Geheimnisvolle Dunkle Energie

Astronomie Das Universum hält mehr bereit, als der Mensch durch bloßes Anschauen erfassen kann.
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Sterne leuchten – genauer gesagt senden sie Licht aus, welches unsere Netzhaut in Sinnesreize umwandeln kann. Die Wechselwirkung der Photonen mit den Teilchen, aus denen wir bestehen, macht dies möglich. Doch das Universum hält mehr bereit, als der Mensch durch bloßes Anschauen erfassen kann. Es scheint nämlich, dass zu allen Sternen und Galaxien unseres Universums noch einmal die fünffache Menge an durchsichtiger Materie hinzukommt .

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Da sie nicht leuchtet, bezeichnen die Astronomen sie als Dunkle Materie. Als Entdecker der Dunklen Materie gilt der Astronom Fritz Zwicky (1898 – 1974). Seine Ende der 1920er Jahre mit dem Schmidt-Teleskop am Mount Wilson durchgeführten Untersuchungen der Dynamik von Galaxien ergaben erste Hinweise auf einen erheblichen Anteil an nichtleuchtender Materie. Dabei hatte Zwicky vermutlich nicht durchsichtige, sondern einfach nichtleuchtende normale Materie im Sinn. Heute weiß man aber, dass die von Zwicky geforderte Dunkle Materie in der Tat nur sehr schwach mit gewöhnlicher Materie in Wechselwirkung steht. Ja, gäbe es die Gravitation nicht, so wüssten wir nicht das Geringste von ihrer Existenz. Und während sie diese Zeilen lesen, könnten Sie durch eine Mauer aus Dunkler Materie rasen, Sie würden es nicht merken. Nichtsdestoweniger verrät sich Dunkle Materie durch ihre Anziehungskraft. Man könnte sagen, der Gravitation entgeht nichts.

Welche geheimnisvolle Kraft führt dazu, dass das Universum mit zunehmender Geschwindigkeit expandiert? Ist dafür tatsächlich eine Dunkle Energie verantwortlich, die bis zu drei Vierteln der Energiedichte des Universums ausmacht oder weisen die Daten auf einen grundsätzlichen Fehler in der Theorie der Schwerkraft hin? Eine neue Untersuchung, in der die Bewegung von Tausenden weit entfernter Galaxien bestimmt wurde, unterstützt nun die Dunkle Energie-These.

Das Universum dehnt sich aus - und wird dabei immer schneller. Über die Ursache dieser beschleunigten Expansion rätseln die Forscher seit deren Entdeckung vor zehn Jahren. Treibt eine geheimnisvolle Dunkle Energie das All auseinander? Oder stimmt gar die Gravitationstheorie nicht? Ein internationales Astronomen-Team hat jetzt die Verteilung und die Eigenbewegungen Tausender weit entfernter Galaxien gemessen. Diese Methode entpuppte sich als Prüfstein für die Modelle der kosmischen Expansion. Die Wissenschaftler berichten über ihre Ergebnisse in der aktuellen Ausgabe der WissenschaftszeitschriftNature.

Die Astronomen unter Leitung von Luigi Guzzo, Gastwissenschaftler an den Max-Planck-Instituten für extraterrestrische Physik und für Astrophysik in Garching, haben Milchstraßensysteme in einem Raum von 25 Millionen Kubiklichtjahren unter die Lupe genommen und dabei mehr als 13.000 Spektren von Galaxien gewonnen. Weil das Licht eine bestimmte Zeit benötigt, um eine kosmische Distanz zu durchlaufen, nehmen wir ferne astronomische Objekte so wahr, wie sie früher ausgesehen haben.

Das Alter der untersuchten, schwach glimmenden und sehr weit entfernten Galaxien beträgt rund sieben Milliarden Jahre. Das Weltall als Ganzes ist etwa doppelt so alt. Bei solch gewaltigen Abständen von mehreren Milliarden Lichtjahren macht sich die sogenannte kosmologische Rotverschiebung deutlich bemerkbar: Seit dem Urknall vor knapp 14 Milliarden Jahren dehnt sich der Raum aus - die Galaxien treiben darin auseinander wie die Rosinen in einem aufgehenden Hefeteig. Dabei werden die Lichtwellen "gedehnt" und erscheinen langwellig, also rot.

Diese Rotverschiebung zeigt sich im Galaxienspektrum und gibt einen Hinweis auf die Entfernung, wobei gilt: je größer die Rotverschiebung, desto größer die Entfernung. In der Natur weisen die Galaxien aber zusätzlich zur allgemeinen Fluchtbewegung mehr oder weniger starke Eigenbewegungen auf. Diese rühren von Materiekonzentrationen her, deren Schwerkraft die einzelnen Sternsysteme beeinflussen. Misst man die Bewegungen vieler Galaxien in einem großen Raumwürfel, lässt sich daraus eine dreidimensionale Karte des Universums erstellen. Eine derartige Karte zeigt die Verteilung der Galaxien und ihre statistischen Eigenbewegungen zu einem bestimmten Zeitpunkt in der Vergangenheit und gibt auf diese Weise Aufschluss über den Stand der Strukturbildung. Denn seit dem Urknall haben sich aus winzigen Dichtefluktuationen bis heute gigantische Netze aus Galaxienhaufen entwickelt.

Am Max-Planck-Institut für Astrophysik simulieren Wissenschaftler am Computer die Evolution des Universums - die wiederum eng mit der rätselhaften Kraft zusammenhängt, die das All auseinandertreibt. Hier setzt die Arbeit von Luigi Guzzo und seinen Kollegen an. Mit dem 8,2-Meter-SpiegelfernohrMelipaldesVery Large Telescopeder Europäischen Südsternwarte in Chile bestimmten die Forscher aus den Spektren die Bewegungen der Galaxien und gewannen damit eine Momentaufnahme des etwa sieben Milliarden Jahre alten Universums. Aus einem Vergleich mit dem Babybild des Alls - es zeigt die Dichtefluktuationen 400.000 Jahre nach dem Urknall - sowie dem gegenwärtigen Zustand lassen sich die Rolle der Dunklen Energie sowie deren Wesen und Stärke herauslesen.

In der Tat hatten Forscher im Jahr 1998 entdeckt, dass die Expansion des Universums heute schneller verläuft als in der Vergangenheit. Dieses Ergebnis kam überraschend, hatte man bis dahin doch geglaubt, dass die Schwerkraft die Expansion des Universums abbremsen müsste. Was steckte dahinter? Mindestens zwei mögliche Erklärungen gelten bis heute als denkbar. Bei der Dunklen Energie handelt es sich um eine Verallgemeinerung der von Albert Einstein eingeführten, später aber verworfenen Kosmologischen Konstante. Sie macht ungefähr 75 Prozent der gesamten Energiedichte im Universum aus und lässt sich nicht direkt nachweisen, sondern nur indirekt aus der Expansion des Weltalls und der Bildung der großräumigen Strukturen ableiten. Eine andere Alternative: Die Gleichung der Allgemeinen Relativität und damit die Theorie der Schwerkraft müssen modifiziert werden.

Doch keine Dunkle Energie?
Neue Daten des Röntgensatelliten XMM-Newton der Europäischen Raumfahrtbehörde ESA lassen aufregende Deutungsmöglichkeiten zu.

Bei einer Beobachtung von weit entfernten Galaxienhaufen hat XMM-Newton rätselhafte Unterschiede zwischen heutigen, nahen Galaxienhaufen und denjenigen in sieben Milliarden Lichtjahren Entfernung, und damit viel älteren, festgestellt.

Das Aufregende daran ist, dass einige Wissenschaftler behaupten, diese Unterschiede könnten auf eine Weise interpretiert werden, die die Existenz der sogenannten Dunklen Energie in Frage stellen würde.

Die meisten Astronomen heutzutage aber glauben, dass diese Form der Energie das Universum dominiert, d.h. die zeitliche und räumliche Entwicklung des Universums als wichtigster Faktor maßgeblich beeinflusst.

Die vorliegende Studie von Galaxienhaufen, durchgeführt von einer internationalen Gruppe von Astronomen unter der Leitung von David Lumb des ESA-Raumforschungs- und TechnologiezentrumESTEC in den Niederlanden ist Teil des groß angelegten XMM-NewtonBeobachtungsprogrammsOmega Project, dass die Materiedichte des Universums untersuchen soll. Dieses Projekt steht unter der Gesamtleitung von Jim Bartlett amCollege de France in Paris.
Galaxienhaufen sind starke Röntgenquellen, da sie ein intergalaktisches (d.h. sich zwischen den Galaxien befindendes) Gas hoher Temperatur enthalten. Obwohl der Raum zwischen den Galaxien in einem Galaxienhaufen nach menschlichen Maßstäben sehr leer ist (geringe Dichte), lässt sich den noch verbleibenden wenigen Teilchen pro Kubikmeter gemäß der physikalischen Definition eine Temperatur zuschreiben. Diese wird allgemein als aufsummierte Bewegungsenergie aller Teilchen in einem Raum gesehen, kann also bei hoher Geschwindigkeit der einzelnen Teilchen sehr hoch werden, obwohl ein Mensch wegen der geringen Dichte, also der geringen Anzahl der Teilchen, den Raum zwischen den Galaxien niemals als heiß empfinden würde. Nun ist es so, dass alle Objekte, die eine Temperatur haben, strahlen. Dabei wird die Wellenlänge umso kürzer, je heißer das strahlende Objekt ist. Die Heizung zu Haus strahlt im Infraroten und dasheiße Gas hier strahlt im Röntgenbereich.

Dieses Gas hoher Temperatur umgibt nun Galaxien in dem Haufen ähnlich wie der Dampf in einer Sauna. Mittels der Intensität und der genauen Wellenlänge, sprich der Energie, der mit XMM-Newton gemessenen Röntgenstrahlung kann man nun die Temperatur des intergalaktischen Gases bestimmen und über gegenwärtige Modelle der Emission damit die Masse der Galaxienhaufen herleiten.
Die meisten Astronomen glauben heute, dass wir in einem Universum mit geringer Dichte von Materie leben. Stattdessen verbleibt der größte Teil der Gesamtenergie als sogenannte Dunkle Energie, ungefähr 70 Prozent heutigen Modellen zufolge.

In diesem Szenario ist nun die zur Verfügung stehende Materie ziemlich frühzeitig in Galaxien aufgesammelt, so dass nicht mehr viel Materie als intergalaktisches Gasumherfliegen kann. Galaxienhaufen sollten daher frühzeitig mit ihrem Wachstum aufhören und dann genauso aussehen wie heutige (sprich nahe) Galaxienhaufen.

In ihrer demnächst erscheinenden Veröffentlichung im europäischen Wissenschafts-JournalAstronomy and Astrophysics präsentieren Astronomen des Omega Projects nun Resultate von Beobachtungen, die zeigen, dass Galaxienhaufen im weit entfernten Universum (sprich in einer frühen Zeit der Entwicklung des Universums) anders aussehen als Galaxienhaufen in der näheren Umgebung. Sie geben mehr Röntgenstrahlen ab als ihre jüngeren Verwandten. Damit scheint klar, dass sich die Galaxienhaufen in irgendeiner Form weiterentwickelt haben.

Diese Resultate können nun auf mindestens zwei verschiedene Weisen gedeutet werden. Entweder die Astronomen müssen zugeben, dass sie die Gas-Emission von Galaxien in den intergalaktischen Raum nicht genügend gut verstehen und diese Modelle vielleicht zeitabhängig sind. Damit könnte man dann erklären, warum sich, wie gemessen, früher mehrheißes Gas zwischen den Galaxien in einem Haufen befand als heute.
Oder wir leben in einem Universum mit hoher Materie-Dichte, das demzufolge mehr Materie enthält als das gegenwärtige Energieverteilungsmodell mit der Dunklen Energie. Dann würde es nämlich einfach länger dauern, bis alle Materie in Galaxien gesammelt ist, und Unterschiede zwischen früheren und heutigen Galaxienhaufen ließen sich erklären.
Alain Blanchard vomLaboratoire d'Astrophysique de l'Observatoire Midi-Pyrénées ist Autor einer weiteren Veröffentlichung über die Anzahl und Verteilung der gefundenen Galaxienhaufen.

Er weiß, dass diese Schlussfolgerung kontrovers ist und in klarem Widerspruch mit dem gegenwärtigenConcordance Model steht, dem Modell, dass der Dunklen Energie einen Anteil bis zu 70 Prozent an der Gesamtenergie des Universums zuschreibt.

"Um diese Ergebnisse zu erklären, braucht man eine Menge Materie im Universum. Da bleibt nicht viel Platz übrig für die Dunkle Energie."

Wie auch immer diese Resultate in der Zukunft interpretiert werden,XMM-Newton hat mit seiner gegenwärtigen höchsten Empfindlichkeit im Röntgenbereich (z.B. im Vergleich mit dem US-amerikanischen SatellitenChandra, der eine höhere Abbildungsgenauigkeit aufweist), den Astronomen wieder einmal eine neue Einsicht in das Universum gegeben und damit ein neues Puzzle, das zu lösen ist. Zukünftige Röntgenbeobachtungen werden zeigen, ob sich diese Messungen durch andere Teleskope bestätigen lassen. Sollten sie dieselben Antworten liefern, müssen wir vielleicht unser Verständnis des Universums wieder neu überdenken.
XMM-Newton wurde am 10. Dezember 1999 mit einer Ariane 5-Rakete vom Weltraumbahnhof Kourou in Französisch-Guyana gestartet. Die Projektdauer wird derzeitig auf 10 Jahre angesetzt. Das Hochtechnologie-Design des Satelliten enthält 170 sehr dünne zylindrische Spiegel, die über drei verschiedene Teleskope verteilt sind. Sein Orbit ist hoch-elliptisch und reicht fast bis zu einem Drittel der Erde-Mond Entfernung, so dass die Astronomen lange ununterbrochene Beobachtungen durchführen können.
Heutigem Wissensstand zufolge besteht das Universum aus drei Arten von Substanzen: Normale Materie, Dunkle Materie und Dunkle Energie. Um diese Arten von Substanz miteinander auf messbare Weise zu vergleichen, benutzt man Einsteins Äquivalenzprinzip von Masse und Energie E=mc2. Als Normale Materie werden die Atome bezeichnet, die Sterne, Planeten, Menschen und alle anderen sichtbaren Dinge des Universums darstellen. Sichtbar ist hierbei das Schlüsselwort. Alle Normale Materie reagiert auf irgendeine Weise mit Photonen und ist damit sichtbar. Der Anteil der Normalen Materie am Universum liegt dabei ernüchternderweise mit ziemlicher Sicherheit nur zwischen einem bis zehn Prozent.

Nach und nach wurde den Astronomen aber bewusst, dass mehr als die sichtbare Masse im Universum vorhanden sein muss. Bei Beobachtungen unserer Milchstraße wurde erstmalig festgestellt, dass sich ohne einezusätzliche Materieform die Stabilität unserer Milchstraße nicht erklären lässt. Dies lässt sich relativ einfach mit den Eigenheiten der Kreisbewegung verstehen. Die Sterne in den Außenbereichen unserer Heimatgalaxie hätten gemäß ihrer gemessenen Geschwindigkeit und damit ihrer Fliehkraft schon längst die Milchstraße verlassen müssen, wenn man nur die sichtbare Materie als Erzeuger eines Schwerkraftfeldes zumFesthalten berücksichtigt. Da aber anscheinend alle Sterne bis in den äußersten Bereichen der Milchstraße stabile Bahnen zu haben scheinen, muss mehr Materie vorhanden sein, die über ihre gravitative Wirkung mithilft, die äußeren Sterne auf ihren Bahnen zu halten.

Gleichzeitig mit dieser Entwicklung haben Teilchenphysiker beim Erforschen der nuklearen Kräfte von Elementarteilchen Modelle entwickelt, die die Existenz von neuer und exotischer Materievorhersagen. Und obwohl bisher keines dieser Teilchen in Experimentengefunden werden konnte, da vermutlich die zur Verfügung stehenden Energien zu niedrig sind, glauben viele Forscher heute, dass diese exotischen Teilchen die Dunkle Materie darstellen, da laut Modellen diese Teilchen selten mit normaler Materie reagieren und damit keine Photonen erzeugen, also unsichtbar sind. Trotz des fehlenden Nachweises glauben viele Astronomen, dass zwischen 30 und 99 Prozent aller Materie im Universum aus dieser Dunklen Materie besteht.

Die neueste Zutat in der Inhaltsangabe des Universums ist die Dunkle Energie. Albert Einstein hatte diese als durchdringende Energie in seine Gleichungen eingeführt, da er einen Gegenspieler für die Gravitation brauchte, um ein statisches Universum zu erzeugen. Als Edwin Hubbles Messungen später zeigten, dass das Universum nicht statisch ist, sondern expandierte, bezeichnete Einstein seine damals unnötige Einführung dieser künstlichen Energie als "größte Eselei seines Lebens" und die Expansion wurde als Restschwung des Urknalls gedeutet. In den 90er Jahren jedoch wurde die Lichtabschwächung von weit entfernten Sternexplosionen, Supernovae, dadurch erklärt, dass das Universum nicht nur mit konstanter Geschwindigkeit expandiert, sondern die Expansion sogar noch beschleunigt. Nun wissen wir seit Newtons Goldener Regel der Mechanik, dass eine Beschleunigung die Existenz einer Kraft voraussetzt. Der einzige Weg, diese in mathematischen Modellen zu beschreiben, war die Wiedereinführung von Einsteins "Kosmologischer Konstante", wie er sie früher bezeichnet hatte, nun als Dunkle Energie bezeichnet. Diese Energie würde, wie schon bei Einstein, eine umgekehrte Gravitation, also eine allgegenwärtige Abstoßungskraft darstellen. Niemand weiß bis heute, was diese Dunkle Energie sein könnte, aber aus der beobachteten Beschleunigung wird berechnet, dass bis zu 70 Prozent der gesamten Energie des Universums in dieser Dunklen Energie enthalten sein könnte. Im aktuell populären Modell, dem Concordance Model, bleiben damit noch 25 Prozent für die Dunkle Materie und 5 Prozent für Normale Materie übrig.
Viele Astronomen, mich eingeschlossen, waren enttäuscht über die Messungen der beschleunigten Expansion des Universums, zumal diese Messungen in den letzten Jahren immer wieder bestätigt wurden. Diese gegenwärtige Art der Expansion würde das sogenannte offene Modell für die zukünftige Entwicklung des Universums bevorzugen, was bedeutet, dass die Expansion wahrscheinlich unaufhaltbar ewig weitergehen würde anstatt sich irgendwann später einmal umzukehren, wenn der Schwung des Urknall aufgebraucht wäre.

Die Umkehr der Expansion in einen Schrumpfungsprozess mit einem unvermeidbaren erneuten Urknall durch die ewig fortschreitende Kompression und Aufheizung aller vorhandene Materie würde einen wundervollen Zyklus an immer wiederkehrenden Universen darstellen und damit ein nahezu komplettes Bild liefern (abgesehen von der Frage natürlich, wo denn das Ganze ursprünglichhergekommen ist).

Ein auf ewig expandierendes Universum würde irgendwann alles Wasserstoff und Helium in schwerere Elemente fusioniert haben und damit neue Sternbildung unmöglich machen. Der dann inzwischen um ein Vielfaches größere Raum würde einen Kontakt mit anderer Materie immer unwahrscheinlicher machen, so dass der Endzustand ein kaltes dunkles leeres Universum wäre, kein schönes Bild in den Augen der meisten Astronomen. Einziger Ausweg aus dieser Situation wäre im Moment ein Urknall, der durch die Kollision mit einem Parallel-Universum verursacht werden könnte, welche in manchen neuen Versionen von so genannten Stringtheorien vorhergesagt werden. Doch bisher sind keine experimentell belegbaren Vorhersagen durch die Stringtheorien gemacht worden, so dass viele Physiker Stringtheorien in den Bereich der Meta-Physik kategorisieren. Somit muss sich schlussendlich der romantische Geist dem wissenschaftlichen Geist beugen, der, gestärkt durch experimentelle bzw. in der Astronomie eher beobachtete Belege, zur Zeit keinen wirklichen Ausweg aus der trostlosen Variante der Zukunft des Universums zulässt. Daher werden neue Messungen wie die aktuellen Resultate von XMM-Newton von vielen mit Begeisterung aufgenommen, lassen sie doch immer wieder einen Funken Hoffnung auflodern für die Anhänger eines sich zyklisch selbst erneuernden Universums.

Weiterführende Links zum Thema Dunkle Energie:

Wikipedia: https://de.wikipedia.org/wiki/Dunkle_Materie

LEXIKON DER ASTRONOMIE: https://www.spektrum.de/lexikon/astronomie/dunkle-energie/83
16:13 06.08.2018
Dieser Beitrag gibt die Meinung des Autors wieder, nicht notwendigerweise die der Redaktion des Freitag.
Geschrieben von

Ebert.Frank

Mein Name ist Frank Ebert. Ich bin seit Ende 2001 als freier Autor tätig.
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