Expansion des Universums : Das ungelöste Rätsel des wachsenden Weltraums

Der Kosmos expandiert. Die Physik müht sich um eine Erklärung – und sucht nach einer „Dunklen Energie“.

Wenn man sie doch nur so sehen könnte: Die hier blau dargestellte Dunkle Energie, die das Weltall expandieren lassen soll, hat ein Computer errechnet und über das Bild des Weltraumteleskops „Hubble“ eines fünf Milliarden Lichtjahre entfernten Galaxienhaufens im Sternbild Fische gelegt.
Wenn man sie doch nur so sehen könnte: Die hier blau dargestellte Dunkle Energie, die das Weltall expandieren lassen soll, hat ein...Foto: picture alliance / NASA/Nasa/dpa

Die Astronomen verstehen den Kosmos nicht mehr. Grundsätzlich gilt zwar nach wie vor, was sie schon vor rund 90 Jahren entdeckt hatten: Die riesigen Räume zwischen den Galaxien blähen sich weiter auf. Zwischen aller Materie im Kosmos wirken jedoch Gravitationskräfte. Diese müssten die Expansion theoretisch allmählich abbremsen – dachten zumindest die Astronomen.

Doch 1998 gaben gleich zwei voneinander unabhängige Forschergruppen ein ganz anderes Ergebnis bekannt: Die Expansion des Weltalls verläuft keinesfalls gebremst; seit rund sechs Milliarden Jahren hat sie sich im Gegenteil sogar noch beschleunigt. Seither rätseln die Wissenschaftler nun darüber, was den Kosmos entgegen den Anziehungskräften immer schneller auseinandertreibt.

Immerhin auf eine Bezeichnung für die Ursache der beschleunigten Aufblähung haben sich die Astronomen schon einmal geeinigt: Dunkle Energie. Dieser medienwirksame Taufname wird dem Erkenntnisstand auch heute noch gerecht – wenn auch ganz anders, als sein Erfinder Michael Turner es sich erhofft hatte: Die Natur der Dunklen Energie liegt tatsächlich nach wie vor vollkommen im Dunkeln. Und dies obwohl bereits ganze Heere von Wissenschaftlern das Expansionsgeheimnis des Kosmos mit einer Vielzahl kreativer und fantasievoller Hypothesen lüften wollten.

In ihrer Erklärungsnot kramten sie unter anderem eine längst überholt geglaubte Idee von Albert Einstein wieder aus der Theoriekiste. Mit seiner Allgemeinen Relativitätstheorie hatte er 1915 eine elegante Erklärung für die mysteriösen Anziehungskräfte der Gravitation gefunden. Doch seine Gleichungen legten die Vermutung nahe, dass der Kosmos unter dem Einfluss der allgegenwärtigen Gravitation schrumpfen müsste.

Mit einem mathematischen Trick die Vorstellung vom Kosmos gerettet

Ein schrumpfender Kosmos widersprach jedoch Einsteins fester Überzeugung, dass das Universum unveränderlich und ewig sei. Also fügte er in seine Gleichungen willkürlich eine Art Gegenkraft zur Gravitation ein. Mit dieser „universellen Konstante Lambda“ brachte Einstein seinen theoretischen Kosmos wieder genau ins Gleichgewicht.

Zusammen mit dem Faktor „Lambda“ ergaben seine Gleichungen die unveränderliche Raum-Zeit-Struktur, die das in dieser Hinsicht erstaunlich konservative Genie als einzige natürliche Daseinsform des Kosmos wähnte. Rund zehn Jahre später entdeckte der US-amerikanische Astronom Edwin Hubble jedoch, dass der Kosmos in Wahrheit expandiert. Daraufhin entfernte Einstein seine kosmologische Korrektur Lambda wieder aus seinen Gleichungen. Später soll er sie sogar als „größte Eselei meines Lebens“ bezeichnet haben.

Doch neuerdings ist die kosmologische Konstante Lambda bei den Astronomen wieder schwer in Mode gekommen. Sie fügen sie sogar erneut in die Einstein’schen Gleichungen ein. Dieses Mal aber, um einen Kosmos zu beschreiben, dessen Räume sich entgegen den Gravitationskräften sogar beschleunigt aufblähen – wie es auch tatsächlich beobachtet wird. Kein Kosmologe ist jedoch rundum zufrieden mit diesem mathematischen Kunstgriff. Er gilt als Paradebeispiel für eine „Ad-hoc-Hypothese“, wie der Erkenntnistheoretiker Karl Popper solche seiner Meinung nach wissenschaftlich wertlosen Willkür-Annahmen taufte.

Oder ist der Faktor Lambda doch mehr als ein methodischer Trick, den die Theoretiker nur deshalb aus dem Ärmel geschüttelt haben, um die lieb gewonnene, vielfach bewährte Relativitätstheorie zu retten? Vielleicht – so eine der unter Kosmologen geläufigsten Vermutungen – zeigt Lambda eine physikalische Eigenschaft des Raumes selber an. Nach den Gesetzen der Quantentheorie besitzt selbst der absolut leere Raum eine Energie. Und diese „Vakuum-Energie“ könnte den Druck erzeugen, der das Weltall beschleunigt auseinandertreibt.

Die schlechteste Vorhersage in der Geschichte der Physik

Leider liegen aber Theorie und Beobachtung weit auseinander: Das Lambda, das zu der beobachteten Beschleunigung der Expansion des Kosmos passt, ist absurd klein. Es ist um 121 Größenordnungen kleiner als das Lambda, das sich theoretisch aus der quantenmechanischen Vakuum-Energie ergibt. Die Realität wird verfehlt um einen Faktor mit 121 Nullen: Damit hat die Vakuum-Energie als hypothetische Ursache der beschleunigten Expansion des Kosmos wohl die schlechteste Vorhersage geliefert, die jemals in der Geschichte der Physik aus einer Hypothese abgeleitet wurde. Kein Wunder, dass viele Kosmologen nach anderen Erklärungen für die Expansionsbeschleunigung suchen.

Zum Beispiel Anna Ijjas, Leiterin der gerade ins Leben gerufenen neuen Arbeitsgruppe „Gravitation und Kosmologie“ des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik in Hannover. Sie warnt jedoch davor, Einstein allzu schnell zum alten Eisen zu zählen: „Ich bin skeptisch, dass eine radikale Änderung der Einstein’schen Gravitationstheorie nötig sein wird.“ Sie fügt aber hinzu: „Natürlich kann ich mich irren. Wir können in der Zukunft auch etwas Überraschendes messen.“ Überraschend wäre zum Beispiel die Entdeckung, dass in der Expansionsgeschichte des Kosmos außer der Gravitation noch eine weitere, bisher unbekannte Kraft eine Rolle gespielt hat – und weiter spielt.

Es wäre eine fünfte Grundkraft, neben den vier Kräften, mit denen die Physiker das Getriebe der Welt im Kleinen und im Großen bis jetzt beschreiben: die starke und die schwache Wechselwirkungskraft der Elementarteilchen-Physik, die elektromagnetische Kraft und die Gravitation.

Wenn die „Fünfte Kraft" aber mehr wäre als nur eine Ad-hoc-Hypothese zur Erklärung der beschleunigten Expansion des Kosmos, warum hat sich dann ihr Einfluss sonst noch nirgendwo gezeigt? Sowohl in den Weiten des Kosmos als auch im Labor fallen alle Körper auf Bahnen aufeinander zu und umeinander herum, die mit den Gesetzen der herkömmlichen Gravitation präzise und vollständig beschrieben werden können. Keine fünfte Kraft zu sehen – nirgendwo. Doch auch dafür haben die Verfechter der Fünften Kraft eine ganze Reihe möglicher Erklärungen gefunden. Zum Beispiel die Chamäleon-Hypothese.

eRosita soll die Dunkle Energie im All aufspüren

Ihr Name weist auf eine theoretisch mögliche Eigenschaft der Fünften Kraft hin, mit der sie in der Tat nur schwer zu entdecken wäre: Vielleicht könnte sie ihre volle Wirkung nur in den nahezu leeren, gravitationsfreien Weiten zwischen den Galaxien entfalten. Hingegen wirkt sie in Umgebungen mit viel Materie und entsprechend hoher Gravitation vielleicht nur über eine winzige Reichweite hinweg und bliebe deshalb verborgen. In diesem Fall wäre die Fünfte Kraft in unserem Sonnensystem kaum zu entdecken. Überall in unserer kosmischen Heimat würden wir nur die Gravitationsgesetze der Relativitätstheorie am Werk sehen.

Vor Kurzem führten britische Forscher um Dylan Sabulsky jedoch ein Experiment durch, mit dem sie die Fünfte Kraft, selbst wenn sie ein Chamäleon wäre, trotzdem auf der Erde aufzuspüren hofften: In einer Vakuumkammer ließen sie Rubidium-Atome an einer kleinen Metallkugel vorbeifallen. Zwischen den einzelnen Atomen und der Metallkugel wirkten nur winzige Gravitationskräfte. Umso deutlicher hätte sich eine Fünfte Kraft zeigen und die Atome aus ihren Bahnen lenken müssen.

In einer Pressemitteilung beschrieb Ed Hinds, einer der beteiligten Forscher, die hohen Erwartungen: „Es ist sehr aufregend, mit einem Experiment in einem Londoner Keller etwas über die Entwicklung des Kosmos herauszufinden.“ In diesem Fall jedoch ein vergeblicher Versuch: Die Atome blieben genau auf den Bahnen, auf denen sie gemäß den Gesetzen der Gravitation auch fliegen mussten. Eine Fünfte Kraft zeigte sich nicht.

Spürnase. Die sieben Spiegelobjektive des deutschen Röntgenteleskops „eRosita“ sollen im Weltall Galaxienhaufen und die extrem heißen Gase zwischen ihnen nachweisen. Damit wollen Wissenschaftler dem Mysterium der Dunklen Energie auf die Spur kommen.
Spürnase. Die sieben Spiegelobjektive des deutschen Röntgenteleskops „eRosita“ sollen im Weltall Galaxienhaufen und die extrem...Bild: DLR

Natürlich suchen Forscher die Natur der Dunklen Energie auch in den beschleunigt expandierenden Weiten des Universums selber. Etwa mit dem Weltraumteleskop „eRosita“, das federführend vom Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik in Garching entwickelt und am 13. Juli 2019 vom Weltraumbahnhof Baikonur ins All geschickt wurde. „Wir wollen mit eRosita den ganzen Himmel nach Galaxienhaufen absuchen und dabei bis zu 100.000 auch finden“, sagte der wissenschaftliche Leiter der Mission, Peter Predehl, dem Tagesspiegel. In einem Galaxienhaufen sind jeweils bis zu Tausende von Galaxien versammelt.

Das Röntgen-Teleskop wird jedoch nur die Haufen insgesamt aufspüren können, genauer: Es wird die heißen Gasmassen erkennen, die den Raum zwischen den Galaxien eines Haufens erfüllen. Denn wegen seiner hohen Temperaturen ist das Gas in einem Galaxienhaufen jeweils eine ausgedehnte Quelle von Röntgenlicht, das eRosita auffangen und damit deren Verteilung im Kosmos zeigen kann.

Einstein in Gefahr

Mit dem Röntgenteleskop werden die Astronomen aber nicht nur das geometrische Netzwerk erkennen, das die Galaxienhaufen im Kosmos aufspannen. Je nach der Entfernung eines Galaxienhaufens wurde das Röntgenlicht aus ihm, das jetzt in das Teleskop strömt, schon vor Hunderten Millionen oder gar mehreren Milliarden Jahren ausgestrahlt.

Der Blick mit eRosita weit zurück in die Vergangenheit des Kosmos wird also auch zeigen, wie sich die großräumige Struktur des Netzes der Galaxienhaufen im Laufe der vergangenen Jahrmilliarden entwickelt hat. Insbesondere im Wachstum der riesigen, nahezu materiefreien Raumblasen zwischen den Galaxienhaufen hat vermutlich auch die Dunkle Energie erkennbare Spuren hinterlassen. So könnte sich zum Beispiel zeigen, dass sich die Dunkle Energie im Laufe der Jahrmilliarden verändert hat.

Damit wären auf einen Schlag eine Vielzahl der Hypothesen erledigt, die kreative Kosmologen bis jetzt über die Natur der Dunklen Energie ausgetüftelt haben. Selbst die allgemeine Gültigkeit der Allgemeinen Relativitätstheorie von Albert Einstein wäre dann in Gefahr.

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