äther geprägt hat, den er für das feinste und wichtigste Element hielt. Kurioserweise hat Einstein Lambda 1920 als den „neuen Äther der Relativitätstheorie“ bezeichnet. Er war mit seiner „größten Eselei“ nicht nur seiner Zeit, sondern sogar sich selbst voraus.

Rüdiger Vaas

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