Kosmische Expansion & Dunkle Energie

1998 veröffentlichten zwei unabhängige Gruppen — das High-Z Supernova Search Team um Brian Schmidt und Adam Riess sowie das Supernova Cosmology Project um Saul Perlmutter — ein Ergebnis, nach dem sie gar nicht gesucht hatten. Sie wollten bestimmen, wie stark sich die kosmische Expansion verlangsamt, und hielten für ausgemacht, dass die Schwerkraft sie mit der Zeit bremst. Die Daten sagten das Gegenteil: Sie wird schneller. Supernovae vom Typ Ia — explodierende Sterne, die alle mit fast derselben wahren Helligkeit aufleuchten und deshalb als verlässliche kosmische Entfernungsmarken taugen — erschienen lichtschwächer und damit weiter entfernt, als ein abbremsendes Universum es zuließ. Etwas Unbekanntes, bald Dunkle Energie getauft, trieb die Expansion in die Beschleunigung. Dafür gab es den Physik-Nobelpreis 2011.

Das Universum dehnt sich aus: Das Hubble-Gesetz von 1929 fand, dass ferne Galaxien sich umso schneller entfernen, je weiter sie weg sind. Diese Dehnung gehört dem Raum selbst — die Galaxien fliegen nicht so sehr durch den Raum, als dass der Raum zwischen ihnen wächst. Die Allgemeine Relativitätstheorie koppelt das Tempo dieser Dehnung, und ob es zu- oder abnimmt, an den Inhalt des Universums: Gewöhnliche Materie und Strahlung bremsen, eine kosmologische Konstante (Einsteins Λ) oder sonst eine Dunkle Energie — irgendein Unbekanntes mit einer Art negativem Druck — beschleunigt. Nach dem Befund von 1998 steckt der größte Teil der Energie des Universums in eben dieser beschleunigenden Form: etwa 70 % Dunkle Energie, 25 % Dunkle Materie, also unsichtbare Masse, die sich nur über ihre Schwerkraft verrät, und 5 % gewöhnliche Materie. Dass die Supernovae das zeigen können, liegt daran, dass eine Typ Ia eine Standardkerze ist: ein Objekt bekannter wahrer Helligkeit, dessen scheinbare Lichtschwäche unmittelbar die Entfernung verrät. Zusammen mit der Rotverschiebung — der Rötung und Streckung des Lichts eines fliehenden Objekts, hier verursacht dadurch, dass der Raum sich dehnt, während das Licht unterwegs ist — ergibt sich daraus die ganze Expansionsgeschichte. Bestätigt ist die Beschleunigung inzwischen auf mehreren voneinander unabhängigen Wegen: über die kosmische Hintergrundstrahlung, das schwache Nachglühen des heißen frühen Universums; über den regelmäßigen Abstand, der der Galaxienverteilung eingeprägt ist (baryonische akustische Oszillationen); über die gravitative Ablenkung des Lichts an dazwischenliegender Materie; und über das Anwachsen der kosmischen Strukturen. Alle laufen auf dasselbe ΛCDM-Modell hinaus: Dunkle Energie, kalte Dunkle Materie, gewöhnliche Materie. Was Dunkle Energie ist, weiß niemand. Am einfachsten wäre eine konstante Energie des leeren Raums — nur überschießt die naive Abschätzung der Quantentheorie den beobachteten Wert um den atemberaubenden Faktor von etwa 10¹²⁰, eine der größten Klüfte zwischen Theorie und Beobachtung in der ganzen Physik. Die Gegenvorschläge — ein langsam veränderliches Feld (Quintessenz) oder eine Änderung der Schwerkraft selbst — sind nicht entschieden.