NASA Science Mission Directorate (Deutsch)

In den frühen 1990er Jahren war eine Sache ziemlich sicher, was die Expansion des Universums angeht. Es mochte genug Energiedichte haben, um seine Expansion zu stoppen und wieder zusammenzufallen, es mochte so wenig Energiedichte haben, dass es nie aufhören würde zu expandieren, aber die Schwerkraft war sicher, die Expansion mit der Zeit zu verlangsamen. Zugegeben, die Verlangsamung war nicht beobachtet worden, aber theoretisch musste sich das Universum verlangsamen. Das Universum ist voller Materie und die Anziehungskraft der Schwerkraft zieht alle Materie zusammen. Dann kam das Jahr 1998 und die Beobachtungen des Hubble Space Telescope (HST) von sehr weit entfernten Supernovae, die zeigten, dass sich das Universum vor langer Zeit tatsächlich langsamer ausdehnte als heute. Die Expansion des Universums hat sich also nicht aufgrund der Schwerkraft verlangsamt, wie alle dachten, sondern beschleunigt. Niemand erwartete dies, niemand wusste, wie man es erklären sollte. Aber irgendetwas verursachte es.

Schließlich kamen die Theoretiker mit drei Arten von Erklärungen an. Vielleicht war es eine Folge einer lange verworfenen Version von Einsteins Gravitationstheorie, die eine sogenannte „kosmologische Konstante“ enthielt. Vielleicht gab es eine seltsame Art von Energie-Fluid, das den Raum füllte. Vielleicht stimmt etwas mit Einsteins Gravitationstheorie nicht und eine neue Theorie könnte eine Art Feld enthalten, das diese kosmische Beschleunigung erzeugt. Die Theoretiker wissen immer noch nicht, was die richtige Erklärung ist, aber sie haben der Lösung einen Namen gegeben. Sie wird Dunkle Energie genannt.

Was ist Dunkle Energie?

Mehr ist unbekannt als bekannt. Wir wissen, wie viel dunkle Energie es gibt, weil wir wissen, wie sie die Expansion des Universums beeinflusst. Ansonsten ist es ein komplettes Rätsel. Aber es ist ein wichtiges Rätsel. Es stellt sich heraus, dass etwa 68% des Universums dunkle Energie ist. Dunkle Materie macht etwa 27% aus. Der Rest – alles auf der Erde, alles, was jemals mit all unseren Instrumenten beobachtet wurde, alle normale Materie – macht weniger als 5% des Universums aus. Wenn man darüber nachdenkt, sollte man sie vielleicht gar nicht als „normale“ Materie bezeichnen, da sie einen so kleinen Teil des Universums ausmacht.

Dieses Diagramm zeigt die Veränderungen der Expansionsrate seit der Geburt des Universums vor 15 Milliarden Jahren. Je flacher die Kurve ist, desto schneller ist die Expansionsrate. Die Kurve ändert sich merklich vor etwa 7,5 Milliarden Jahren, als die Objekte im Universum begannen, schneller auseinanderzufliegen. Astronomen theoretisieren, dass die schnellere Expansionsrate auf eine mysteriöse, dunkle Kraft zurückzuführen ist, die Galaxien auseinander zieht.

Credit: NASA/STSci/Ann Feild

Eine Erklärung für die dunkle Energie ist, dass sie eine Eigenschaft des Raums ist. Albert Einstein war der erste, der erkannte, dass der leere Raum nicht das Nichts ist. Der Raum hat erstaunliche Eigenschaften, von denen viele gerade erst begonnen haben, verstanden zu werden. Die erste Eigenschaft, die Einstein entdeckte, ist, dass es möglich ist, mehr Raum entstehen zu lassen. Dann macht eine Version von Einsteins Gravitationstheorie, die Version, die eine kosmologische Konstante enthält, eine zweite Vorhersage: Der „leere Raum“ kann seine eigene Energie besitzen. Da diese Energie eine Eigenschaft des Raums selbst ist, würde sie nicht verdünnt werden, wenn sich der Raum ausdehnt. Je mehr Raum entsteht, desto mehr von dieser Energie des Raumes würde erscheinen. Infolgedessen würde diese Form der Energie dazu führen, dass sich das Universum immer schneller ausdehnt. Leider versteht niemand, warum es die kosmologische Konstante überhaupt geben sollte, geschweige denn, warum sie genau den richtigen Wert haben sollte, um die beobachtete Beschleunigung des Universums zu verursachen.

Dieses Bild zeigt die Verteilung von dunkler Materie, Galaxien und heißem Gas im Kern des fusionierenden Galaxienhaufens Abell 520. Das Ergebnis könnte eine Herausforderung für die grundlegenden Theorien der dunklen Materie darstellen.

Eine andere Erklärung dafür, wie der Raum Energie erhält, stammt aus der Quantentheorie der Materie. In dieser Theorie ist der „leere Raum“ eigentlich voller temporärer („virtueller“) Teilchen, die sich ständig bilden und wieder verschwinden. Aber als Physiker versuchten zu berechnen, wie viel Energie dies dem leeren Raum geben würde, kam die Antwort falsch heraus – falsch um viel. Die Zahl kam auf das 10120-fache zu groß heraus. Das ist eine 1 mit 120 Nullen dahinter. Es ist schwer, eine so schlechte Antwort zu bekommen. Das Rätsel geht also weiter.

Eine andere Erklärung für die dunkle Energie ist, dass es sich um eine neue Art von dynamischem Energiefluid oder -feld handelt, etwas, das den ganzen Raum ausfüllt, dessen Wirkung auf die Expansion des Universums aber das Gegenteil von der der Materie und der normalen Energie ist. Einige Theoretiker haben dies „Quintessenz“ genannt, nach dem fünften Element der griechischen Philosophen. Aber wenn Quintessenz die Antwort ist, wissen wir immer noch nicht, wie sie beschaffen ist, mit was sie interagiert oder warum sie existiert. Das Rätsel geht also weiter.

Eine letzte Möglichkeit ist, dass Einsteins Gravitationstheorie nicht korrekt ist. Das hätte nicht nur Auswirkungen auf die Expansion des Universums, sondern auch auf das Verhalten der normalen Materie in Galaxien und Galaxienhaufen. Diese Tatsache würde eine Möglichkeit bieten, zu entscheiden, ob die Lösung für das Problem der dunklen Energie eine neue Gravitationstheorie ist oder nicht: Wir könnten beobachten, wie sich Galaxien in Haufen zusammenfinden. Aber wenn sich herausstellt, dass eine neue Gravitationstheorie nötig ist, was für eine Theorie wäre das? Wie könnte sie die Bewegung der Körper im Sonnensystem korrekt beschreiben, wie es Einsteins Theorie bekanntlich tut, und uns trotzdem die andere Vorhersage für das Universum geben, die wir brauchen? Es gibt Kandidaten-Theorien, aber keine ist überzeugend. Das Rätsel geht also weiter.

Das, was benötigt wird, um zwischen den Möglichkeiten der dunklen Energie – einer Eigenschaft des Raums, einer neuen dynamischen Flüssigkeit oder einer neuen Theorie der Gravitation – zu entscheiden, sind mehr Daten, bessere Daten.

Was ist dunkle Materie?

Durch die Anpassung eines theoretischen Modells der Zusammensetzung des Universums an die kombinierten kosmologischen Beobachtungen sind die Wissenschaftler auf die oben beschriebene Zusammensetzung gekommen: ~68% dunkle Energie, ~27% dunkle Materie, ~5% normale Materie. Was ist dunkle Materie?

Wir sind uns viel sicherer, was dunkle Materie nicht ist, als wir sind, was sie ist. Erstens ist sie dunkel, was bedeutet, dass sie nicht in der Form von Sternen und Planeten vorliegt, die wir sehen. Die Beobachtungen zeigen, dass es viel zu wenig sichtbare Materie im Universum gibt, um die geforderten 27% ausmachen zu können. Zweitens liegt sie nicht in Form von dunklen Wolken aus normaler Materie vor, Materie, die aus Teilchen besteht, die Baryonen genannt werden. Wir wissen das, weil wir in der Lage wären, baryonische Wolken durch ihre Absorption von Strahlung, die durch sie hindurchgeht, zu erkennen. Drittens ist dunkle Materie keine Antimaterie, weil wir die einzigartige Gammastrahlung, die bei der Annihilation von Antimaterie mit Materie entsteht, nicht sehen können. Schließlich können wir große, galaxiengroße Schwarze Löcher aufgrund der Anzahl der Gravitationslinsen, die wir sehen, ausschließen. Hohe Materiekonzentrationen beugen das Licht von weiter entfernten Objekten, die in ihrer Nähe vorbeiziehen, aber wir sehen nicht genug Linsenereignisse, um zu vermuten, dass solche Objekte den geforderten Beitrag von 25% dunkler Materie ausmachen.

Eine der kompliziertesten und dramatischsten Kollisionen zwischen Galaxienhaufen, die je gesehen wurden, ist in diesem neuen zusammengesetzten Bild von Abell 2744 eingefangen. Das Blau zeigt eine Karte der gesamten Massenkonzentration (hauptsächlich dunkle Materie).

Zum jetzigen Zeitpunkt gibt es jedoch noch einige Möglichkeiten für dunkle Materie, die in Frage kommen. Baryonische Materie könnte immer noch die dunkle Materie ausmachen, wenn sie alle in Braunen Zwergen oder in kleinen, dichten Brocken aus schweren Elementen gebunden wäre. Diese Möglichkeiten sind als massive kompakte Halo-Objekte, oder „MACHOs“, bekannt. Die gängigste Ansicht ist jedoch, dass die dunkle Materie gar nicht baryonisch ist, sondern aus anderen, exotischeren Teilchen wie Axionen oder WIMPS (Weakly Interacting Massive Particles) besteht.

Neue Entdeckungen