Quintessenz und Dunkle Energie

Supernovae vom Typ SN Ia dienen den Astronomen als so genannte Standardkerze zur Entfernungsbestimmung. Diese Sternexplosionen beginnen nämlich stets mit fast derselben absoluten Helligkeit beim Ausbruch. Hat man erst einmal die genaue Distanz zu einem solchen (relativ nahen) Ereignis durch andere Methoden bestimmt, kann man leicht auch auf entfernte Objekte schließen. Denn die Helligkeit lässt sich sehr genau messen und man kann so zu exakten Entfernungsangaben kommen. Eine andere Methode zur Bestimmung der Distanz eines leuchtenden Objekts ist die durch die Expansion des Universums verursachte Rotverschiebung z des Lichts. Die Rotverschiebung einer bestimmten Spektrallinie von z.B. z = 1,0 entspricht einer Verschiebung von 100% zum roten Ende des Spektrums.

1997 spürte das Hubble- Teleskop die bis dahin entfernteste Supernova vom Typ SN Ia auf. Sie wies eine Rotverschiebung von z = 1,7 auf, was einer Entfernung von 10 Milliarden Lichtjahren entspricht. Allerdings war ihre gemessene Helligkeit viel zu gering. Das konnte nur bedeuten, dass sie weiter entfernt ist, als sie eigentlich aufgrund der Rotverschiebung sein dürfte! Im rechten Bild sieht man die Supernova als digitale Differenz zeitlich getrennter Aufnahmen.

Mit freundlicher Genehmigung von Adam Riess (STScI) et al., NASA

Diese Differenzen in den Entfernungsbestimmungen bedeuteten eine bittere Pille für die Kosmologen, ließen sie doch nur einen Schluss zu: Die Expansion des Universums beschleunigt sich! Weit entfernte Objekte flüchten schneller, als bisherige Modelle vorausgesagt haben. Inzwischen hat man Dutzende von Supernovae des Typs Ia bei Rotverschiebungen von z > 1,0 nachmessen können und erhielt stets das selbe Ergebnis. Immer waren sie lichtschwächer!

Es muss also irgendeine Kraft geben, welche die Expansion des Universums beschleunigt. Die alten Griechen führten zu den ihnen bekannten 4 Elementen Feuer, Wasser, Erde und Luft ein fünftes ein, welches Mond und Sterne zusammenhielt und nannten es Quintessenz (∼ die fünfte Essenz). Heute bezeichnet man damit diese geheimnisvolle, antigravitativ wirkende Kraft. Weil man sie weder sehen noch irgendwie nachweisen kann, wird sie in Analogie zur Dunklen Materie auch Dunkle Energie genannt. Diese könnte sogar identisch sein mit der Energie des Vakuums und/oder der Einsteinschen Kosmologischen Konstante (mit der Bezeichnung $λ$ ).

Sicherlich sind einige Einwände gegen die Beobachtungen der entfernten Supernovae berechtigt: Das Licht dieser Objekte könnte durch intergalaktischen Staub abgeschwächt sein. Auch wäre es denkbar, dass die Explosionen bei weit entfernten Supernovae anders verlaufen als bei den nahegelegenen. Dagegen spricht aber, dass Weiße Zwerge, die Auslöser der Supernovae vom Typ SN Ia, nur in einem sehr engen Massenbereich existieren können. Damit kann auch nur eine bestimmte Menge Material von einem Begleiter auf sie überströmen, bis es zur Kernexplosion auf ihrer Oberfläche kommt. Deshalb haben Supernovae SN Ia stets die gleiche Helligkeit und wir können sie eindeutig anhand ihrer Lichtkurven identifizieren. Aus diesem Grund sind heute die meisten Kosmologen von der Richtigkeit der Beobachtungen, und damit vom beschleunigt expandierenden Kosmos, überzeugt. Sie stehen nun vor der wahrhaft nicht leichten Aufgabe, eine physikalische Erklärung der Quintessenz abzuliefern.

Hier sieht man weitere Supernovae aus dem Jahr 1998, die den Umschwung in der modernen Kosmologie initiierten. Trotz einiger Skeptiker ist man jetzt der Auffassung, dass unser Universum nicht nur große Anteile an Dunkler Materie enthält, sondern geradezu von der mysteriösen Dunkler Energie überflutet ist. Der Anteil sichtbarer Materie in Form von Sternen und Gaswolken beträgt gerade einmal 4%, die Dunkle Materie macht bereits 23% des Universums aus, während die Dunkle Energie den Löwenanteil von 73% beansprucht!

Mit freundlicher Genehmigung von High-Z Supernova Search Team, HST, NASA

Als sich Einstein 1917 der Kosmologie zuwandte erkannte er anhand seiner Feldgleichungen, dass sich das Universum eigentlich auf Dauer durch die Gravitation der darin enthaltenen Materie zusammenziehen müsste. Seinerzeit war man aber felsenfest von einem statischen, unveränderlichen Weltall überzeugt, und so fügte er seinen Gleichungen die berühmte Kosmologische Konstante $λ$ hinzu. Sie stellte eine Vakuumkraft mit Antigravitationswirkung dar (siehe hierzu auch Negative Energie), die den gravitativen Kollaps des Universums verhinderte. 1930 entdeckte dann Edwin Hubble die Galaxienflucht und dass wir in einem expandierenden Kosmos leben. Nun war die Kosmologische Konstante überflüssig, Einstein entfernte sie aus seinen Gleichungen und bezeichnete sie selbst als "die größte Eselei meines Lebens". Dennoch ist Einsteins Konstante heute wieder in aller Munde, um vielleicht in ihr eine Erklärung für die beschleunigte Expansion zu finden.

Paul Steinhardt, der bereits 1995 (!) ein beschleunigt expandierendes Universum voraussagte, meint, das Problem der Kosmologischen Konstante ist, dass sie eben eine Konstante ist. Ihre Größe ist damit unveränderlich. Die Quintessenz dagegen umschließt eine Fülle von Möglichkeiten. Sie ist dynamisch, entwickelt sich im Laufe der Zeit und stellt eine Energieform mit negativem Druck dar, der die Expansion immer mehr beschleunigt. Man stellt sie sich als Quantenfeld mit kinetischer und potentieller Energie vor. Die Quintessenz entstand mit dem Urknall, wurde aber quasi erst eingeschaltet, als nach 380 000 Jahren der strahlungsdominierte Kosmos in ein materiebeherrschtes Universum überging. Die beschleunigende Kraft der Dunklen Energie entfaltete sich spürbar allerdings erst nach 10 Milliarden Jahren.

Doch was ist nun eigentlich diese Quintessenz, woraus besteht die Dunkle Energie? Niemand weiß es. Alle uns bekannten Erscheinungsformen der Energie, Strahlung, normale oder selbst Dunkle Materie, üben einen positiven Druck aus und wirken damit gravitativ anziehend. Es muss da draußen also irgendetwas geben, das auf unser All einen negativen Druck überträgt. Nach Steinhardt's Ansicht könnte die Quintessenz mit Materie wechselwirken und sich umso weiter entwickeln, je länger sie mit dieser Kontakt hat. Es könnte auch sein, dass sie irgendwann, wenn die Materiedichte im Kosmos durch die Expansion nur noch gering ist, in völlig neue Formen von heißer Materie oder Strahlung zerfällt und damit ihren negativen Druck verliert. Damit wären wir dann nicht mehr dazu verdammt, in einem ewig expandierenden Weltall zu leben, die kosmische Ausdehnung würde eines Tages zum Stillstand kommen. Neueren Überlegungen zufolge könnte die Dunkle Energie sogar aus Gravitationswellen bestehen, die im frühen Kosmos entstanden sind. Würde das zutreffen, hätte die unbefriedigende Erklärungsnot der Wissenschaftler ein Ende. Weltweit laufen verschiedene Experimente (oder entstehen noch) zum Nachweis der bislang nur theoretischen Gravitationswellen.

Astronomen und Kosmologen sind fasziniert von diesem neuen Phänomen Quintessenz. Wir können sie nicht in unsere Hand nehmen und untersuchen, wir sind nicht einmal in der Lage, sie im Labor zu erzeugen und erahnen nicht, was hinter ihrem Schleier steckt. Dennoch nehmen die Wissenschaftler diese Erscheinung sehr ernst und wollen versuchen, durch langfristige Beobachtungen mehr Details über die Dunkle Energie zu erfahren. So ist ein Projekt mit Namen SNAP, SuperNova Acceleration Project, geplant, das noch vor 2020 ins All gehen soll. Hier wird ein Satellit mit einem 2 m- Teleskop speziell dafür eingerichtet, jährlich mehr als 2000 weit entfernte Supernovae aufzuspüren und zu untersuchen.

Mittlerweile waren verschiedene Missionen in Aktion, neben WMAP, Wilkinson Microwave Anisotropy Probe als Nachfahre des Compton- Satelliten war WMAP in der Lage, feinste Kräuselungen des kosmischen Mikrowellenhintergrundes zu erkennen. Dieser Hintergrund ist ein Überbleibsel des Universums, als es im Alter von 380 000 Jahren durchsichtig wurde. Die von 2009 bis 2013 durchgeführte Planck- Mission hat dann nochmals verfeinerte Messungen der Hintergrundstrahlung vorgenommen. Mit diesen Instrumenten konnten uns bisher viele Fragen beantwortet werden, z.B. dass wir in einem offenen Universum mit euklidischer Geometrie leben und dass der Anteil der Dunklen Energie bei 72% des Gesamtinhalts unseres Universums liegt. Noch wissen wir aber nicht, was die Quintessenz ist, ob sie existiert oder nur ein kosmischer Irrtum ist. In der Grafik ein Vergleich der Ergebnisse oben genannter Missionen.

Was hier wie ein verrücktes Muster aussieht, ist der kosmische Hintergrund der Mikrowellen- Strahlung. Die verstärkten und als farbliche Unterschiede dargestellten, feinsten Kräuselungen in der Temperatur überzeugen inzwischen auch diejenigen Skeptiker, denen bislang die Beweise fehlten. Unser Universum ist fremdartiger als je gedacht, erfüllt mit Dunkler Materie und Dunkler Energie. Wir sehen hier die ältesten Objekte des Universums überhaupt, gerade als es 380 000 Jahre alt war.

Mit freundlicher Genehmigung vonVery Small Array Collaboration, Teneriffa