Rätselhafte dunkle Energie

Was ist „dunkle Energie“? Einfach ist die Frage nicht zu beantworten, denn genau wissen es die Forscher bis heute nicht.

Ein Modell der Ausdehnung des Universums

Ein Modell der Ausdehnung des Universums: links der Urknall, rechts die „Entwicklungsschritte“ des Alls. Bild: NASA/Wikimedia Commons

Die Theorie von der dunklen Energie entstand, weil Wissenschaftler eine bisher unerklärbare Kraft beobachteten, die unser Universum verändert. Diese Kraft drängt die Galaxien immer weiter und weiter voneinander weg und führt dazu, dass sich das Universum immer schneller ausdehnt. Für diese Entdeckung wurde den Astrophysikern Saul Perlmutter, Brian P. Schmidt und Adam Riess der Physiknobelpreis 2011 verliehen.

Das Universum dehnt sich seit dem Urknall aus

Vor 14 Milliarden Jahren entstand mit einem riesigen Knall unser Universum. Wissenschaftler glauben, dass das ganze Universum einmal die Grösse eines Sandkorns hatte. Das Universum muss unglaublich heiss und sehr dicht gewesen sein. Nach dem Urknall dehnte es sich aus und kühlte dramatisch ab. Atome und Moleküle entstanden. Die Anziehungskraft (Gravitation) formte die Masse in immer grössere Klumpen zu Sternen, Planeten und Galaxien, wie wir sie heute kennen.

Die Gravitationskraft wirkt zwischen Massen: Sie ziehen sich an

Sogar während sich das Universum immer weiter ausdehnt, hält die Gravitationskraft alles zusammen. Die Gravitationskraft ist umso stärker, je grösser eine Masse ist und je näher die Massen beieinander sind. Jedes Stück Masse im Universum zieht alle anderen an.

In den 20er Jahren berechneten die Astronomen, dass das Universum genug Masse (und also genug „Zugkraft“) hat, um die Ausdehnung zu verlangsamen. Es ist aber nicht genug Masse vorhanden, um die Ausdehnung zu stoppen oder sogar umzukehren. So sollte sich das Universum immer weiter, aber immer langsamer ausdehnen.

Lässt sich die Ausdehnung des Universums messen?

Die Ausdehnungsgeschwindigkeit des Universums lässt sich berechnen, und genau das wurde Ende der 1990er Jahre getan. Die Forscher wollten messen, wie stark sich das Universum bereits verlangsamt hat. Dazu beobachteten sie eine spezielle Art von explodierenden Sternen – sogenannte Supernovae vom Typ 1a. Solche Supernovae werden als Referenz Standardkerze zur Distanzenmessung im All verwendet. Das kannst du dir ähnlich vorstellen, wie wenn du in einer weiten Landschaft verschiedene Menschen beobachtest: Du weisst, wie gross ein Mensch etwa ist, und kannst deshalb abschätzen, wie weit er entfernt ist – egal, ob er in einer Wiese oder neben einem riesigen Baum steht.

Infrarotaufnahme von Überresten einer Supernova vom Typ 1a

Eine Supernova lässt sich nur während kurzer Zeit beobachten, aber ihre Überreste (Staub, Gas und Teilchenwolken) bleiben länger sichtbar. Dieses Bild zeigt eine Infrarotaufnahme solcher Überreste einer Supernova vom Typ 1a. Bild: NASA/CXC/JPL-Caltech/Calar Alto O. Krause et al.

Die Supernovae 1a sind zu weit weg!

Solche Supernovae zu beobachten, war eine grosse Herausforderung: Der Schimmer der explodierenden Sterne ist nämlich nur für einen kurzen Zeitraum sichtbar. Astronomen machten über mehrere Jahre Messungen mit den besten Teleskopen der Welt.

Aber als die Messungen endlich komplett waren, ergaben die Berechnungen der Forscher keinen Sinn: Die Supernovae waren nicht so hell, wie sie hätten sein müssen! Das konnte nur heissen, dass sie weiter weg sind, als man erwartet hatte. Und das wiederum bedeutet, dass die Ausdehnung des Universums sich vermutlich beschleunigt und nicht bremst!

Immer schneller immer grösser

Aber was könnte die Ursache für diese Beschleunigung des Universums sein? Die Gravitationskraft kann es nicht sein, da diese die Masse immer zusammenzieht und nie auseinandertreibt. Die Physiker waren von den Resultaten schockiert. Was war diese dunkle Kraft? Die Forscher glaubten ihren eigenen Resultaten nicht.

Dunkle Energie wirkt „antigravitiv”

Wissenschaftler erklären das Phänomen heute so: Nach dem Urknall begann sich das Universum auszudehnen. Weil alle Masse so nah zusammen war, wirkte eine starke Gravitationskraft, die das Universum stetig verlangsamte. Im Hintergrund war und ist aber immer die mysteriöse dunkle Energie, die der Gravitation entgegenwirkt. Während sich das Universum immer weiter ausdehnt, wird die Gravitation zwischen den weit entfernten Massen immer schwächer. In diesem fast leeren Raum mit kaum Masse und Gravitation scheint jedoch irgendwann die dunkle Energie überhandzunehmen, so dass die Ausdehnung des Universums sich wieder beschleunigt.

E=mc2

Albert Einsteins berühmte Gleichung E=mc2 (Energie ist gleich Masse mal Lichtgeschwindigkeit im Quadrat) lehrt uns, dass Masse und Energie eigentlich verschiedene Formen vom Gleichen sind. Ein gigantisches Beispiel davon sehen wir jeden Tag: die Sonne. Die Sonne wird durch die Umwandlung von Masse zu Energie angetrieben.

Relativitätstheorie und Quantenmechanik – wo ist der Zusammenhang?

Einsteins Theorie der Gravitation (auch „allgemeine Relativitätstheorie“ genannt) kann von der Bewegung der Planeten bis hin zur Physik der schwarzen Löcher praktisch alle astrophysikalischen Phänomene erklären. Aber es scheint, dass diese Physik für den atomaren und subatomaren Grössenbereich nicht gültig ist – also für Vorgänge, an denen Teilchen von der Grösse eines Atoms (oder kleiner) beteiligt sind. Um vorauszusagen, wie sich solche winzigen Partikel verhalten, braucht es die Quantenmechanik. Die Quantenmechanik jedoch lässt sich wiederum nicht auf eine grössere Ebene anwenden.

Möglicherweise könnte die dunkle Energie beide Theorien vereinen

Was wir wissen, ist folgendes: Der Raum ist überall, und überall, wo Raum ist, ist dunkle Energie. Der Effekt der dunklen Energie wird grösser, je mehr sich der Raum ausdehnt. Im Gegensatz dazu wird die Gravitationskraft stärker, je näher die Dinge zusammen sind (und schwächer, je weiter die Dinge voneinander entfernt sind). Weil die Gravitation schwächer wird, je mehr sich das Universum ausdehnt, ist inzwischen zwei Drittl aller Energie des Universums dunkle Energie.

Wir wissen nicht, woraus der grösste Teil unseres Universums genau besteht!

Die dunkle Energie zeigt uns eine grosse Wissenslücke in unserem Verständnis der Physik. Möglicherweise funktioniert das Universum ganz anders, als wir es uns bisher vorgestellt haben. Es wäre also gut möglich, dass uns der grösste Durchbruch in der Physik noch bevorsteht.

Du willst noch mehr wissen über dunkle Energie?

Web-Tipp: Dunkle Energie – Texte und Animationen auf einer Website der NASA (englisch)
Buchtipp: „Die Rätsel des Universums” von Gerhard Staguhn

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