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ASTRO/101: Wozu Dunkle Energie? (Spektrum der Wissenschaft)


Spektrum der Wissenschaft 8/09 - August 2009

Wozu Dunkle Energie?

Von Timothy Clifton und Pedro G. Ferreira


Sie soll Beobachtungen erklären, die von den meisten Kosmologen als beschleunigte Expansion des Alls interpretiert werden. Doch nun kommt eine ganz andere Deutung in Frage: Unsere Galaxis liegt vielleicht inmitten einer gigantischen Leere.


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In Kürze

Das Universum scheint sich beschleunigt auszudehnen. Ursache dafür soll eine seltsame neue Energieform sein. Das Problem: Niemand weiß, was diese »Dunkle Energie« wirklich ist.
Vielleicht müssen die Kosmologen keine exotischen Energieformen bemühen. Falls wir inmitten einer Region unterdurchschnittlicher Dichte leben, variiert die kosmische Expansionsrate mit dem Ort - und das sieht aus wie eine zeitliche Variation oder Beschleunigung.
Eine riesige Leere um uns kommt den meisten Kosmologen sehr unwahrscheinlich vor, aber einige ziehen sie der mysteriösen Dunklen Energie vor. In kommenden Jahren werden Himmelsbeobachtungen zwischen beiden Erklärungen entscheiden.

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Die größten wissenschaftlichen Revolutionen werden oft von den kleinsten Unstimmigkeiten ausgelöst. Im 16. Jahrhundert zog Kopernikus aus Feinheiten der Himmelsbewegungen, die vielen Zeitgenossen als unerheblich galten, den Schluss, die Erde liege nicht im Mittelpunkt des Alls. In unserer Epoche kündigte die Entdeckung des beschleunigten Universums vor elf Jahren eine weitere Revolution an. Aus einer winzigen Abweichung in der Helligkeit explodierender Sterne folgerten die Astronomen, sie hätten keine Ahnung, woraus 70 Prozent des Kosmos bestehen. Sie konnten nur feststellen, dass der Raum anscheinend von einer ganz unvergleichlichen Substanz erfüllt wird, welche die Expansion des Universums nicht bremst, sondern vorantreibt. Diese Substanz erhielt den Namen Dunkle Energie.

Inzwischen ist ein Jahrzehnt vergangen, und die Dunkle Energie gibt noch immer so viele Rätsel auf, dass einige Kosmologen die grundlegenden Postulate, aus denen ihre Existenz gefolgert wurde, in Zweifel ziehen. Eines dieser Postulate ist das Ergebnis jener früheren Revolution: Dem kopernikanischen Prinzip zufolge nimmt die Erde keinen zentralen oder sonst wie ausgezeichneten Platz im All ein. Wenn wir dieses Grundprinzip preisgeben, bietet sich eine überraschend einfache Erklärung für die neuen Beobachtungen an.

Wir haben uns längst an die Idee gewöhnt, dass unser Planet nur ein winziger Fleck ist, der irgendwo am Rand einer durchschnittlichen Galaxie einen typischen Stern umkreist. Nichts scheint unseren Ort inmitten von Milliarden Galaxien, die sich bis an unseren kosmischen Horizont erstrecken, besonders auszuzeichnen. Doch woher nehmen wir diese Bescheidenheit? Und wie könnten wir herausfinden, ob wir nicht doch einen speziellen Platz einnehmen? Meist drücken sich die Astronomen um diese Fragen und nehmen an, unsere Durchschnittlichkeit sei offensichtlich genug. Die Idee, wir könnten tatsächlich einen besonderen Ort im Universum bewohnen, ist für viele undenkbar. Dennoch ziehen einige Physiker dies seit Kurzem in Betracht.

Zugegeben: Die Annahme, wir seien kosmologisch unbedeutend, erklärt viel. Mit ihrer Hilfe können wir von unserer kosmischen Nachbarschaft auf das Universum im Großen und Ganzen schließen. Alle gängigen Modelle des Universums beruhen auf dem kosmologischen Prinzip - einer Verallgemeinerung des kopernikanischen Prinzips, die besagt, dass zu jedem gewählten Zeitpunkt alle Orte und Richtungen gleich aussehen. Zusammen mit unserem modernen Verständnis von Raum, Zeit und Materie folgt daraus, dass der Raum expandiert, dass das Universum sich abkühlt und von Überbleibseln seiner heißen Anfänge erfüllt ist. All diese Vorhersagen werden von Beobachtungen unterstützt.


Die dunkle Ursache der beschleunigten Expansion

Zum Beispiel ist das Licht ferner Galaxien röter. Diese Rotverschiebung lässt sich gut als Dehnung der Lichtwellen durch die Expansion des Raums erklären. Zudem enthüllen empfindliche Radiodetektoren einen fast perfekt glatten Strahlungsschleier - den kosmischen Mikrowellenhintergrund, ein Relikt des uranfänglichen Feuerballs. Zweifellos sind diese Erfolge zum Teil eine Frucht unserer Bescheidenheit: Je weniger Bedeutung wir uns zumessen, desto mehr vermögen wir über das Universum zu sagen.

Warum davon abgehen? Wenn das kosmologische Prinzip so erfolgreich ist, warum sollten wir es in Frage stellen? Einen Grund liefern sehr seltsame astronomische Beobachtungen aus jüngster Zeit. Im letzten Jahrzehnt hat sich herausgestellt, dass ferne Supernova-Explosionen mit gegebener Rotverschiebung schwächer aussehen als erwartet. Die Rotverschiebung misst die Expansion des Raums. Aus dem Betrag, um den das Licht ferner Supernovae zu Rot verschoben ist, können Kosmologen folgern, wie viel kleiner das Universum zum Zeitpunkt des Supernova-Ausbruchs war als heute. Je größer die Rotverschiebung, desto kleiner war das All, als die Supernova auftrat - und desto mehr hat sich das Universum zwischen damals und heute ausgedehnt.

Die beobachtete Helligkeit einer Supernova liefert ein Maß für ihre Entfernung, und das wiederum zeigt an, wie viel Zeit seit ihrem Auftreten vergangen ist. Wenn eine Supernova mit gegebener Rotverschiebung schwächer aussieht als erwartet, muss diese Strahlungsquelle weiter entfernt sein, als die Astronomen dachten. Ihr Licht brauchte länger, um uns zu erreichen, also muss das Universum länger gebraucht haben, um auf seine gegenwärtige Größe zu wachsen (siehe Bildunterschrift 2). Demnach muss sich das Universum in der Vergangenheit langsamer ausgedehnt haben als vermutet. Tatsächlich sind die fernen Supernovae so lichtschwach, dass die kosmische Expansion sich beschleunigt haben muss, um die gegenwärtige Expansionsgeschwindigkeit zu erreichen (Spektrum der Wissenschaft 3/1999, S. 40).

Die beschleunigte Expansion war die große Überraschung, mit der die aktuelle Revolution in der Kosmologie begann. Eigentlich sollte die Materie im Universum gleichsam am Gewebe der Raumzeit ziehen und die Expansion verlangsamen, aber dem widersprechen die Supernova-Daten. Wenn wir das kosmologische Prinzip akzeptieren und annehmen, diese Beschleunigung geschehe überall, drängt sich der Schluss auf, dass das All von einer exotischen Dunklen Energie erfüllt wird, die eine abstoßende Kraft ausübt.

Doch im physikalischen Standardmodell der fundamentalen Teilchen und Kräfte taucht nichts dergleichen auf. Die Dunkle Energie ist eine Substanz, die noch nie direkt gemessen wurde, sie hat völlig unvergleichliche Eigenschaften, und ihre Energiedichte ist 10120-mal kleiner, als man erwarten würde. Alle Ideen über ihr Wesen sind pure Spekulation (siehe »Die Quintessenz des Universums« von Jeremiah P. Ostriker und Paul J. Steinhardt, Spektrum der Wissenschaft 3/2001, S. 32). Kurz, bezüglich der Dunklen Energie tappen wir völlig im Dunkeln. Forscher arbeiten an mehreren ehrgeizigen und aufwändigen boden- und satellitengestützten Missionen, um diese ominöse Energie aufzuspüren und zu ergründen. Für viele bildet sie das größte Problem der modernen Kosmologie.

Angesichts einer derart seltsamen und unwahrscheinlichen Substanz stellen einige Forscher die Gründe für ihre Existenz in Frage. Vor allem bezweifeln sie die Annahme, wir würden in einem typischen Teil des Universums leben. Könnten die Indizien für Dunkle Energie auch anders gedeutet werden, wenn wir dafür das kosmologische Prinzip opfern (siehe »Die Dunkle Energie und ihre Feinde« von Gerhard Börner, Spektrum der Wissenschaft 11/2008, S. 38)?

Im herkömmlichen Bild reden wir von der Expansion des gesamten Universums, als würde ein Ballon gleichmäßig aufgeblasen: Wir diskutieren, wie groß der gesamte Ballon wird, aber nicht darüber, wie stark sich jeder einzelne Fleck der Hülle aufbläht. Doch wir alle kennen diese billigen Luftballons, die beim Aufblasen Beulen bilden: Ein Teil dehnt sich rasch aus, und der Rest braucht seine Zeit, um aufzuholen. In einem Alternativbild des Universums, welches das kosmologische Prinzip preisgibt, expandiert der Raum ungleichmäßig; ein komplexeres Modell des Kosmos entsteht.


Eine einfachere Alternative

Betrachten wir ein Szenario, das zuerst George Ellis, Charles Hellaby und Nazeem Mustapha von der University of Cape Town (Südafrika) und später Marie-Noëlle Célérier vom Observatoire de Paris-Meudon (Frankreich) vorgeschlagen haben. Angenommen, die Expansion verlangsamt sich überall, weil die Materie an der Raumzeit zieht und sie bremst. Nehmen wir ferner an, dass wir in einer gigantischen kosmischen Leere leben - in einem Gebiet, das zwar nicht völlig leer gefegt ist, wo aber die mittlere Materiedichte nur etwa halb so groß ist wie anderswo. Je leerer eine Raumregion ist, desto weniger Materie bremst dort die räumliche Expansion, und entsprechend höher ist die Expansionsgeschwindigkeit innerhalb des Leerraums. Am höchsten ist sie in der Mitte; zum Rand hin, wo sich die höhere Dichte des Außenraums bemerkbar macht, nimmt sie ab. Zu jedem Zeitpunkt expandieren verschiedene Raumpartien unterschiedlich schnell - wie der ungleichmäßig aufgeblasene Luftballon.

Nun stellen wir uns Supernovae vor, die in verschiedenen Teilen dieses inhomogenen Universums explodieren - manche nahe dem Zentrum der Leere, andere näher dem Rand und einige außerhalb. Wenn wir uns fast im Zentrum der Leere befinden und eine Supernova weiter weg liegt, expandiert der Raum in unserer Nachbarschaft schneller als am Ort der Supernova. Das von der Supernova ausgehende Licht durchquert Regionen, die immer schneller expandieren. Jede Region dehnt das hindurchgehende Licht um einen bestimmten Betrag, und insgesamt entsteht die Rotverschiebung, die wir beobachten. Wenn das Licht eine gewisse Entfernung zurücklegt, erfährt es eine geringere Rotverschiebung als in einem Universum, das sich als Ganzes mit unserer lokalen Expansionsrate ausdehnt. Umgekehrt muss das Licht, um in diesem inhomogenen Universum eine bestimmte Rotverschiebung zu erreichen, eine größere Entfernung zurücklegen als in einem gleichförmig expandierenden All; somit ist die Supernova weiter entfernt und erscheint entsprechend lichtschwächer.

Man könnte auch sagen: Eine mit dem Ort variierende Expansionsrate imitiert eine Variation der Zeit. Auf diese Weise vermögen Kosmologen die überraschenden Supernova-Beobachtungen ohne Dunkle Energie zu erklären. Damit diese Alternativerklärung funktioniert, müssten wir freilich in einer Leere von wahrhaft kosmischen Ausmaßen leben. Die Supernova-Daten erstrecken sich über Milliarden Lichtjahre; sie erfassen einen beträchtlichen Teil des gesamten beobachtbaren Universums. Eine Leere müsste ähnlich Ausmaße haben. Größer geht's kaum.


Eine weit hergeholte Möglichkeit

Wie ausgefallen ist diese Idee einer monströsen Abnormität? Auf den ersten Blick sehr. Sie scheint in eklatantem Widerspruch zur kosmischen Hintergrundstrahlung zu stehen, die bis auf Hunderttausendstel genau gleichförmig ist, ganz zu schweigen von der im Großen und Ganzen ebenmäßigen Verteilung der Galaxien (siehe »Galaktische Wände und Blasen« von Michael A. Strauss, Spektrum der Wissenschaft 6/2004, S. 60).

Doch bei näherer Betrachtung muten diese Indizien weniger zwingend an. Die Gleichförmigkeit der Reststrahlung erfordert nur, dass das Universum in jeder Richtung nahezu gleich aussieht. Wenn eine Leere ungefähr kugelförmig ist und wir einigermaßen nahe ihrem Zentrum sitzen, muss sie nicht unbedingt den Beobachtungen widersprechen. Außerdem besitzt der kosmische Strahlungshintergrund einige Eigenschaften, die möglicherweise durch eine großräumige Inhomogenität zu erklären sind (siehe Bildunterschrift 5).

Was die Galaxienverteilung betrifft, so reichen die vorhandenen Kartierungen nicht weit genug, um eine Leere auszuschließen, die uns Dunkle Energie vorspiegelt. Die Durchmusterungen identifizieren kleinere Leerstellen, Materiefilamente und andere Hunderte Millionen Lichtjahre große Strukturen, aber die hypothetische Leere wäre zehnmal größer. Unter Astronomen wird gerade lebhaft darüber debattiert, ob die Galaxienkarten das kosmologische Prinzip erhärten. Eine Analyse von David Hogg von der New York University ergab kürzlich, dass die größten Strukturen rund 200 Millionen Lichtjahre ausmachen; jenseits dieser Größenordnung scheint die Materie glatt verteilt zu sein und somit dem Prinzip zu entsprechen. Doch Francesco Sylos Labini vom Enrico-Fermi-Zentrum in Rom meint, die größten bisher entdeckten Strukturen seien nur durch die Reichweite der Galaxienkartierung begrenzt. Jenseits dessen könnten sich noch größere Strukturen erstrecken.

Angenommen, wir hätten eine Landkarte, die ein zehn Kilometer großes Gebiet zeigt und darauf eine Straße, die von einem Rand zum anderen verläuft. Es wäre falsch, daraus zu schließen, dass keine Straße länger als zehn Kilometer sein kann. Um die längste Straße zu bestimmen, braucht man eine Karte, auf der die Endpunkte aller Straßen zu sehen sind; sonst weiß man nichts über deren gesamten Verlauf. Ebenso brauchen die Astronomen, wenn sie das kosmologische Prinzip beweisen wollen, eine Galaxienkarte, die weiter reicht als die größten Strukturen im Universum. Die Frage ist, ob die Durchmusterungen dafür schon groß genug sind.

Auch für Theoretiker ist eine kolossale Leere schwer zu verdauen. Allen Indizien zufolge erwuchsen Galaxien und größere Strukturen - Filamente und Leerräume - aus mikroskopischen Quantenkeimen, die durch die kosmische Expansion zu astronomischen Proportionen aufgebläht wurden. Die kosmologische Theorie sagt ziemlich genau voraus, wie viele Strukturen einer bestimmten Größe es geben kann. Je größer ein Gebilde, desto seltener sollte es sein. Die Wahrscheinlichkeit einer Leere, deren Größe ausreicht, die Dunkle Energie zu imitieren, liegt unter eins zu 10100. Irgendwo da draußen mag es durchaus gigantische Leerräume geben, aber die Chance, dass wir so etwas in unserem beobachtbaren Universum finden, ist demzufolge verschwindend gering.

Dennoch gibt es vielleicht ein Schlupfloch. In den frühen 1990er Jahren zeigte Andrei Linde, der an der Stanford University wesentlich zum heutigen Standardmodell des frühen Universums beitrug, dass riesige Leerräume zwar rar sind, dafür aber anfangs schneller expandieren und mit der Zeit das Volumen des Universums beherrschen. Die Wahrscheinlichkeit, dass Beobachter sich in einer solchen Struktur befinden, ist darum vielleicht gar nicht so klein. Wie dieses Resultat zeigt, ist das kosmologische Prinzip, dem zufolge wir keinen besonderen Platz einnehmen, nicht immer gleichbedeutend mit dem Prinzip des Mittelmaßes, dem zufolge wir typische Beobachter sind. Anscheinend kann man zugleich typisch sein und an einem speziellen Ort leben.

Welche empirischen Daten könnten klären, ob die kosmische Expansion von Dunkler Energie angetrieben wird oder ob wir uns an einem ungewöhnlichen Ort - im Zentrum einer riesigen Leere - aufhalten? Um das Vorhandensein eines Leerraums zu überprüfen, brauchen die Kosmologen ein Modell für das Verhalten von Raum, Zeit und Materie in dessen Nachbarschaft. Just solch ein Modell wurde schon 1933 von dem belgischen Priester und Physiker Georges Lemaître formuliert, unabhängig ein Jahr später von dem amerikanischen Theoretiker Richard Tolman wiederentdeckt und nach dem Zweiten Weltkrieg vom britischen Kosmologen Hermann Bondi weiterentwickelt. Die Expansionsraten ihres Modelluniversums hingen nicht nur von der Zeit ab, sondern auch vom Abstand von einem bestimmten Punkt - genau wie bei unserer Hypothese.


Die Prüfung der Inhomogenität

Mit Hilfe des Lemaître-Tolman-Bondi-Modells können Kosmologen eine ganze Reihe beobachtbarer Größen vorhersagen. Betrachten wir zunächst die Supernovae, die zur Annahme einer Dunklen Energie führten. Je mehr Supernovae die Astronomen beobachten, desto besser können sie die Expansionsgeschichte des Alls rekonstruieren. Genau genommen vermögen diese Messungen das Modell der kosmischen Leere niemals zu widerlegen, denn die Kosmologen könnten jede Menge von Supernova-Daten durch eine passend gewählte Leere reproduzieren.

Freilich müsste diese Leere einige höchst seltsame Eigenschaften haben, um völlig ununterscheidbar von Dunkler Energie zu sein. Der Grund ist, dass die vermeintlich beschleunigte Expansion bis zum gegenwärtigen Augenblick andauert. Damit eine Leere dies exakt imitiert, muss die Expansionsrate von uns aus in jeder Richtung deutlich abnehmen. Darum muss die Dichte von Materie und Energie von uns aus in jeder Richtung scharf ansteigen. Das Dichteprofil gleicht einem umgekehrten Hexenhut, dessen Spitze unserem Standort entspricht. Ein solches Profil widerspricht all unserer Erfahrung mit kosmischen Strukturen: Sie sind für gewöhnlich nicht spitz, sondern glatt. Es kommt noch schlimmer. Wie Ali Vanderveld und Éanna Flanagan an der Cornell University in Ithaca (New York) zeigten, müsste die Hutspitze, auf der wir leben, eine »schwache Singularität« sein - gleichsam das ultradünne Gegenstück zum ultradichten Zentrum eines Schwarzen Lochs.

Falls die Leere jedoch ein realistischeres, glattes Dichteprofil hat, bietet sich ein beobachtbares Unterscheidungsmerkmal. Glatte Leerräume liefern zwar weiterhin Messdaten, die fälschlich als Beschleunigung gedeutet werden könnten, doch da sie keine scharfe Spitze aufweisen, reproduzieren sie nicht exakt die Resultate der Dunklen Energie. Insbesondere variiert die scheinbare Beschleunigungsrate in verräterischer Weise mit der Rotverschiebung. In einer Untersuchung zusammen mit Kate Land, damals an der University of Oxford, zeigten wir, dass mehrere hundert neue Supernovae - zusätzlich zu den wenigen hundert schon bekannten - ausreichen dürften, um die Frage zu entscheiden. Missionen zur Supernova-Beobachtung werden dieses Ziel höchstwahrscheinlich bald erreichen.

Supernovae sind nicht die einzigen Unterscheidungsmerkmale. Jeremy Goodman von der Princeton University schlug 1995 einen Test auf Grund des Mikrowellenhintergrunds vor. Damals war von Dunkler Energie noch keine Rede; Goodman suchte nicht eine Erklärung für ein unbekanntes Phänomen, sondern einen Beweis für das kopernikanische Prinzip. Er hatte die Idee, man könnte weit entfernte Galaxienhaufen als Spiegel verwenden, um das Universum von verschiedenen Orten aus zu betrachten - wie in einer himmlischen Umkleidekabine. Galaxienhaufen reflektieren einen kleinen Teil der sie treffenden Hintergrundstrahlung. Durch sorgfältige Spektralanalyse dieser Strahlung könnten Kosmologen etwas darüber erfahren, wie das Universum aussähe, wenn es von einem fernen Galaxiencluster aus betrachtet würde. Falls eine Standortverschiebung das Aussehen des Alls verändert, ist das ein starkes Indiz für eine Leere oder eine ähnlich inhomogene kosmische Struktur.

Zwei Kosmologenteams setzten diese Idee kürzlich in die Tat um. Robert Caldwell vom Dartmouth College (US-Bundesstaat New Hampshire) und Albert Stebbins vom Fermi National Accelerator Laboratory in Batavia (Illinois) analysierten präzise Messungen von Unregelmäßigkeiten im Mikrowellenhintergrund, und Juan García-Bellido von der Universidad Autonóma de Madrid sowie Troels Haugbølle von der Universität Aarhus (Dänemark) untersuchten einzelne Cluster direkt. Keine der beiden Gruppen entdeckte eine Leere, aber wenigstens grenzten die Forscher deren mögliche Eigenschaften ein. Das im Mai dieses Jahres gestartete Planck-Weltraumteleskop sollte fähig sein, diesen Spielraum noch mehr einzuengen - oder ganz auszuschließen, dass die große Leere überhaupt existiert.

Einen dritten Ansatz vertreten Bruce Bassett, Chris Clarkson und Teresa Lu von der University of Cape Town: Die Expansionsgeschwindigkeit soll separat an verschiedenen Orten gemessen werden. Üblicherweise bestimmen die Astronomen Expansionsraten anhand der Rotverschiebung; sie ist das Gesamtresultat der Expansion aller Gebiete zwischen einem Himmelskörper und uns. Da dabei all diese Gebiete zusammengeworfen werden, lässt sich an der Rotverschiebung eine räumliche Änderung der Expansionsrate nicht von einer zeitlichen unterscheiden. Besser wäre es, die Expansionsrate an bestimmten Orten im Raum zu messen, um die Wirkung der Expansion an anderen Orten auszusortieren. Doch das ist leichter gesagt als getan. Eine Möglichkeit ist, zu beobachten, wie sich Strukturen an unterschiedlichen Orten bilden. Die Entwicklung von Galaxienhaufen hängt großenteils von der lokalen Expansionsrate ab. Indem Astronomen solche Objekte an verschiedenen Orten untersuchen und andere Entwicklungsfaktoren berücksichtigen, können sie vielleicht subtile Unterschiede der Expansionsgeschwindigkeit kartieren.


Das Universum als Schweizer Käse

Die Idee, dass wir inmitten einer riesigen kosmischen Leere leben, steht in extremem Gegensatz zum kosmologischen Prinzip, aber es gibt weniger radikale Möglichkeiten. Das Universum mag im Großen und Ganzen dem Prinzip gehorchen, aber die kleineren Leerstellen und Filamente, die in den Galaxienmustern entdeckt wurden, könnten zusammen die Wirkung der Dunklen Energie vortäuschen. Tirthabir Biswas und Alessio Notari von der McGill University in Montreal (Kanada) sowie ein Team um Valerio Marra an der Università degli Studi di Padova (Italien) und der University of Chicago (US-Bundesstaat Illinois) sind dieser Idee nachgegangen. In ihren Modellen gleicht das Universum einem Emmentaler Käse - im Ganzen gleichförmig, aber von Löchern durchsetzt. Infolgedessen variiert die Expansionsrate ein wenig von Ort zu Ort. Auf dem Weg zu uns durchquert das Licht ferner Supernovae zahlreiche dieser kleinen Leerstellen, und die Schwankungen der Expansionsrate beeinflussen Helligkeit und Rotverschiebung. Doch bislang sieht die Idee nicht sehr viel versprechend aus. Wie einer von uns (Clifton) zusammen mit Joseph Zuntz von der University of Oxford gezeigt hat, könnten nur sehr viele speziell verteilte Leerstellen mit sehr geringer Dichte die Wirkung der Dunklen Energie ersetzen.

Eine andere Möglichkeit wäre, dass die Dunkle Energie ein Artefakt der in der Kosmologie üblichen mathematischen Näherungen ist. Um die kosmische Expansion zu berechnen, zählen wir normalerweise zusammen, wie viel Materie ein Raumgebiet enthält, dividieren durch das Volumen des Gebiets und erhalten die mittlere Energiedichte. Dann setzen wir diesen Wert in die einsteinschen Gravitationsgleichungen ein und bestimmen die mittlere Expansionsrate des Universums. Obwohl die Dichte von Ort zu Ort variiert, behandeln wir diese Dichteschwankungen als kleine Streuung um einen generell gültigen Mittelwert.

Damit begehen wir eigentlich einen Fehler. Eine Lösung von Einsteins Gleichungen für eine gemittelte Materieverteilung ist nicht dasselbe wie eine Lösung für die tatsächliche Verteilung mit anschließender Mittelung der resultierenden Geometrie. Mit anderen Worten, statt erst zu mitteln und dann zu lösen, müssten wir eigentlich erst lösen und dann mitteln.

Allerdings ist es unvorstellbar schwierig, das gesamte Gleichungssystem für etwas, was dem realen Universum auch nur entfernt nahekommt, zu lösen; darum schlägt man in der Regel den einfacheren Weg ein. Thomas Buchert von der Université Lyon 1 (Frankreich) hat analysiert, wie gut dies als Näherung wirklich ist. Er führte in die kosmologischen Gleichungen zusätzliche Terme ein, um den Fehler zu berücksichtigen, der durch Mitteln vor Lösen entsteht. Wenn diese Terme sich als klein erweisen, ist die Approximation gut; sind sie groß, ist sie schlecht. Die Ergebnisse lassen bis jetzt keinen klaren Schluss zu. Manche Forscher meinen, die Zusatzterme reichten aus, um die gesamte Dunkle Energie wegzuerklären, während andere behaupten, sie seien vernachlässigbar klein.

Schon in naher Zukunft werden Beobachtungen wahrscheinlich die Entscheidung zwischen Dunkler Energie und Modellen der Leere bringen. Der Supernova Legacy Survey, den Pierre Astier von der Université Paris 6 leitet, und die noch in Entwicklung befindliche Joint Dark Energy Mission dürften die Expansionsgeschichte des Universums eindeutig klären. Der Planck-Satellit sowie mehrere Ballonsonden und bodengestützte Instrumente werden die Hintergrundstrahlung in immer feineren Details vermessen. Das Square Kilometer Array, ein für 2020 geplantes gigantisches Radioteleskop, wird uns eine Karte sämtlicher Galaxien im beobachtbaren Universum liefern. Die jüngste Revolution in der Kosmologie, die vor zehn Jahren begann, ist noch lange nicht vorbei.


Timothy Clifton und Pedro G. Ferreira sind Kosmologen an der University of Oxford. Sie untersuchen die Physik des frühen Universums und mögliche Abänderungen von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie. Ferreira hat ein populärwissenschaftliches Buch über Astronomie verfasst und unterstützt mehrere Projekte zur Förderung der Wissenschaftspädagogik in Afrika.


Literatur

Clifton, T. et al.: Living in a Void: Testing the Copernican Principle with Distant Supernovae. In: Physical Review Letters 101, Paper Nr. 131302, 2008.

Ellis, G. F . R .: Cosmology: Patchy Solutions. In: Nature 452, S. 158 - 161, 2008.

Ferreira, P. G .: The State of the Universe: A Primer in Modern Cosmology. Phoenix, London 2007.

Goodman, J.: Geocentrism Reexamined. In: Physical Review D 52(4), S. 1821 - 1827, 1995.

Weblinks zu diesem Thema finden Sie unter www.spektrum.de/artikel/999549.


ZUSATZINFORMATIONEN:

Zusatzinformation 1: Das Erbe des Kopernikus
Das kopernikanische Prinzip besagt, dass die Erde keinen speziellen Platz im Universum einnimmt. Das All ist homogen und isotrop: Es hat gleichmäßige Dichte und sieht in jeder Richtung gleich aus.

Dieses mächtige Prinzip gilt nur für Größenordnungen weit oberhalb einer Galaxie. Ein auch im Kleinen völlig gleichförmiges Universum wäre ein dünner Atombrei. Außerdem gilt das Prinzip nur im Raum, nicht in der Zeit. Wir leben in einer speziellen Epoche - lange genug nach dem Urknall, damit komplexe Lebensformen entstehen können, aber nicht so spät, dass alle Sterne erloschen sind.

Oft wird behauptet, Kopernikus habe den Menschen seiner herausgehobenen Stellung im Kosmos beraubt. Doch wie der deutsche Philosoph Hans Blumenberg und der australische Historiker Dennis Danielson gezeigt haben, platzierte das europäische Mittelalter den Menschen zwar ins Zentrum des Alls, aber dieser Ort galt als besonders unvollkommen - in Galileis Worten »der Sumpf, in dem sich Schmutz und Abfall des Universums sammeln«.


Zusatzinformation 2: Signale der Leere
Ein kosmischer Leerraum imitiert zwar die Wirkung der Dunklen Energie, erzeugt aber feine Abweichungen. Künftige Beobachtungen könnten solche Unterschiede aufspüren.

Zusätzliche Supernova-Daten werden die Expansionsrate genauer messen und feststellen, ob sie mit dem Ort variiert, wie das Leere-Modell vorhersagt.
Galaxienhaufen reflektieren Licht und erzeugen damit schwache Spiegelbilder unserer Nachbarschaft. Wenn wir in einer kosmischen Leere leben, sollten wir sie auf diese Weise aufspüren können.
Galaxien und Galaxienhaufen entwickeln sich in einem Tempo, das von der lokalen Expansionsrate abhängt - und somit vom Vorhandensein einer Leere.
Neutrinos, die vom uranfänglichen Universum übrig geblieben sind, könnten eine Leere anzeigen.

Zusatzinformation 3: Hoffnung auf Planck
Im Mai dieses Jahres wurde das Planck-Weltraumteleskop der Europäischen Weltraumbehörde ESA gestartet, um den kosmischen Mikrowellenhintergrund mit nie zuvor erreichter Genauigkeit zu vermessen.

Planck wird feinste Temperaturfluktuationen der Hintergrundstrahlung aufzeichnen, um zu enthüllen, wie das Universum im zarten Alter von 400 000 Jahren aussah und wie es seither gewachsen ist. Dabei wird sich die Frage klären, ob wir in einem riesigen Leerraum leben.

Außerdem soll Planck Fluktuationen der Strahlungspolarisation messen; sie zeigen an, ob hochenergetische Prozesse im urtümlichen Universum einen Sekundenbruchteil nach dem Urknall - oder sogar davor - Gravitationswellen auslösten.


Bildunterschriften der im Schattenblick nicht veröffentlichten Abbildungen der Originalpublikation:

Bildunterschrift 1:
Großräumige Unterschiede der Materiedichte könnten eine ungleichmäßige Expansion des Raums verursachen. Dies würde die Effekte erzeugen, welche die Astronomen üblicherweise der Dunklen Energie zuschreiben.

Bildunterschrift 2:
Drei Varianten der kosmischen Expansion
Wie Astronomen kürzlich entdeckt haben, erscheinen uns ferne Supernovae weniger hell als erwartet. Um zu verstehen, was dies für die kosmische Expansion bedeutet, betrachten wir ein Raumgebiet, das eine Supernova und unsere Milchstraße umfasst. Mit der Zeit wird dieses Gebiet größer, denn der Raum selbst dehnt sich aus. Die Supernova explodiert, wenn das Universum etwa halb so groß ist wie heute; das geschieht zu unterschiedlichen Zeiten - je nachdem, ob die Expansion sich verlangsamt oder beschleunigt. Das Licht der Explosion breitet sich aus und erreicht uns schließlich am Rand der Milchstraße.
Alte Ansicht: die Expansion verlangsamt sich
Vor 1998 nahmen die meisten Kosmologen an, die Expansion werde durch Materieanziehung gebremst. Mit jeder späteren Zeitspanne nimmt demnach die Größe des Raumgebiets um einen geringeren Faktor zu. Auf dieser Annahme beruhte die erwartete Helligkeit der Supernova.
Szenario 1: die Expansion beschleunigt sich
Nach der gängigen Deutung der Supernova-Daten lief die Expansion früher langsamer ab als jetzt. Infolgedessen hat das Universum länger gebraucht, auf seine gegenwärtige Größe zu wachsen, und das Supernova-Licht hatte mehr Zeit, sich auszubreiten; darum erscheint es uns schwächer. Als treibende Kraft dieser Beschleunigung ist die Dunkle Energie erforderlich.
Szenario 2: das Universum ist inhomogen
Im Alternativmodell wird die Expansion, wie ursprünglich angenommen, mit der Zeit verlangsamt - aber an verschiedenen Orten unterschiedlich stark. Unsere Nachbarschaft ist leerer als andere Regionen. Sie enthält weniger Materie, welche die Expansion bremst, und darum wird diese weniger verlangsamt als anderswo. Das von der Supernova ausgehende Licht durchquert Zonen immer schnellerer Expansion. Das hat denselben Effekt wie eine kosmische Beschleunigung - ohne dass Dunkle Energie nötig wäre.

Bildunterschrift 3:
Ein spezieller Ort für uns?
In der Romanserie »Per Anhalter durch die Galaxis« malt sich der Autor Douglas Adams ein Foltergerät aus, das den Opfern die völlige Bedeutungslosigkeit ihres Aufenthaltsorts im Universum vorführt und sie dadurch in den Wahnsinn treibt. Nur ein Folterkandidat bleibt unversehrt, weil er findet, dass sich von seiner Warte aus im Universum alles um ihn dreht. Ganz in diesem Sinn diskutieren einige Kosmologen Modelle, die unseren Ort im Universum auszeichnen.
Homogenes Universum: unser Ort ist typisch
Im üblichen Modell bilden die Galaxien zwar Filamente und Leerräume, aber im Großen und Ganzen sieht der Raum überall gleich aus. Unser Standort ist nichts Besonderes.
Inhomogenes Universum: unser Ort ist speziell
Im Alternativmodell variiert die Materiedichte in großem Maßstab, und die Erde liegt inmitten eines riesigen Gebiets relativ geringer Dichte - in einer kosmischen Leere.

Bildunterschrift 4:
Sternexplosionen wie die Supernova 1994D (Pfeil) dienen zur Messung der kosmischen Expansion.

Bildunterschrift 5:
Varianten der Leere Angenommen, uns umgibt eine kosmische Leere, aber wir leben nicht in ihrer Mitte. Dann würde uns das Universum sozusagen ein wenig schräg erscheinen. Wie Håvard Alnes und Morad Amarzguioui von der Universität Oslo (Norwegen) gezeigt haben, wäre die kosmische Hintergrundstrahlung scheinbar in einer Richtung etwas wärmer als in der anderen. Eine solche Asymmetrie - ein Dipol - wurde tatsächlich im Strahlungshintergrund beobachtet. Normalerweise erklärt man dies mit der Bewegung unseres Sonnensystems durch den Raum, aber auch ein inhomogenes Universum könnte die Ursache sein.
Außerdem scheinen sich kleine Fluktuationen des Strahlungshintergrunds in einer bestimmten Richtung anzuordnen, die João Magueijo und Kate Land, damals am Imperial College in London, »Achse des Bösen« getauft haben (siehe »Missklänge im Universum« von Glenn D. Starkman und Dominik J. Schwarz, Spektrum der Wissenschaft 12/2005, S. 30). Diese Bevorzugung einer Himmelsrichtung ist nur schwer mit einem kopernikanischen Universum vereinbar und lässt sich vielleicht mit unserer exzentrischen Lage in einer Leere erklären. Eine Vorzugsrichtung hätte auch andere Effekte zur Folge, etwa großräumig zusammenhängende Bewegungen von Galaxienhaufen. Einige Forscher behaupten, einen solchen »dunklen Fluss« zu sehen, aber das bleibt vorläufig umstritten.
Zwar ist es verführerisch, alle Anomalien einer gigantischen Leere zuzuschreiben, aber diese Erklärung passt schlecht. Vor allem weist jeder Effekt in eine andere Richtung. Außerdem würde aus der Stärke des kosmischen Dipols folgen, dass wir uns nur 50 Millionen Lichtjahre vom Zentrum aufhalten, und das wäre in dem hypothetischen Leerraum nur ein winziges Stück.

Bildunterschrift 6:
Unregelmäßigkeiten in der kosmischen Hintergrundstrahlung lassen sich auf einer »Achse des Bösen« anordnen. Sie könnte anzeigen, dass wir in einem inhomogenen Universum leben.


© 2009 Timothy Clifton und Pedro G. Ferreira, Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH, Heidelberg


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Quelle:
Spektrum der Wissenschaft 8/09 - August 2009, Seite 26 - 33
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veröffentlicht im Schattenblick zum 9. September 2009

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