Was den Weltraum auseinandertreibt - wissenschaft.de
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Astronomie+Physik

Was den Weltraum auseinandertreibt

Kosmologen rätseln über die Dynamik des Alls. Was steckt hinter der ominösen Dunklen Energie?

„Es ist ungeheuer aufregend, die schon in der Antike gestellten philosophischen Fragen heute mit experimentellen Mitteln anzugehen“, sagt Saul Perlmutter vom Lawrence Berkeley National Laboratory, der Leiter des „Supernova Cosmology Project“ . Mit Messungen ferner Sternexplosionen hat der Astrophysiker 1998 erstmals nachgewiesen, dass sich der Weltraum zurzeit immer schneller ausdehnt. Zusammen mit Brian Schmidt und Adam Riess vom konkurrierenden „High-Z Supernova Search Team“, das mit unabhängigen Messungen zum selben Ergebnis kam, wurde Perlmutter 2006 dafür mit dem Shaw-Preis für Astronomie ausgezeichnet, dem „ Nobelpreis des Ostens“: Von dem Stifter, dem Kino- und TV-Produzenten Run Shaw, erhielten die Forscher im September in Hongkong zusammen eine Million Dollar. Schon im Juli hatte Perlmutter 315 000 Dollar für seine Entdeckung bekommen – so hoch ist der italienische Antonio-Feltrinelli-Preis dotiert.

Und die Entdeckung ist jeden einzelnen Dollar wert. Denn kein anderes wissenschaftliches Ergebnis der letzten zehn Jahre hat unser Bild vom All und seiner Zukunft stärker revolutioniert. Vor 1998 waren fast alle Astronomen der Meinung, dass sich der Weltraum entweder immer langsamer ausdehnt, irgendwann die Sterne verlöschen und die Materie zerfällt– oder dass die Schwerkraft der Materie die Expansion sogar in einigen Dutzend Jahrmilliarden stoppt und das große Schrumpfen beginnt, bis das Universum in einem Endknall vergeht.

Doch nun ist alles anders. Eine verwirrende Vielfalt von Entwicklungsmöglichkeiten beschäftigt die Fantasie und die analytischen Rechnungen der Kosmologen: • Die seit fünf Milliarden Jahren beschleunigte Ausdehnung könnte immer so weitergehen. • Sie könnte sich aber auch verlangsamen oder sogar umdrehen.

• Oder sie könnte oszillieren – oder so rasant werden, dass sie alles zerreißt, auch die Bausteine der Atome.

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Was geschieht, hängt von der Natur der mysteriösen Dunklen Energie ab, die nach der Mehrheit der Kosmologen für die beschleunigte Expansion verantwortlich ist. Sie besitzt einen negativen Druck und wirkt deshalb abstoßend wie eine Antischwerkraft. Da sie so gleichförmig verteilt ist, dass Experimente mit Hochenergie-Teilchenbeschleunigern nicht weiterhelfen, sind die Physiker hier auf die Astronomen angewiesen. Es geht vor allem darum herauszufinden, wie sich die Geschwindigkeit der kosmischen Ausdehnung in den letzten 13,7 Milliarden Jahren seit dem Urknall verändert hat.

Die einfachste Erklärung der Dunklen Energie wäre: Sie ist identisch mit der ominösen Kosmologischen Konstante, die Albert Einstein 1917 im Rahmen seiner Allgemeinen Relativitätstheorie eingeführt hat. Demnach wäre die Energiedichte der Dunklen Energie für alle Zeiten gleich. Das hieße, dass die beschleunigte Expansion niemals mehr aufhört.

Fast alle bisherigen astronomischen Daten sind mit dieser Annahme vereinbar. Dazu gehört die Temperaturverteilung der Kosmischen Hintergrundstrahlung aus der Frühzeit des Universums, die die Raumsonde WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) hochgenau gemessen hat. Auch die Entwicklung und großräumige Verteilung der Galaxienhaufen, die von der Ausdehnung des Alls beeinflusst wird, spricht für die Existenz der Dunklen Energie und ließe sich mit der Kosmologischen Konstante erklären. Ein weiteres Indiz sind schwache Gravitationslinseneffekte, die die Ausrichtung von Galaxien um 0,1 bis 2 Prozent verändern. Dieser „ Weak Lensing“-Effekt ist nur statistisch nachweisbar und erfordert Daten von Tausenden bis Millionen Galaxien. Erstmals geglückt ist sein Nachweis im Jahr 2000, aber für zuverlässige Schlussfolgerungen reichen die bisherigen Daten nicht aus.

Die bislang genaueste Messung stammt vom „Supernova Legacy Survey“ (SNLS). Diese Durchmusterung wurde im Sommer 2003 von einem internationalen Astronomenteam um Pierre Astier von der Universität Paris begonnen und läuft bis 2008. Inzwischen wurden dabei schon mehr als 200 Supernovae entdeckt. Eine Analyse der ersten 71 ergab: Seit acht Milliarden Jahren, als das beobachtbare Universum nur halb so groß war wie heute, ist die Dichte der Dunklen Energie im wesentlichen konstant geblieben. Vorsichtiger gesagt: Im Rahmen der Messgenauigkeit lässt sich ausschließen, dass sie sich um mehr als 20 Prozent geändert hat. „ Die Entdeckungsrate des SNLS ist größer als die aller anderen Forschergruppen, aber es gibt ein halbes Dutzend Artikel mit demselben Ergebnis“, kommentiert Adam Riess vom Space Telescope Science Institute in Baltimore, Maryland, etwas neidisch. Freilich basieren diese anderen Studien auf der Kombination unterschiedlicher Messungen, während die Daten des SNLS aus einem Guss sind. „Das gibt uns ein höheres Vertrauen in das Resultat“, sagt SNLS-Teammitglied Saul Perlmutter.

Für einigen Wirbel sorgte Anfang des Jahres ein Vortrag von Bradley Schaefer auf der Tagung der American Astronomical Society in Washington, DC. Der Astronom von der Louisiana State University in Baton Rouge glaubt, Indizien dafür zu haben, dass die Dichte der Energie sich im Lauf der Zeit verändert hat, was gegen die Kosmologische Konstante spräche. Schaefer stützt sich auf die Messungen von Gammastrahlen-Ausbrüchen (Gamma-Ray Bursts, GRBs). Das sind vermutlich ultraenergetische Explosionen supermassereicher Sterne in der Frühzeit des Universums. Da sie hundert Mal heller als normale Supernovae leuchten, lassen sie sich über größere Entfernungen als diese beobachten. Schaefer hat 52 GRBs analysiert. Die zwölf fernsten – Distanz: fast 13 Milliarden Lichtjahre – sind heller als man erwarten müsste, wenn die Dichte der Dunklen Energie konstant wäre. Schaefer schließt daraus, dass das Universum vor fast 13 Milliarden Jahren wesentlich langsamer expandierte als heute – und als es eine Kosmologische Konstante zuließe. Womöglich wirkte die Dunkle Energie damals wie die Schwerkraft anziehend, nicht abstoßend.

Wenn das stimmt, wäre es eine Sensation. „Aber es ist zu früh, um GRBs als Standardkerzen zu verwenden“, warnt der GRB-Experte Dale Frail vom National Radio Astronomy Observatory in New Mexico. Die Helligkeitsunterschiede der GRBs seien viel zu unsicher und auch theoretisch zu wenig verstanden. Adam Riess sieht es genauso: „Wir haben keinen einzigen GRB in der Nähe beobachtet und deshalb keine Basismessung ihrer absoluten Helligkeit und Distanz.“

„Es ist wie beim Münzwerfen: Zwölf Mal Kopf nacheinander spricht gegen den Zufall“, verteidigt sich Schaefer. Um die GRB-Helligkeiten zu eichen und somit ihre Distanzen zuverlässig abzuschätzen, hat er fünf verschiedene Eigenschaften der GRBs berücksichtigt, beispielsweise ihre Helligkeitsveränderungen, und insgesamt 172 Entfernungsdaten errechnet. Doch er räumt ein, dass die Datenlage verwirrend ist – und erst recht die Erklärung.

Mehr und bessere Messungen sind nötig. Und die kommen auch: Der NASA-Satellit Swift, seit November 2004 im Orbit, findet im Schnitt zwei GRBs pro Woche – einer blitzte sogar in seine Teleskope, als Schaefer gerade einen Vortrag hielt. „In den nächsten zwei Jahren wird Swift wohl 50 GRBs finden, die für die Analyse geeignet sind“, sagt Swift-Chefwissenschaftler Neil Gehrels vom Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland. „ Das wird die Datenbasis verdoppeln und einen guten Test von Schaefers faszinierendem Ergebnis ermöglichen.“

Aber auch die Methoden der fernen Sternexplosionen, der Gravitationslinsen und der Galaxienhaufen sind noch lange nicht ausgereizt. Derzeit forcieren Astronomen mehrere Projekte, um die Messungenauigkeiten unter zehn Prozent zu drücken. Und bis 2009 soll die Finanzierung der „Joint Dark Energy Mission“ von der NASA und dem Departement of Energy gesichert sein – eines Forschungssatelliten, der mit Hilfe der Supernovae und anderer Methoden die Kosmologische Konstante auf den Prüfstand stellen wird. ■

Rüdiger Vaas

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