Kosmische Expansion & Dunkle Energie

Im Jahr 1998 legten zwei unabhängige Teams ein Ergebnis vor, nach dem sie gar nicht gesucht hatten — das High-Z Supernova Search Team unter Brian Schmidt und Adam Riess sowie das Supernova Cosmology Project unter Saul Perlmutter. Sie hatten messen wollen, wie stark sich die kosmische Expansion verlangsamt, und für selbstverständlich gehalten, dass die Schwerkraft sie mit der Zeit abbremsen würde. Die Daten zeigten das Gegenteil: Die Expansion beschleunigt sich. Supernovae vom Typ Ia — explodierende Sterne, die alle mit nahezu derselben wahren Helligkeit aufflammen und sich dadurch als verlässliche kosmische Entfernungsmarken eignen — erschienen lichtschwächer und damit ferner, als es ein sich abbremsendes Universum zugelassen hätte. Eine unbekannte Komponente, bald Dunkle Energie genannt, trieb die Expansion in die Beschleunigung. Die Entdeckung wurde mit dem Nobelpreis für Physik 2011 ausgezeichnet.

Das Universum expandiert: Das Hubble-Gesetz (1929) fand, dass ferne Galaxien sich mit einer Geschwindigkeit entfernen, die proportional zu ihrer Entfernung wächst. Die Expansion ist dem Raum eigen — die Galaxien fliegen weniger durch den Raum, als dass der Raum selbst sich zwischen ihnen dehnt. Die Allgemeine Relativitätstheorie knüpft das Tempo dieser Dehnung — und ob sie zu- oder abnimmt — an das, woraus das Universum besteht: Gewöhnliche Materie und Strahlung bremsen die Expansion, während eine kosmologische Konstante (Einsteins Λ) — oder eine beliebige Dunkle Energie, ein unbekanntes Etwas mit einer Art negativem Druck — sie beschleunigt. Das Ergebnis von 1998 besagt, dass der größte Teil der Energie des Universums in dieser beschleunigenden Form steckt: rund 70 % Dunkle Energie, 25 % Dunkle Materie (unsichtbare Masse, die sich nur durch ihre Schwerkraft bemerkbar macht) und 5 % gewöhnliche Materie. Die Beweiskraft der Supernovae beruht darauf, dass eine Typ Ia eine Standardkerze ist — ein Objekt bekannter wahrer Helligkeit, sodass seine scheinbare Lichtschwäche seine Entfernung verrät. Verbindet man diese Entfernung mit der Rotverschiebung — der Rötung und Dehnung des Lichts eines sich entfernenden Objekts, hier verursacht dadurch, dass sich der Raum dehnt, während das Licht unterwegs ist —, lässt sich die gesamte Expansionsgeschichte rekonstruieren. Die Beschleunigung ist seither über mehrere unabhängige Wege bestätigt worden: die kosmische Hintergrundstrahlung (das schwache Nachglühen des heißen jungen Universums), den regelmäßigen Abstand, der sich der Galaxienverteilung eingeprägt hat (baryonische akustische Oszillationen), die gravitative Ablenkung des Lichts durch dazwischenliegende Materie und das Anwachsen der kosmischen Struktur — alle laufen auf dasselbe ΛCDM-Modell hinaus (Dunkle Energie, Kalte Dunkle Materie und gewöhnliche Materie). Was Dunkle Energie ist, weiß niemand. Die einfachste Vermutung ist eine konstante Energie des leeren Raums — doch die naive Abschätzung der Quantentheorie überschießt den beobachteten Wert um den schwindelerregenden Faktor von etwa 10¹²⁰, eine der größten Klüfte zwischen Theorie und Beobachtung in der gesamten Physik. Die Alternativen — ein langsam veränderliches Feld (Quintessenz) oder eine Änderung der Schwerkraft selbst — sind nicht entschieden.