DUNKLE ENERGIE: ALLES NUR ILLUSION? - wissenschaft.de
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DUNKLE ENERGIE: ALLES NUR ILLUSION?

Neue Überlegungen sorgen für Unruhe: Vielleicht ist die Dunkle Energie nur eine grandiose Täuschung – und die Kosmologen haben sich grundlegend verrechnet.

„Wir sind schon recht weit in den Weltraum vorgedrungen. Unsere nächste Nachbarschaft kennen wir gut. Aber mit zunehmender Entfernung schwindet unser Wissen, bis wir am fernsten dunklen Horizont unter schrecklichen Messfehlern nach Wegzeichen suchen“, hatte der amerikanische Astronom Edwin Powell Hubble in seinem letzten wissenschaftlichen Artikel geschrieben. „Die Suche wird weitergehen. Dieser Drang ist älter als die Geschichte. Er ist noch nicht gestillt, und er wird sich auch nicht unterdrücken lassen.“

Diese Worte sind über 70 Jahre alt, aber nach wie vor aktuell. Obwohl Astronomen viel weiter ins All blicken können, als es sich Hubble je erträumte, obwohl sie seine Messfehler korrigierten, und obwohl sie sogar über die erste Milliardstel Sekunde nach dem Urknall gut Bescheid wissen, ist der ferne Horizont noch dunkler geworden. Vielleicht muss das Weltbild sogar völlig umgekrempelt werden. Nicht einmal das „Kosmologische Prinzip“, zu Hubbles Zeiten bereits fest etabliert, bleibt unangetastet. Mit einer Mischung aus Faszination und Furcht mussten sich die Wissenschaftler in den letzten Jahren eingestehen: Unser Universum könnte ganz anders sein als bislang gedacht.

DAS KOSMOLOGISCHE PRINZIP

Hubble enthüllte einen Kosmos, der viel größer ist, als man damals wissen konnte. Mehr noch: Er entdeckte, dass sich der Weltraum ausdehnt. Dies war der erste Beobachtungshinweis darauf, dass unser All nicht ewig und unveränderlich ist, sondern mit einem Urknall entstanden war. Diese kosmische Dynamik hatten Mathematiker und Physiker schon einige Jahre vorher prognostiziert. Denn sie ergibt sich aus den Gleichungen der Relativitätstheorie unter plausiblen Annahmen. Das hatte bereits Albert Einstein geahnt, als er die Theorie erstmals auf das Universum als Ganzes anwandte – in seiner klassischen Arbeit „ Kosmologische Betrachtungen zur allgemeinen Relativitätstheorie“ von 1917. Trotzdem zögerte er damals, die Dynamik zu akzeptieren und tat dies erst, als weitere Berechnungen und auch Hubbles Entdeckungen dafür sprachen.

1917 hatte Einstein zudem eine wesentliche Vereinfachung eingeführt, die bis heute grundlegend geblieben ist, und die der englische Kosmologe Edward A. Milne 1933 explizit formuliert und als Kosmologisches Prinzip bezeichnet hat. Es besagt, dass das Universum im Großen und Ganzen gleich beschaffen ist und kein Beobachter eine besondere Stellung im All hat, also auch nicht ein irdischer Astronom. Genauer gesagt: Das Kosmologische Prinzip nimmt an, dass die Materie im großen Maßstab in alle Richtungen gleichförmig (isotrop) und überall gleichartig (homogen) verteilt ist. Isotropie und Homogenität sind zwei voneinander unabhängige Bedingungen. Denn im Prinzip könnte das Universum sphärisch symmetrisch, aber inhomogen sein (mit uns im Zentrum). Oder es könnte homogen und zugleich anisotrop sein. Erscheint es aber isotrop von mindestens zwei verschiedenen Orten aus, dann ist es auch homogen.

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Wenn das Kosmologische Prinzip gilt, vereinfachen sich Einsteins Feldgleichungen – ein Ungetüm aus zehn gekoppelten, nichtlinearen partiellen Differenzialgleichungen mit vier Variablen – enorm. Dann genügen die von dem russischen Mathematiker Alexander Friedmann 1922 und 1924 erstmals beschriebenen Lösungen: zwei unabhängige gewöhnliche Differenzialgleichungen. Sie enthalten neben einigen Naturkonstanten nur eine einzige Variable, den „Skalenfaktor“, der die Größe des Universums und dessen Veränderung beschreibt.

Schon wegen der mathematischen Einfachheit wurde das Kosmologische Prinzip von den Wissenschaftlern seither häufig vorausgesetzt, verwendet und geschätzt. Aber das beweist nicht seine Gültigkeit. Und da es nicht aus einer fundamentalen physikalischen Theorie zwingend ableitbar ist, muss es sich als empirische Tatsache unserer Welt bewähren. Anders gesagt: Beobachtungen müssen es bestätigen.

KRÄUSELUNGEN IM OZEAN DES ALLS

Tatsächlich ist es schon eine kühne Abstraktion von Einstein & Co., die ganze Vielfalt der Materie als gleichförmige „ Flüssigkeit“ oder homogenen „Staub“ zu modellieren. Aber auf sehr großen Skalen sollten sich alle kleinräumigen Unterschiede herausmitteln, das heißt für die Dynamik des Universums als Ganzes keine Rolle spielen. Auf den ersten Blick – und in der historischen Rückschau – ist diese kosmische Durchschnittsbildung keineswegs evident. Im Gegenteil: Materie verklumpt sich. Planeten, Sonnensysteme, Galaxien und Galaxienhaufen sind lokale Verdichtungen – Inseln in der Leere. Selbst auf Skalen von Millionen Lichtjahren ist das Universum eindeutig inhomogen. Die Expansion des Universums ist zudem nicht überall gleich, sondern scheint im Umkreis von 130 Millionen Lichtjahren um bis zu zehn Prozent zu variieren. Die meisten Kosmologen betrachten dies freilich nur als lokale und statistische Phänomene – als irrelevante Kräuselungen oder zufälliges Wellenspiel im trägen, einförmigen kosmischen Ozean.

Das stärkste Argument für die Isotropie und Homogenität ist die Gleichförmigkeit der Kosmischen Hintergrundstrahlung. Dieses Nachleuchten des Feuerballstadiums vom Urknall stammt aus der Zeit, als das Universum nur 380 000 Jahre alt war. Messungen zeigen: Die Temperatur dieser Mikrowellenstrahlung ist überall am Himmel nahezu identisch. Die Abweichungen überschreiten nirgendwo 0,001 Prozent. Und da die Strahlung die Dichte des Plasmas kurz nach dem Urknall widerspiegelt, war auch die Urmaterie auf 0,001 Prozent genau homogen verteilt. (Für Experten: Die Dunkle Materie war um das 10- bis 100-Fache klumpiger.) Aus diesen winzigen Dichteschwankungen hat die Schwerkraft im Lauf der Jahrmilliarden die Sterne und Galaxien geschaffen.

Auf Skalen von 0,5 bis 1 Milliarde Lichtjahre kommt die mutmaßliche Homogenität noch immer zum Tragen. Erst hier beginnt die großräumige Struktur des Universums aufzuscheinen: Gigantische Ketten und Wände von Superhaufen aus Tausenden einzelner Galaxien gruppieren sich um riesige Leerräume. Im größten Maßstab gleicht die Verteilung der sichtbaren – und unsicht- baren – Materie einem lockeren Schwamm: Die Schwamm-Wände entsprechen den Galaxiensuperhaufen, die Löcher den Leerräumen mit typischen Durchmessern von einigen Dutzend bis wenigen Hundert Millionen Lichtjahren. Ihr Anteil beträgt über 50 Prozent des Volumens. Allerdings ist das letzte Wort dazu noch nicht gesprochen. Und so lange die aktuellen Himmelsdurchmusterungen nicht abgeschlossen sind, müssen Astronomen sich auf Überraschungen einstellen. Tatsächlich hängen bereits dunkle Wolken am kosmischen Horizont.

DIE ACHILLES-FERSE

Denn es ist keineswegs sicher, dass das Kosmologische Prinzip gilt. Die Materieverteilung könnte ungleichförmiger sein als bislang gedacht. Und die Schwamm-Struktur der Galaxienverteilung könnte sich als Achilles-Ferse am gegenwärtigen Standardmodell der Kosmologie erweisen. Dass die Friedmann-Gleichungen eine starke Vereinfachung darstellen, haben die Forscher selbstverständlich nicht vergessen. Immer wieder arbeiteten Theoretiker an Verfeinerungen. Eine wichtige Untersuchung hat George Ellis von der Universität Kapstadt in Südafrika schon 1984 veröffentlicht. Der frühere Kollege von Stephen Hawking entdeckte, dass die „Mittelwert-Bildung“ der Friedmann-Gleichungen womöglich zu viele kosmische Details unter den Teppich kehrt. Seither wurden zu diesem Thema zahlreiche weitere Analysen veröffentlicht. Drei Hauptprobleme bereiten den Forschern Kopfzerbrechen:

· Ist die mathematische „Mittelung“ über die Inhomogenitäten der schwammförmigen Galaxienverteilung wirklich noch im Rahmen erträglicher Fehlertoleranz? Ellis und seine Kollegen sind da skeptisch. Sie befürchten, dass die Kosmologen seit Jahrzehnten schlicht falsch rechnen, weil sie von irrigen Voraussetzungen ausgehen und unangemessene Gleichungen verwenden.

· Und selbst wenn die Dynamik stimmt, könnte sich Licht in einem klumpigen Universum anders ausbreiten als angenommen.

· Außerdem ist nicht erwiesen, dass unser Beobachtungsort im All typisch ist. Wir könnten in einer großen Region mit unterdurchschnittlicher Dichte leben.

DIE DUNKLE ENERGIE – EINE ILLUSION?

Das klingt alles ziemlich kompliziert – und das ist es auch. Den Kosmologen bleibt daher nichts anderes übrig, als ihre Prämissen sorgfältig zu erforschen (siehe Kasten „Kosmologische Prinzipien und Provokationen“). Das heißt einerseits, die Modelle und Theorien genauer auszuloten. Und andererseits nach neuen Wegen zu suchen, sie mit Beobachtungen zu überprüfen und eine Alternative nach der anderen zu widerlegen. Das alles ist kein Glasperlenspiel, sondern von weltumfassender Bedeutung. Fällt das Kosmologische Prinzip, löst das einen Domino-Effekt aus – mit unabsehbaren Folgen. Das erste und prominenteste Opfer auf der Schlachtbank der Hypothesen könnte die ominöse Dunkle Energie sein. Gemäß dem gegenwärtigen Standardmodell der Kosmologie beschleunigt sie die Ausdehnung des Weltraums seit sechs Milliarden Jahren. Doch wenn das Kosmologische Prinzip nicht gilt, ist der Schluss von den astronomischen Messungen auf eine immer schneller werdende Ausdehnung nicht mehr zwingend. Die Dunkle Energie könnte eine Täuschung wahrhaft kosmischen Ausmaßes sein (bild der wissenschaft 6/2006, „Ist die Dunkle Energie eine Illusion?“). Leben wir in einem gigantischen kosmischen Hohlraum, könnte das die Dunkle Energie nur vorgaukeln. In Wirklichkeit würde unsere weite Umgebung vielleicht nur deshalb schneller expandieren als die noch fernere, weil sie weniger Masse enthält und „von außen“ gleichsam an ihr gezerrt wird.

HOHLRÄUME UND SCHWEIZER KÄSE

Wenn wir inmitten eines großen Leerraums leben, müsste sich die kosmische Expansion nicht beschleunigen, sondern nur langsamer abbremsen als weiter entfernt. Materie „versucht“ den Raum ja zusammenzuhalten – mit geringerem Erfolg, wenn weniger vorhanden ist. Dies hätte zur Folge, dass ferne Sternexplosionen lichtschwächer wirken, weil ihre Strahlung einen längeren Weg zurücklegt. Um mit den Messungen in Einklang zu stehen, müsste der Leerraum zwei bis zehn Milliarden Lichtjahre groß sein – also wesentlich voluminöser als die bekannten Löcher im Schwamm der Galaxiensuperhaufen. Die Milchstraße dürfte nicht weiter als 50 Millionen Lichtjahre vom Zentrum des Leerraums entfernt sein – oder sie müsste sich genau dorthin bewegen –, weil sonst die Hintergrundstrahlung nicht so gleichförmig wäre, wie gemessen. Beides ist wenig wahrscheinlich. Außerdem ist völlig unklar, wie ein so großer Leerraum überhaupt hätte entstehen können. Trotzdem lässt sich das Szenario, das etwa Kenji Tomita von der Universität von Kyoto und Marie-Noëlle Célérier vom Observatoire de Paris-Meudon ausgearbeitet haben, nicht einfach vom Tisch fegen.

Auch ein Universum, das wie ein Schweizer Käse aufgebaut ist, also aus sehr vielen großen Leerräumen besteht, könnte die Dunkle Energie vorgaukeln. Dazu haben etwa Tirthabir Biswas und Alessio Notari von der McGill University in Montreal Modelle entwickelt. Der „Käse“ unterscheidet sich nicht qualitativ, aber quantitativ vom üblichen „Schwamm“. Freilich müssten die Leerräume mindestens 100 Millionen Lichtjahre groß sein, oder wir müssten direkt durch die Mitte vieler solcher hintereinander liegender Höhlungen blicken. Andernfalls gäbe es Widersprüche zu den Messungen der Supernovae. Und Wessel Valkenburg, RWTH Aachen, hat mit Computersimulationen der Hintergrundstrahlung jüngst weitere Schwierigkeiten offenbart. Sie ist viel zu gleichförmig, um der Mehrheit der Kosmologen den Käse schmackhaft zu machen.

KOSMISCHE RÜCKSTÖSSE

Doch nicht nur die Struktur, sondern auch die Dynamik des Universums bereitet Probleme. Denn die Leerräume, ob groß oder klein, haben eine Rückwirkung auf die Expansion. Und das wird von der Durchschnittsbildung der Friedmann-Gleichungen nicht erfasst. Ist der Effekt groß genug, hätten die Kosmologen schlicht mit den falschen Gleichungen gearbeitet. Ob die Rückwirkungen diese Bedeutung haben, ist umstritten. Prominente Kosmologen wie Edward Kolb von der University of Chicago machten sich dafür stark, mussten aber heftige Kritik einstecken. Uroš Seljak von der Universität Zürich, Christopher M. Hirata vom California Institute of Technology und andere fuhren schwere mathematische Geschütze auf – mit einigem Erfolg. Doch möglicherweise sind die Rückwirkungen ohnehin nur die halbe Wahrheit. „Bislang wurde kaum beachtet, dass unsere kosmologischen Messungen lediglich von einem Punkt im Raum ausgeführt werden, sodass wir eben keine Mittelwerte messen“, betont David Wiltshire von der University of Canterbury in Neuseeland. „Wenn es jedoch große Inhomogenitäten gibt, dann variiert auch die kosmische Geometrie. Und deshalb kann die Eichung unserer Uhren und Maßstäbe von den Durchschnittswerten abweichen. Wenn man das nicht berücksichtigt, können wir keine zuverlässigen Schlüsse aus den kosmischen Mittelungen ziehen.“

Dunkle Energie ohne Dunkle Energie

Wiltshire argumentiert sogar, dass wir keinen typischen Platz einnehmen. Denn wir leben in einer Galaxie, doch im All überwiegen Leerräume. In den Galaxien findet keine Expansion des Raums statt – die Materie verhindert das. Lichtstrahlen aus großen Distanzen „spüren“ die inhomogene Materieverteilung. Unter dem Einfluss der Gravitation in Galaxienhaufen verlangsamen sich die Signale etwas. Und diese kleinen Effekte, die durch die Relativitätstheorie beschrieben werden, schaukeln sich im Lauf der Zeit auf. Wiltshire malt sich daher eine kosmische Landschaft unterschiedlicher lokaler Zeitabläufe aus. Diese „Zeitschaft“, wie er sie nennt, hat drastische Konsequenzen: „Eine davon ist Dunkle Energie ohne Dunkle Energie. Die Gravitationsenergie- und Krümmungs-Gradienten gaukeln die Dunkle Energie in der Zeitschaft des inhomogenen, von Leerräumen dominierten Universums nur vor.“ Andere Konsequenzen betreffen die kosmischen Parameter. So müsste, vom Bezugssystem einer Galaxie aus betrachtet, das Universum eine Milliarde Jahre älter sein. Und der Wert der Hubble-Konstante, die die Ausdehnungsrate beschreibt, läge 15 Prozent unter der gegenwärtig favorisierten Zahl. Mit solchen ketzerischen Argumenten stößt Wiltshire unter seinen Kollegen nicht gerade auf große Gegenliebe. Doch die Zeitschaft ist ernst zu nehmen. Und der Neuseeländer hat einige Möglichkeiten zur Überprüfung seines Modells vorgeschlagen.

Es ist zurzeit völlig offen, ob die aktuelle Kritik das Standardmodell mit der Dunklen Energie zu Fall bringen wird. Doch Konkurrenz belebt das wissenschaftliche Geschäft. Und sie motiviert viele Forscher, ihre Voraussetzungen und Schlussfolgerungen zu überdenken. So ist das Kosmologische Prinzip nicht länger eine – beinahe philosophische – Annahme, sondern wird jetzt überprüft: vor allem mit genaueren Vermessungen von Hintergrundstrahlung, Galaxienverteilung und Sternexplosionen. Bereits wenige Hundert ferne Supernovae dürften genügen, um zwischen der Dunklen Energie und den meisten Leerraum-Szenarien zu entscheiden. Atome in Urgalaxien lassen sich als „Thermometer“ nutzen, um die Temperatur der Hintergrundstrahlung in großen Distanzen auszuloten. Die Ausdehnungsraten und Atomkern-Häufigkeiten in entlegenen Himmelsregionen werden in einigen Jahren bekannt sein. Und Elektronen im heißen Gas ferner Galaxienhaufen werden als „ Spiegel“ dienen, um von anderen Orten im All Kunde zu erhalten und so gleichsam aus neuen Beobachtungswinkeln die Homogenität des Kosmos zu überprüfen.

„Wir messen Schatten“, schrieb Edwin P. Hubble 1935. „Wir suchen mit gespenstischen Messfehlern.“ Astrophysiker hoffen, bald aus diesem Schatten der begrenzten Daten herauszutreten und die Gespenster zu vertreiben. Doch niemand weiß, was zum Vorschein kommt, wenn sich das Dunkel am Horizont lichtet. ■

von Rüdiger Vaas

Kosmologische Prinzipien und Provokationen

Die beschleunigte Ausdehnung des Weltraums ist nur möglich – oder aber wird vorgetäuscht –, wenn mindestens eine der drei folgenden Annahmen verletzt ist.

(1) Die Starke Energiebedingung: Die Dichte r und der Druck p gehorchen folgenden Gleichungen (c ist die Lichtgeschwindigkeit): rc2 + 3p > 0 und rc2 + p > 0. Diese Bedingung erfüllt die Dunkle Energie nicht – und deshalb hat sie eine antigravitative Wirkung.

(2) Die Allgemeine Relativitätstheorie als die richtige Beschreibung der großräumigen Struktur des Universums: Verschiedene Hypothesen zu einer „Modifizierten Schwerkraft“ bestreiten dies. Dazu zählen Variationen der Stringtheorie mit zusätzlichen Raum-Dimensionen. Manche Hypothesen ersetzen die Dunkle Energie völlig, andere deuten sie als Nebeneffekt neuer Felder oder der anderen Dimensionen.

(3) Das Kosmologische Prinzip: Das Universum ist isotrop und homogen (Grafik rechte Seite, oben). Nur dann kann das Universum im Rahmen der Allgemeinen Relativitätstheorie angemessen beschrieben werden: mit den einfachen Friedmann-Gleichungen. Messungen haben die Isotropie gut bestätigt, doch wenn die Materie sehr inhomogen verteilt ist, lassen sich die Gleichungen nicht anwenden.

Eine Verletzung von (1) und (2) bedeutet eine neue Physik. (2) erfordert sogar eine neue Theorie. (1) hingegen hält nur bis dahin „unphysikalische“ Lösungen einer Theorie für real. (3) verletzt weder bekannte Naturgesetze wie (2) noch bestimmte Einschränkungen davon wie (1). Allerdings bricht (3) mit einer bewährten und grundlegenden Annahme der modernen Kosmologie sowie einer wichtigen philosophischen Grundeinstellung: dem Kosmologischen und dem Kopernikanischen Prinzip. Letzteres besagt, dass wir keine Sonderstellung im All haben. Das Kosmologische Prinzip ist dafür eine notwendige Bedingung, aber keine hinreichende. Es ist beispielsweise in den „Schweizer Käse“ – und „Zeitschaft“-Szenarien verletzt (siehe Haupttext), das Kopernikanische Prinzip dagegen nicht. Nur das „Leerraum“ -Szenario setzt auch dieses außer Kraft.

KOMPAKT

· Falls die Materieverteilung im All sehr inhomogen sein sollte, hätte der Weltraum eine ganz andere Dynamik als bislang angenommen. Er wäre älter – und alle exotische Physik unnötig.

· Womöglich leben wir an einem besonderen Ort im Weltraum und dürfen unsere Messungen nicht verallgemeinern.

WIE GLEICHFÖRMIG IST DIE WELT?

Wenn das Universum überall gleichartig ist, dann ist es homogen. Wenn es in allen Richtungen gleich aussieht, ist es isotrop. Homogenität und Isotropie sind zwei voneinander unabhängige Bedingungen. Dem Kosmologischen Prinzip zufolge sind aber beide für unsere Position im All erfüllt (rechts). Das wäre eine Täuschung, wenn wir an einem untypischen Ort leben (eingekreist, Mitte). Dann könnte uns das Universum homogen erscheinen, obwohl es nur isotrop ist. Das hätte gravierende Folgen für die Kosmologie.

Wenn das All wie ein Schweizer Käse wäre …

… dann würden die Supernova-Helligkeiten nicht durch die Wirkung der Dunklen Energie abgeschwächt, sondern durch Gravitationslinsen-Effekte. Allerdings schließen die Temperaturabweichungen der Kosmischen Hintergrundstrahlung – in unserem Universum nur etwa plus/minus 0,001 Prozent – einen „ Schweizer Käse“ mit Hohlräumen größer als 100 Millionen Lichtjahre aus. Die Simulationen von Wessel Valkenburg zeigen Temperaturkarten der Hintergrundstrahlung des ganzen Himmels für Universen mit Löchern von etwa 1,1 (oben), 2,9 (Mitte) und 5,7 Milliarden Lichtjahren Durchmesser (unten).

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prä|kli|nisch  〈Adj.; Med.〉 1 vor dem Klinikaufenthalt anzuwenden (von Medikamenten) 2 klinisch nicht manifestiert (von Krankheitssymptomen) ... mehr

Jod|ka|li|um  〈n.; –s; unz.; Chem.; veraltet〉 = Kaliumjodid

Des|oxi|da|ti|on  〈f. 20; Chem.〉 Entzug von Sauerstoff aus einer chem. Verbindung [<lat.–frz. des– ... mehr

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