Die dunklen Seiten des Universums

Zehn Jahre Gravitationsforschung am Albert-Einstein-Institut in Potsdam: Immer mehr Kosmen?

Von Rainer Scharf

Vom Standpunkt der Astronomie habe er ein geräumiges Luftschloß gebaut, schrieb Albert Einstein 1917. Damit meinte er die recht gewagten kosmologischen Schlußfolgerungen, die er aus seiner Allgemeinen Relativitätstheorie gezogen hatte. Heute steht die Kosmologie auf festem Boden. Sie stützt sich auf zahllose Beobachtungen, die von der Erde oder von Satelliten aus gemacht wurden. Doch noch immer gehen die kosmologischen Spekulationen weit über die bekannten Grenzen des Universums hinaus. Das entstehende Bild des Kosmos ist gleichermaßen grandios und subtil, wie sich auch auf einer Tagung zum zehnjährigen Bestehen des Albert-Einstein-Instituts in Potsdam gezeigt hat.

Unser Universum ist vor etwa 14 Milliarden Jahren in einem Urknall entstanden. Unmittelbar danach, als der Kosmos noch wesentlich kleiner war als ein Proton, setzte wahrscheinlich eine extrem schnelle Ausdehnung oder Inflation ein, die das Universum in unvorstellbar kurzer Zeit zu makroskopischer Größe aufblähte. Anschließend begann die viel langsamere kosmische Expansion, die wir heute beobachten. Als das Universum eine hunderttausendstel Sekunde alt war, bildeten sich Protonen und Neutronen. Nach etwa 400000 Jahren war der Kosmos soweit abgekühlt, daß ungeladene Atome entstehen konnten. Damit wurde das Universum lichtdurchlässig, und die noch heute nachweisbare kosmische Hintergrundstrahlung löste sich von der Materie. Nach einer Milliarde Jahren bildeten
sich aufgrund zufälliger Dichteunterschiede der Materie die ersten Quasare, Sterne und Galaxien.

Woraus das Universum eigentlich besteht, ist immer noch weitgehend unbekannt, meinte Michael Turner von der University of Chicago in Potsdam. Was man früher für den Hauptbestandteil des Kosmos gehalten hatte, ist nämlich nur ein unwesentlicher Rest. So tragen die Sterne und Gaswolken nur rund fünf Prozent zur Gesamtmasse bei, die zu etwa 25 Prozent aus dunkler Materie von unbekannter Zusammensetzung besteht. Die dunkle Materie umgibt die sichtbaren Galaxien in riesigen Halos, die um ein Vielfaches massereicher sind als die Sternsysteme selbst und sich unter anderem dadurch verraten, daß sie mit ihrer Schwerkraft das Licht dahinterliegender Galaxien bündeln. Elementarteilchen wie das Axion oder das Neutralino, aus denen die dunkle Materie bestehen könnte, hofft man mit dem Teilchenbeschleuniger LHC ("Large Hadron Collider") zu entdecken, der zur Zeit am europäischen Zentrum für Elementarteilchenforschung (CERN) gebaut wird.

Rund 70 Prozent zur Gesamtmasse des Universums trägt die geheimnisvolle dunkle Energie bei, die der Schwerkraft entgegenwirkt und den Kosmos beschleunigt expandieren läßt. Bis vor einigen Jahren hatte man angenommen, daß die Fluchtbewegung der Galaxien durch die Schwerkraft gebremst wird - möglicherweise so stark, daß das Universum wieder in sich zusammenstürzt. Doch die Beobachtung weit entfernter Supernovaexplosionen ergab ein anderes Bild: Demnach ist die zunächst abgebremste Expansion in eine beschleunigte übergegangen, die auch in Zukunft anhalten wird.

Was aber ist die dunkle Energie? Man weiß, daß sie ziemlich gleichmäßig über das Universum verteilt ist und sich nur über die Schwerkraft bemerkbar macht. Gegenwärtig ist unklar, ob die dunkle Energie an der Entwicklung des Universums teilnimmt oder nicht, meinte Christof Wetterich von der Universität Heidelberg. Bleibt sie unverändert, dann entspricht sie der kosmologischen Konstanten, die Albert Einstein nachträglich in seine Gravitationsgleichung eingeführt hatte, um der anziehend wirkenden Gravitation eine abstoßende Kraft entgegenzustellen. Dadurch wurden kosmologische Modelle möglich, in denen das Universum statisch ist, also weder kollabiert noch expandiert. Nach der Entdeckung der kosmischen Expansion durch Edwin Hubble verwarf Einstein die kosmologische Konstante als "größte Eselei seines Lebens". Mit dem Nachweis der beschleunigten Expansion ist sie nun wiederauferstanden. Ihr beobachteter Wert ist allerdings viel kleiner, als sich plausibel erklären läßt.

Die Erklärung beruht auf Heisenbergs Unschärferelation, der zufolge im leeren Raum fortwährend Elementarteilchen aus dem Nichts entstehen und nach kürzester Zeit wieder vergehen. Diese Quantenfluktuationen geben dem leeren Raum eine Energie, die sich in der kosmologischen Konstanten ausdrücken könnte. Sie gleicht in vielem der dunklen Energie, ist jedoch 10120 Mal so groß. Wenn es zu jeder bekannten Teilchensorte ein noch unentdecktes "supersymmetrisches" Partnerteilchen gäbe, dann würden deren Quantenfluktuationen die der normalen Teilchen nahezu aufheben und dadurch die Energie des leeren Raumes beträchtlich verringern. Diese Energie hängt zudem von den Massen der Teilchen ab, die durch das postulierte Higgs-Teilchen bestimmt werden. Man hofft, mit dem LHC-Beschleuniger von Cern sowohl das Higgs-Teilchen als auch erste supersymmetrische Teilchen zu finden und damit indirekt Informationen über die dunkle Energie zu erhalten.

Wenn die dunkle Energie seit dem Urknall abgenommen hat, dann könnte sie heute den winzigen Wert haben, den man beobachtet. Wetterich und andere Forscher haben ein Modell für die veränderliche dunkle Energie - die sogenannte Quintessenz - vorgeschlagen, das neben der elektromagnetischen, der schwachen und der starken Wechselwirkung sowie der Gravitation die Existenz einer fünften Kraft vorhersagt. Als weitere Konsequenz würden sich die Naturkonstanten sehr langsam verändern. Bisher hat man weder die fünfte Kraft noch eine Veränderung der Naturkonstanten beobachtet. Doch die Suche geht weiter, denn hier trifft das Bonmot des britischen Astrophysikers Arthur Stanley Eddington zu: Man sollte ein experimentelles Ergebnis erst akzeptieren, wenn es von der Theorie bestätigt worden ist.

Hat man erst einmal den großen Rahmen, stellt sich die Frage, wie die Strukturen im Universum entstanden sind. Geringfügige Dichteunterschiede in der Materie des Universums kurz nach dem Urknall wurden später zu Kondensationskeimen, die die umgebende Materie angezogen haben. Die ursprünglichen Dichteunterschiede lassen sind noch heute aus den Temperaturschwankungen der kosmischen Hintergrundstrahlung ablesen, die sich durch die Expansion des Universums auf rund 2,7 Kelvin abgekühlt hat. Die Dichteschwankungen im frühen Universum haben genau die richtige Größe gehabt, daß die heute existierenden Strukturen entstehen konnten, betonte Martin Rees von der University of Cambridge. Wären die Schwankungen etwas kleiner gewesen, hätten sich die Sterne und Galaxien viel langsamer gebildet, und es wären keine Planetensysteme entstanden. Größere Schwankungen hätten hingegen dazu geführt, daß alle Materie zu riesigen schwarzen Löchern kollabiert wäre. Die Bedingungen in unserem Universum scheinen also recht genau abgestimmt zu sein.

Die kosmische Feinabstimmung könnte darauf hindeuten, daß es ein noch unentdecktes physikalisches Prinzip gibt, durch das das Schicksal unseres Universums vorgezeichnet ist. Es ist aber auch denkbar, daß unser Universum nur ein winziger Ausschnitt eines wesentlich größeren Ganzen ist, in dem zahllose Urknalle eine Vielzahl von unterschiedlichen kosmischen Entwicklungen in Gang gesetzt haben. In unserem Universum waren dann die Startbedingungen zufällig so, daß Sterne und Planetensysteme und schließlich auch irdisches Leben entstehen konnten. Die anderen Bereiche außerhalb unseres Universums werden für uns immer unbeobachtbar bleiben, meinte Rees. Trotzdem sei es genauso sinnvoll, über ihre Existenz nachzudenken wie über die Existenz von weit entfernten Galaxien in unserem Universum, deren Licht uns infolge der inflationären Phase des Universums noch nicht erreicht hat und wegen der beschleunigten kosmischen Expansion auch nie erreichen wird. Ob die Spekulationen über diese dunklen Seiten des Universums vielleicht doch nur Luftschlösser sind, muß sich noch erweisen.

Text: F.A.Z., 13.04.2005, Nr. 85 / Seite N1