Der gestern verkündete Physik-Nobelpreis kam der “Dark Universe”-Konferenz in Heidelberg gerade recht. Dort wird gegenwärtig diskutiert, was hinter der ominösen Dunklen Energie steckt, die das Universum immer schneller auseinander treibt. Perfektes Timing auch für die Europäische Raumfahrtagentur ESA, die soeben den Beschluss der Weltraummission Euclid bekannt gab, die Licht in die Dunkle Energie bringen wird.
Eigentlich ist es unhöflich, einen Vortrag zu unterbrechen für eine Bekanntmachung, aber in diesem Fall war weder Julien Lesgourges vom CERN böse, der über eine exotische Hypothese namens Dark Goo sprach, um die mysteriöse beschleunigte Ausdehnung des Universums zu erklären, noch waren es die fast 200 Physiker, Astronomen und Kosmologen, die sich diese Woche in der Universität Heidelberg versammelt haben, um ihre neuesten Forschungen zur Dunklen Seite des Universums auszutauschen. Denn was Rocky Kolb von der University of Chicago, der im Anschluss den Hauptvortrag hielt, gegen 11.50 Uhr mitzuteilen hatte, kam wie gerufen für die Konferenz: der Nobelpreis für Physik 2011. Mit einem kleinen Jubelsturm wurde er aufgenommen.
Ausgezeichnet wurden Saul Perlmutter vom Lawrence Berkeley National Laboratory, Brian Schmidt von der Australian National University und Adam Riess von der Johns Hopkins University und dem Space Telescope Science Institute. Sie und weitere Kollegen hatten in den 1980er- und 1990er-Jahren begonnen, mithilfe ferner Sternexplosionen die Ausdehnung und Größe des Weltraums auszumessen. Und gaben Ende 1998 die erstaunliche Entdeckung bekannt, dass diese Supernovae anscheinend weiter entfernt sind als mit dem damaligen kosmologischen Modell vereinbar. Mehr noch: Die Ausdehnung des Weltraums scheint nicht langsamer zu werden, wie es aufgrund der bremsenden Gravitation durch die Materie im All zu erwarten ist, sondern sich zu beschleunigen. Und wenn der Raum schneller wächst zwischen uns und den Sternexplosionen in fernen Galaxien, dann sind diese eben weiter entfernt als erwartet.
Diese Erkenntnis der beiden unabhängigen Forschergruppen, von Perlmutter und Schmidt geleitet, schlug damals ein wie eine Bombe und galt zu Recht als eine der bedeutendsten Erkenntnisse des Jahres, sogar des Jahrzehnts, und hat innerhalb kürzester Zeit die Kosmologie revolutioniert (siehe bild der wissenschaft 6/1999). Zusammen mit weiteren Messungen in den darauffolgenden Jahren etablierte sich ein neues Standardmodell der Kosmologie, das sich grundlegend von den vorigen und in sich widersprüchlichen Annahmen unterschied. Alle kosmologischen Messungen seither haben dieses neue Modell immer weiter gestützt, erhärtet und präzisiert.
Die Kehrseite des Erfolgs ist die Einsicht, wie wenig wir eigentlich wissen. Mehr als 95 Prozent von dem, was das All erfüllt, ist unbekannt. Nicht einmal 5 Prozent macht das aus, was wir kennen, und aus dem wir selbst bestehen: Materie aus Protonen, Neutronen und Elektronen sowie elektromagnetische Strahlung (Photonen). Sterne, Staub und Steuererklärungen sind in der Minderheit. Von der Materie entfallen rund 80 Prozent vermutlich auf noch unbekannte Elementarteilchen (mehr zu dieser ominösen Dunklen Materie in der kommenden Titelgeschichte von bild der wissenschaft 12/2011). Der Großteil der Gesamtenergiedichte des Alls jedoch, über 72 Prozent, entfällt auf eine mysteriöse Dunkle Energie. Sie ist es auch, die die beschleunigte Ausdehnung des Weltraums antreibt, die Perlmutter und seine Kollegen entdeckt haben.
Was hinter der Dunklen Energie steckt – der Begriff wurde 1998 von dem amerikanischen Kosmologen Michael Turner geprägt – ist ein Rätsel, das seither viele Forscher beschäftigt. Deshalb wurde beispielsweise in Deutschland auch Transregio 33 The Dark Universe gegründet, ein Forschungsverbund astronomischer und physikalischer Institutionen in Heidelberg, Bonn und München, das zahlreiche hochkarätige Forscher auf diesem Gebiet zusammenbringt. Unter der wissenschaftlichen Leitung von Luca Amendola, Universität Heidelberg, findet diese Woche in Heidelberg die “Dark Universe”-Konferenz des Transregio-22-Verbunds statt, in der über die Dunkle Energie und Materie eifrig diskutiert wird. Denn es mangelt nicht an Hypothesen. Was die Sache allerdings noch verwirrender macht.
Die einfachste Erklärung für die Dunkle Energie ist die Kosmologische Konstante, abgekürzt mit dem griechischen Buchstaben Lambda. Sie steckt in den Feldgleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie und wurde 1917 von Albert Einstein als eine Art Naturkonstante eingeführt, in der ersten Arbeit zur modernen (also auf der Relativitätstheorie basierenden) Kosmologie überhaupt. Allerdings dachte Einstein bereits einige Jahre später, dass der Wert von Lambda Null ist. Doch auch andere Kosmologen, so Willem de Sitter (ebenfalls 1917), Alexander Friedmann (1922) und Georges Lemaître (1927) berücksichtigten Lambda in ihren kosmologischen Modellen. Und heute ist unumstritten, dass man auf Lambda nicht verzichten kann, denn sie ergibt sich aus der Relativitätstheorie als eine Integrationskonstante. Die Frage ist nur, welchen Wert die Konstante hat. Und ob sie hinter der Dunklen Energie steckt. Wenn die Kosmologische Konstante positiv ist, dann wirkt sie als eine Art Antigravitation – das heißt, sie treibt den Raum auseinander, genau wie es die Supernova-Messungen erschließen lassen.
Dass die Kosmologische Konstante über Jahrzehnte hinweg ignoriert worden war, lag nicht zuletzt daran, dass sie Einstein als die “größte Eselei” seines Lebens bezeichnet haben soll. (Er hatte Lambda benutzt, um den Weltraum statisch zu halten, was damals allgemein gedacht wurde, aber schon wenige Jahre später, hauptsächlich infolge der Galaxien-Messungen von Edwin Hubble, nicht mehr zu halten war – der Raum dehnt sich aus, ganz wie es Einsteins Gleichungen beschreiben.)
Doch Wolfgang Priester, Astrophysik-Professor an der Universität Bonn, und seine Kollegen haben bereits seit Ende der 1980er-Jahre immer wieder betont, dass die Kosmologische Konstante nicht von vornherein auf Null gesetzt werden darf, sondern eine empirische Größe ist, also gemessen werden muss. Der amerikanische Physiker und Kosmologe Craig Hogan vom Fermilab hatte das noch Mitte der 1990er-Jahre als “outrageous” attackiert, als haarsträubend, abscheulich und ungeheuerlich. Heute gehört er zu den führenden Verfechtern der Dunklen Energie und ist Mitglied in Schmidts High Z Team. Wolfgang Priester, 2005 gestorben, hätte sich über den Nobelpreis an Perlmutter & Co. sicherlich riesig gefreut. Denn er ist indirekt auch eine Würdigung der Pionierarbeiten des Bonner Astrophysikers.
Die besondere Eigenschaft der Kosmologischen Konstanten: Ihr Wert ist in Raum und Zeit stets derselbe. Und der stellt Physiker seit Jahrzehnten vor ein großes Rätsel. Zum einen müsste er nach allgemein akzeptierter Abschätzung etwa 10 hoch 120 Mal größer sein, als er tatsächlich ist ? die größte Diskrepanz in der Theoretischen Physik! Ein so hoher Wert hätte freilich den Weltraum so schnell auseinander fliegen lassen, dass sich niemals Galaxien hätten bilden können und wir also auch nicht existieren könnten. Zum anderen ist der Wert aber auch nicht exakt Null, sondern heute gerade in der Größenordnung der Materiedichte ? eine Koinzidenz, die den Physikern ebenfalls sehr unwahrscheinlich vorkommt. Denn im frühen Universum spielte Lambda keine Rolle, künftig wird Lambda alles beherrschen und den Weltraum in alle Ewigkeit auseinander treiben, bis sich die Materie völlig zerstreut und alle Galaxien jenseits unserer kosmischen Nachbarschaft auf Nimmerwiedersehen verschwinden. Doch warum leben wir heute ausgerechnet in einer Zeit, in der Lambda und die Materiedichte ähnlich groß sind – kann das denn Zufall sein?!
Nach wie vor stehen die astronomischen Messungen sehr gut mit der Kosmologischen Konstanten im Einklang – Einsteins “größte Eselei” war also keine oder bestand nur darin, seine Entdeckung vorschnell verabschiedet zu haben. Dennoch sind die meisten Physiker mit der Kosmologischen Konstanten unzufrieden und versuchen eine tiefere Erklärung zu finden. Der populärste Ansatz besteht darin, Lambda als Energiedichte des Vakuums zu interpretieren. Doch das löst die beiden großen Fragen nach ihrem Wert nicht.
Eine andere, sehr populäre Erklärungsmöglichkeit besteht in der Annahme eines bislang unbekannten physikalischen Feldes (das sogar wie eine “fünfte Naturkraft” wirken könnte). Bereits 1987 hat Christof Wetterich von der Universität Heidelberg ein solches Feld postuliert und “Cosmon” genannt ( hier ein Interview mit bild der wissenschaft). Wetterich ist Sprecher des Transregio 33 und hält in Heidelberg übrigens heute Abend einen populärwissenschaftlichen Vortrag zur Dunklen Energie. Fast zeitgleich kamen auch Paul Steinhardt von der Princeton University mit Robert R. Caldwell und Rahul Dave auf diese Idee und nannten das Feld “Quintessenz”. (Von Steinhardt stammen übrigens auch wichtige Arbeiten über Quasikristalle, für deren Entdeckung Daniel Shechtman heute den Chemie-Nobelpreis zugesprochen bekam.) Ein solcher Ansatz eröffnet viele neue Möglichkeiten. So könnte die Stärke des Feldes sich zeitlich verändern. Vielleicht steht es sogar mit einem Teil der Materie in Wechselwirkung, etwa den Neutrinos oder der Dunklen Materie.
Damit nicht genug. Physiker sind einfallsreich. Und ersinnen ein Modell nach dem anderen, um es dem harten Konkurrenzkampf auszusetzen und den unerbittlichen Überprüfungen physikalischer Experimente und astronomischer Beobachtungen. Das ist eine gute Sache, denn Konkurrenz belebt bekanntlich das Geschäft und – freilich anders als in der Wirtschaft – das “Beste” wird ausselektiert und überlebt.
Viele Physiker – auch in Heidelberg wird das gerade intensiv diskutiert – spielen mit der Möglichkeit verschiedener Energiefelder oder neuer Substanzen (ein “Gas” oder eine “Flüssigkeit” unbekannter Art), die den Weltraum durchziehen könnten. Julien Lesgourges’ ” Dark Goo” ist nur ein Beispiel. Entscheidend dabei sind physikalische Voraussagen, die überprüfbar sind.
Erwogen wird aber auch, die Relativitätstheorie zu modifizieren, das heißt letztlich das Gravitationsgesetz. Das könnte die Dunkle Energie quasi vortäuschen. Vielleicht verhält sich die Schwerkraft über große Entfernungen hinweg anders als bislang gedacht. Vielleicht spielen winzige zusätzliche Dimensionen eine Rolle (die ja auch als Erklärung der vermeintlich überlichtschnellen Neutrinos diskutiert werden). Vielleicht leben wir in einer “Einstein-Insel” inmitten eines Meeres, in dem die Relativitätstheorie nicht gilt – unser ganzes Universum wäre dann nur eine Blase in einem exotischen Refugium, wie Robert Caldwell vom Dartmouth College gestern in Heidelberg spekulierte (und eine Reihe seltsamer Effekte vorstellte, die bald gemessen werden könnten). Das sind viele “Vielleichts”, doch sie markieren nicht eine Situation der Verzweiflung, sondern die Aufbruchsstimmung und Begeisterung. Denn obwohl die meisten Modelle dem Tod geweiht sein werden, stimulieren sie weitere Forschungen und werden insgesamt dazu beitragen, Licht ins Dunkel des von Michael Turner wegen der rätselhaften Vakuumenergie als ?grotesk? bezeichneten Universums bringen.
Und noch eine dritte Möglichkeit – neben “Dunkler Energie” und “modifizierter Gravitation” wird ernsthaft und nicht ohne eine gewisse Beunruhigung erwogen: unser Universum könnte im großen Maßstab ungleichförmig sein. Vielleicht leben wir in einer Region unterdurchschnittlicher Materiedichte, und der Einfluss der Umgebung – womöglich jenseits des kosmischen Horizonts – bewirkt die beschleunigte Ausdehnung. Dann müsste das kosmologische Modell völlig neu erarbeitet werden. (Übrigens schließen sich die drei verschiedenen Ansätze teilweise nicht einmal gegenseitig aus.) Auch darüber hat bild der wissenschaft schon ausführlich berichtet ( 4/2010).
Theorien sind gut, aber Messungen genauso wichtig. Und an solchen Perspektiven mangelt es ebenfalls nicht. Besonders dieses Wechselspiel macht die Forschungssituation hier so vielversprechend und fruchtbar. Seit 1998 gab es viele Forschungsprogramme, um der Dunklen Energie auf die Spur zu kommen. Seither wurden Hunderte neuer Supernovae entdeckt und vermessen. Gerade erst hat Adam Riess wieder einen neuen Entfernungsrekord vermeldet – und ein früherer, 2001, trug maßgeblich dazu bei, kritische Kollegen zu überzeugen, dass die beschleunigte Expansion nicht einfach nur ein Artefakt von systematischen Messfehlern ist, etwa bedingt durch Staub, der das ferne Licht der Sternexplosionen schwächt. Auch wurden mehrere Satellitenprojekte vorgeschlagen, um noch mehr Supernovae zu finden – Saul Perlmutter hat hierfür in den letzten zehn Jahren unermüdlich geworben, und sein Nobelpreis wird dem jetzt bestimmt mehr Gewicht verleihen.
Ein anderes ehrgeiziges Projekt ist der Dark Energy Survey, den Jochen Weller von der Universitätssternwarte München für die über 150köpfige internationale Forscherkollaboration vorstellte. Diese Himmelsdurchmusterung wird mit einer eigens dafür angefertigten Kamera nächstes Jahr beginnen. Mindestens fünf Jahre lang (über 500 Nächte sind dafür vorgesehen), wird das 4-Meter-Blanco Teleskop des CTIO (Cerro Tololo Inter-American Observatory) in Chile ein 5000 Quadratgrad großes Himmelsareal inspizieren (das Teleskop gehört übrigens auch zu jenen, mit denen die frisch gekürten Nobelpreisträger ihre Beobachtungen machten). Dabei sollen über 300 Millionen Galaxien vermessen werden, 50 000 Galaxienhaufen und vielleicht 4000 Sternexplosionen. Das wird die kosmologischen Parameter genauer bestimmen und, die gegenwärtigen Werte für die Dunkle Energie um einen Faktor drei bis fünf präziser machen sowie den Startschuss für die Überprüfung alternativer Szenarien der modifizierten Gravitation geben.
Das ist auch die Aufgabe von Euclid. Diese ?medium-class?-Mission gehört zum ?Cosmic Vision?-Plan 2015 bis 2025 der Europäischen Raumfahrtagentur ESA. Gestern Abend teilte die ESA mit, dass Euclid (zusammen mit dem Solar Orbiter zur Erforschung der Sonne) beschlossene Sache ist und 2019 mit einer Sojus-Rakete vom ESA-Raumflughafen in Kourou, Französisch-Guyana, ins All geschossen wird. Vom Lagrange-Punkt L2 aus wird das 1,2-Meter-Weltraumteleskop dann sechs Jahre lang Myriaden ferne Galaxien und Galaxienhaufen genau ins Visier nehmen und aus den Messungen auf die Eigenschaften der Dunklen Energie schließen helfen. Zum einen werden winzige Gravitationslinseneffekte (?Weak Lensing?) in bislang unerreichter Genauigkeit vermessen werden. Zum anderen die sogenannten Baryonischen Akustischen Oszillationen: Schallwellen im Urgas des frühen Universums haben in der Bildung der Galaxienhaufen einen charakteristischen ?Abdruck? hinterlassen, der das einstige Wechselspiel von Schwerkraft und Strahlungsdruck widerspiegelt. Diese Wellen lassen sich heute noch in Form einer charakteristischen kosmischen Längenskala der großräumigen Strukturen von etwa 500 Millionen Lichtjahren feststellen. Sie wäre ohne die Annahme von Dunkler Materie und Energie nicht verständlich.
Wie spannend die nächsten Jahre werden, hat auch Bruno Leibundgut von der Europäischen Südsternwarte ESO in seinem Vortrag in Heidelberg deutlich gemacht. Er ist ein Mitglied des High-Z Teams von Brian Schmidt. Und zeigte zunächst eine E-Mail von seinem australischen Kollegen mit dem Betreff “thank you all”, in der Schmidt schrieb: “Bevor ich ins Bett gehe, möchte ich Euch allen aus tiefstem Herzen danken für alles, was dazu beitrug, unsere Entdeckung des beschleunigten Universums zu unterstützen, das uns den Physik-Nobelpreis einbrachte. Auch wenn der Preis mir und Adam verliehen wurde, wissen wir alle, dass er eine Anerkennung für die Arbeit des ganzen Teams bedeutet.”
Leibundgut nimmt an, dass zu den im Augenblick über 6000 Sternexplosionen durch die neuen Beobachtungsprojekte 50 000 oder auch 100 000 in den nächsten zehn Jahren hinzu kommen – eine Zahl, die durch die aufwendigen Nachfolgebeobachtungen und Datenanalysen kaum auszuschöpfen ist. Zusammen mit vielen anderen Methoden werden diese Daten das Dunkle Universum ausleuchten, wie es die Supernovae selbst ja auch tun. Die Chancen stehen gut, dass noch in diesem Jahrzehnt der finstere Schleier gelüftet wird und das Universum uns verrät, woraus es hauptsächlich besteht.
wissenschaft.de ? ===Rüdiger Vaas ===Rüdiger Vaas ist Astronomie-Redakteur bei bild der wissenschaft. Zur Kosmologie erscheint in diesen Tagen sein neues Buch Hawkings Kosmos einfach erklärt – Vom Urknall zu den Schwarzen Löchern. Über die Forschungen zur Dunklen Energie hält er die Leser von bild der wissenschaft seit langem auf dem Laufenden, so in seinen ausführlichen Beiträgen in 6/1999, 7/2001, 4/2002, 8/2003, 6/2006, 11/2006, 11/2007, 8/2009 und 4/2010.
