Kosmologen haben vielleicht bei der Erklärung der beschleunigten Ausdehnung des Weltraums einen entscheidenden Fehler gemacht.
Dunkelheit regiert die Welt. In den letzten Jahren haben Kosmologen zu ihrer großen Überraschung entdeckt, dass sich die Ausdehnung des Weltraums nicht verlangsamt, wie es durch die „ Bremsung” der Materie zu erwarten wäre, sondern seit etwa fünf Milliarden Jahren beschleunigt. Dafür wird eine mysteriöse Dunkle Energie verantwortlich gemacht, die einen negativen Druck hat und deshalb der Gravitation entgegenwirkt – eine Idee, die Albert Einstein bereits 1917 in die Kosmologie einführte. Obgleich niemand weiß, was genau dahinter steckt, scheint die Dunkle Energie alles zu dominieren – sowohl die künftige Entwicklung des Universums als auch seine Gesamtenergiedichte. 74 Prozent von dieser Dichte entfällt auf die Dunkle Energie, 22 Prozent auf die Dunkle Materie und nur 4 Prozent auf die gewöhnlichen Atome. Das zumindest ist die beste Erklärung der Hochpräzisionsdaten, die die Raumsonde WMAP von der Kosmischen Hintergrundstrahlung gemessen hat. Die im März von David Spergel, Princeton University, und seinem Team veröffentlichte Analyse lässt wenig Spielraum, von diesem schon früher von WMAP und anderen Beobachtungen nahe gelegten kosmologischen Standardmodell abzuweichen.
Vielleicht ist die Dunkle Energie trotzdem eine Illusion. Denn die Daten lassen sich auch anders erklären – wenn bestimmte übliche Annahmen nicht gelten. Die eine Annahme ist die Gültigkeit der Allgemeinen Relativitätstheorie über große Entfernungen hinweg. Sie ist vernünftig, aber keineswegs zwingend. Zum einen haben die bisherigen Tests nur eine eingeschränkte Genauigkeit und Reichweite. Zum anderen muss die Relativitätstheorie durch eine Theorie der Quantengravitation erweitert werden. Philip D. Mannheim von der University of Connecticut, Sean M. Carroll von der University of Chicago und andere Wissenschaftler haben – rein hypothetisch – diverse bereits bestehende Vorschläge zur Modifikation der Allgemeinen Relativitätstheorie in die Diskussion gebracht. Manche hätten eine beschleunigte Expansion zur Folge, ohne die Annahme der Dunklen Energie zu erfordern. Die andere Annahme geht auf Einstein zurück und betrifft die aus der Relativitätstheorie durch Vereinfachung gewonnenen Grundgleichungen der Kosmologie. Sie setzen voraus, dass das Universum im Großen und Ganzen gleichförmig ist und wir keine Sonderstellung einnehmen. Zwar gibt es durchaus Unterschiede zwischen Galaxien, Galaxienhaufen und -superhaufen und den nahezu leeren Regionen zwischen ihnen. Aber auf mehr als 100 Millionen Lichtjahre messenden Skalen mitteln sich diese aus. Trotzdem könnte die Homogenität eine zu starke Vereinfachung sein. Vielleicht sind daher realistischere kosmologische Gleichungen nötig, die dann keine Dunkle Energie erfordern würden. Mit dieser ketzerischen Ansicht sorgen einige Forscher zurzeit für Aufregung in der Fachwelt.
Dazu gehört eine Gruppe um Edward W. Kolb von der University of Chicago und Antonio Riotto vom Kernforschungszentrum CERN in Genf und – unabhängig von ihnen – Forscher wie John W. Moffat vom Perimeter Institute für Theoretische Physik in Waterloo, Kanada. Sie nehmen an, dass das ganze beobachtbare Universum mit seinem Durchmesser von rund 27 Milliarden Lichtjahren eine unterdurchschnittliche Dichte hat – also weniger als seine für uns aufgrund der endlichen Lichtgeschwindigkeit und Beobachtungszeit nicht einsehbare Umgebung. Diese sich nicht beschleunigt ausdehnende Umgebung würde gleichsam einen „Sog” auf die unterdichte Blase des beobachtbaren Alls ausüben – und somit in ihr die beschleunigte Expansion bewirken. Die Annahme einer antigravitativ wirkenden Dunklen Energie wäre unnötig. Dass sich solche weiträumigen Dichteunterschiede im gesamten, womöglich unendlich großen All ausbilden konnten, wird als Konsequenz der Kosmischen Inflation gedeutet, die in der Frühzeit des Universums, nur winzige Sekundenbruchteile nach dem Urknall, eine exponentielle Ausdehnung des Weltraums bewirkt hat und die damals vorhandenen, unvermeidlichen Quantenfluktuationen auf astronomische Skalen aufgebläht hat. Teile dieser Quantenfluktuationen, so die gängige Interpretation, haben sich als Temperaturdifferenzen in der Kosmischen Hintergrundstrahlung erhalten, die die WMAP-Sonde jüngst mit höchster Präzision kartiert hat und noch immer vermisst. Unser beobachtbares Universum, so argumentieren Kolb und seine Mitstreiter, stammt ebenfalls aus einer solchen groß gewordenen Quantenfluktuation.
Kolbs Szenario hat für Wirbel gesorgt und Kritik hervorgerufen. So argumentieren Christopher M. Hirata und Uros Seljak von der Princeton University, dass die Inhomogenitäten, selbst wenn es sie geben sollte, schon aus theoretischen Gründen nicht die beschleunigte Expansion bewirken können. Kolb und seine Mitstreiter mussten nachbessern, beharren aber auf ihrer Grundidee. Letztlich sei es eine empirische Frage. „In zwei Tests sollte unser Szenario von dem der Dunklen Energie abweichen: Die Entwicklung der weiträumigen Materieverteilung, etwa von Galaxienhaufen, wäre anders verlaufen, und auch die Helligkeiten von Supernovae in großen Distanzen müssten anders sein”, sagt Riotto.
Eine andere Hypothese verfolgen Astrophysiker um Subir Sarkar von der University of Oxford. Für sie ist nicht nur die Dunkle Energie, sondern auch die beschleunigte Expansion eine Täuschung. Denn andere mit den Beobachtungsdaten konsistente Weltmodelle sind genauso gut möglich, ist Sarkar überzeugt. „Niemand sieht die beschleunigte Expansion. Man beobachtet, dass die fernen Sternexplosionen nur etwa halb so hell sind, wie das kosmologische Standardmodell annimmt. Da ein speziell absorbierender Staub keine plausible Erklärung ist, lautet die übliche Interpretation, dass sie weiter entfernt sind als erwartet. Das könnte auf eine beschleunigte Ausdehnung zurückgehen. Es kann aber auch damit erklärt werden, dass unser Universum inhomogen ist, während wir ein Homogenitätsmodell verwenden, um die Daten zu interpretieren.”
Die Inhomogenitäten, die Sarkar meint, sind freilich wesentlich kleiner als bei Kolbs Hypothese. Es ist durchaus möglich, dass sich die Milchstraße in einer einige Hundert Millionen Lichtjahre großen unterdichten Region befindet – worauf Kenji Tomita von der japanischen Kyoto-Universität schon vor Jahren hingewiesen hat. „In diesem Fall ist unsere lokale Expansionsgeschwindigkeit höher als der Mittelwert in weiteren Entfernungen, und wir nehmen fälschlicherweise zu große Supernovae-Distanzen an”, sagt Sarkar. Der globale Wert für die Expansionsrate, die Hubble-Konstante, müsste bei 45 bis 50 statt bei gut 70 Kilometer pro Sekunde und Megaparsec liegen. Falls die Neutrinos außerdem 10 bis 15 Prozent zur Gesamtmasse des Universums beitragen – wesentlich mehr als im Standardszenario –, kann auf die Dunkle Energie verzichtet werden. Und: Befindet sich die Milchstraße nicht im Zentrum der unterdichten Blase oder ist diese leicht in die Länge gezogen – alles keine sehr wahrscheinlichen Annahmen –, kann Sarkar auch bestimmte WMAP-Daten erklären, die anderweitig Probleme machen. Allerdings passen die gemessenen Galaxien-Verteilungen besser zum Standardmodell, wie Sarkar einräumt. „Aber wir brauchen noch präzisere Messdaten.”
Fazit: Die gegenwärtige Situation erscheint kompliziert und verwirrend. Aber Konkurrenz belebt das Geschäft – auch in der Wissenschaft. Es spornt an, eine Erklärung für die Messdaten zu finden, ohne dass eine radikale physikalische Revolution nötig ist – wie eine Modifikation der Relativitätstheorie oder die Annahme der Dunklen Energie, die der „Starken Energiebedingung” in der Allgemeinen Relativitätstheorie widerspricht. Bessere Daten von Supernovae, der Hubble-Konstante und der Materieverteilung sind notwendig, um herauszufinden, ob die Dunkle Energie eine wissenschaftliche Sackgasse ist – oder ein Höhepunkt der gegenwärtigen Erkenntnis. Rüdiger Vaas ■
